基于有限元軟件對超軟土道路地基的研究

邵李珉華,張 艷

(1.江西省交通投資集團有限責任公司宜春管理中心,江西 宜春 336000;2.黑龍江省公路建設中心,黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

在道路建設的過程中遇到需在軟土地基上修建道路時,影響道路質量及正常使用的關鍵在于對變形的控制,道路的變形主要是因為軟土下沉導致的。超軟土地基在路面荷載和交通荷載的長期作用下,容易造成不均勻沉降,包括瞬時沉降、主固結沉降及次固結沉降等。

對不均勻沉降有關人員進行了系列研究,其中李云峰等[1]對路基的不均勻沉降機理及相關的整治措施進行研究,研究提出具體的相關對策措施; 張嘉凡等[2]對道路工程中軟土地基的不均勻沉降進行研究,研究表明:瀝青面層模量和底基層模量對面層底面的附加應力影響明顯,基層模量對附加應力的影響不太明顯;凌建明等[3]對濕軟地基在行車荷載作用下的變形進行研究,提出了行車荷載作用下濕軟路基殘余變形的預估方法;耿大新等[4]對軟土路基在長期交通荷載作用下的殘余變形進行研究,建立了交通荷載作用下軟土地基殘余變形的計算方法,并對不同類型的交通荷載引起的軟土路基的殘余變形量進行計算;王鵬飛等[5-7]對在軟土地基道路中加寬路堤產生的變形進行理論計算并分析其成因,研究表明:荷載瞬時作用后,地基中有明顯的有效應力變化,這是地基產生初始沉降的原因,不同的拓寬路段應結合實際的情況采取不同的加固措施;徐遠杰等[8-12]通過有限元軟件對本構模型進行模擬分析,研究結果表明:在 Abaqus中增加Duncan-Chang材料本構模型后,能夠提高計算的速度、計算的精度,還能充分地利用該軟件強大的非線性求解平臺完成復雜土工應力應變的有限元數值分析問題,同時還能極大地降低土工分析程序開發的難度,并減少維護工作量。

為此在現有研究成果基礎上,通過理論研究與數值模擬相結合的方法,借助PLAXIS及Abaqus有限元軟件對超軟土道路地基的變形進行研究,并對路基路面破壞的原因進行分析。

1 超軟土道路地基的變形機理分析

(1)瞬時沉降:瞬時沉降主要是由于在加載的瞬間土中的水來不及排出,導致在不排水和恒體積的情況下,剪應變引起側向的變形而產生沉降;這種沉降與加載的速率及加載的方式有很大的關系。

(2)主固結沉降:主固結沉降主要是由于超靜水壓力的消散,應力增量轉移到土體的骨架上,導致土骨架產生變形而產生的沉降;這種沉降是地表沉降的主要部分,主要與時間有關,沉降主要表現在體積變化上。

(3)次固結沉降:次固結沉降主要是在主固結沉降基本完成后,在有效應力基本保持不變的情況先,土骨架隨時間的推移繼續產生的沉降;這種沉降主要是在長期荷載作用下而形成的,一般沉降值較小。

(4)殘余沉降:殘余沉降主要是在車輛行駛荷載的作用下,將該荷載傳至軟土地基中,導致地基中的孔隙水壓力累積升高,削弱了地基原本抵抗變形的能力,同時又隨著累積孔隙水壓力的消散,地基在此產生固結變形,從而產生累積的殘余變形。這種主要是受車輛行駛荷載的影響。

在實際工程中道路的沉降是由主固結沉降、次固結沉降和瞬時固結沉降共同作用而產生的,在某個時間段內以其中的一種沉降變形為主,在不同的狀態下三種沉降產生的大小也不相同。在較厚的軟土中,當路基填筑完后所產生的沉降主要是由于主固結沉降產生的;在道路通車后,在往返車輛交通荷載的作用下,會導致地基中的孔隙水壓力累積升高,不僅會削弱地基抵抗變形的能力,還會導致累積空隙水壓力逐漸消散,此時會導致路基產生沉降,這種沉降稱為累積殘余沉降。

2 超軟土地基的設計思路

在超軟土道路地基中,瞬時沉降、主固結沉降及次固結沉降一般都是同時發生的,針對超軟土地基沉降量大、主固結時間較長,受車輛荷載作用的影響大及不均勻沉降大的沉降特點,在這種不良的地基上進行道路的建設時,需對地基進行加固來減小不均勻沉降和總沉降量,使道路能夠正常的使用;其次在道路荷載作用下地基已經完成較高固結度后,應適當的增加維護,對路面形成保護效果。

3 有限元分析

3.1 有限元模型分析

在有限元模型分析中所采用的土體分析模型為彈塑性模型(Mohr-Coulomb),彈塑性模型在進行分析時其屈服面是固定的,塑性應變不會影響屈服面,屈服面可以通過模型的參數來進行設定,屈服面范圍內的點就代表著材料應力模型的彈性,其變形可以自由恢復。彈塑性模型由彈性應變、塑性應變、彈性應變增量、塑性應變增量組成,具體可見公式(1)、公式(2)。

ε=εe+εp

(1)

ξ=ξe+ξp

(2)

式中:ε為應變;ξ表示應變增量;εe為彈性應變;εp為塑性應變;ξe為彈性應變增量;ξp為塑性應變增量。

3.2 模型及相關參數設置

為研究超軟土地基的變形沉降問題,借助有限元軟件PLAXIS對在超軟土地基上建設道路進行仿真模擬分析,本次模型中所采用的土體本構關系為摩爾—庫倫彈性理想塑性本構關系,模型中關于土體的相關參數設置如表1所示,表1中參數根據工程中的地質勘探報告所得。

表1 模型參數設置

3.3 有限元仿真結果分析

(1)瞬時固結沉降分析。

根據模擬的結果對瞬時固結沉降進行分析,具體的結果如圖1所示。

圖1 瞬時沉降結果圖

從圖1中(a)沉降的網格變形圖中可以看出,在模型中有軟土地基部分,在左上角的網格變形最為嚴重,說明在此處的沉降最大,從(b)位移圖中也看出此現象,在左上角的位移變形最大,并且發現本次模擬的瞬時固結沉降最大值約為13.75 cm。

(2)主固結沉降分析。

根據模擬的結果對主固結沉降進行分析,本次對主固結沉降的分析是模擬在道路建成900 d后的沉降結果,具體的結果如圖2所示。

圖2 主固結沉降結果圖

從圖2中(a)沉降的網格變形圖中可以看出,在模型中有軟土地基部分,在左上角的網格變形最為嚴重,說明在此處的沉降最大,從(b)位移圖中也看出此現象,在左上角的位移變形最大,并且發現本次模擬的瞬時固結沉降最大值約為27.2 cm。

(3)累積殘余沉降分析。

根據模擬的結果對累積殘余沉降進行分析,本次對累積殘余沉降的分析主要是借助有限元軟件Abaqus,在Abaqus有限元模型的參數設置與在PLAXIS模型中的參數相同,通過Abaqus軟件結合總塑性變形的計算公式,結果如圖3所示。總塑性變形計算公式

(3)

式中:Sp為塑性殘余變形,εpi為第i層土體的塑性應變,Hi為第i層土體的厚度。

可以看出,在對超軟土進行塑性應變區范圍的模擬中發現,在模擬車輛荷載作用下軟土的塑性應變主要發生在6 m左右的范圍,通過上述的公式計算,可得其殘余應變的沉降值約為15.5 cm。

通過對超軟土道路地基的模擬結果發現,本次超軟土地基的沉降為瞬時沉降、固結沉降及累計殘余應變沉降,通過三者的累加可得到本次超軟土的總沉降值約為56.45 cm。

4 結 論

在現有研究成果基礎上,通過理論研究與數值模擬相結合的方法,借助PLAXIS有限元軟件對超軟土道路地基的變形進行研究,并對路基路面破壞的原因進行分析,研究結果表明:在超軟土道路地基中主要會產生瞬時沉降、主固結沉降及累積殘余沉降等,通過模擬計算,發現本次的模擬結果與常見的實際沉降結果相近,說明本次的模擬結果可靠,有一定的參考價值。