交通荷載作用下煤矸石路基變形響應(yīng)特性分析

陳笑寒

(中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司，北京100621)

交通荷載作用下煤矸石路基變形響應(yīng)特性分析

陳笑寒

(中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司，北京100621)

交通荷載作用下路基變形是道路工程主要研究問題。對(duì)煤矸石填料進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了煤矸石填料變形特性與累積振次、動(dòng)荷載幅值的變化規(guī)律，并依據(jù)交通荷載動(dòng)力特性，對(duì)交通荷載作用下路基變形響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果表明:煤矸石填料變形隨累積振次增加而增長，前期增長速度較快，后期增長速度緩慢且變形值逐漸趨于定值;相同振次條件下，變形隨動(dòng)荷載幅值增加而增長;車輛正下方路基沉降位移隨路基深度增加而減小，但減小速率逐漸降低，沉降曲線在深度6 m左右出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，表明交通荷載影響深度為6 m左右;路基沉降隨行車速度增加而增長，這為道路路基設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞:煤矸石填料;動(dòng)三軸試驗(yàn);交通荷載;路基工程;數(shù)值模擬

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，公路工程在交通運(yùn)輸中的地位日益提高。大規(guī)模修建公路成為重要的工程活動(dòng)，而路基是道路工程的重要組成部分，因此其設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量好壞直接關(guān)系道路壽命和使用情況。路基雖不直接與交通荷載接觸，但卻是承受交通荷載的主要組成部分，因此，交通荷載作用下路基變形特性一直是道路工程研究的熱點(diǎn)問題之一。

在過去數(shù)十年中，道路工程技術(shù)人員一直采用靜力方法研究動(dòng)荷載作用下道路路基變形特性，靜力方法可以解決一些變形問題，但無法描述交通荷載作用下道路路基變形發(fā)展演化規(guī)律，因此靜力方法具有局限性。靜力方法無法真正解決動(dòng)力響應(yīng)問題的主要原因包括:(1)沒有考慮荷載的動(dòng)力特性;(2)沒有考慮巖土材料的動(dòng)力特性。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，采用動(dòng)力學(xué)解決路基變形特性的時(shí)機(jī)已經(jīng)來臨。

煤矸石山(以下簡稱矸石山)廣泛分布于我國東北、山西和重慶等地區(qū)。矸石山附近存在大量礦區(qū)居民，因此其穩(wěn)定與否關(guān)系著人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。采用煤矸石作為路基材料已成為煤矸石應(yīng)用的方向之一，但對(duì)煤矸石路基變形特性等研究較少。本文對(duì)煤矸石填料進(jìn)行了動(dòng)三軸試驗(yàn)研究，主要研究了煤矸石填料變形特性與累積振次、荷載幅值的變化規(guī)律，并依據(jù)交通荷載動(dòng)力特性，對(duì)交通荷載作用下路基變形響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選取遼西某自燃矸石，該自燃煤矸石物理力學(xué)性質(zhì)如下:天然狀態(tài)下密度為1.51 g/cm3，相對(duì)密度為2.69，壓碎值為27.6%，粘聚力接近零，可以認(rèn)為是無粘性土，內(nèi)摩擦角為29°。由于煤矸石天然顆粒較大，因此需破碎處理，保留粒徑d小于5 mm的顆粒，矸石級(jí)配曲線如圖1所示。采用三瓣式樣模按要求制備煤矸石試樣，試樣高H=200 mm、直徑D=100 mm。

圖1 煤矸石級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)主要探討壓實(shí)度和動(dòng)荷載幅值對(duì)煤矸石填料變形特性的影響，試驗(yàn)分組情況如表1所示。動(dòng)三軸試驗(yàn)過程如下:首先制備試樣并將試樣放入壓力室，然后等比例施加固結(jié)應(yīng)力，本次固結(jié)應(yīng)力取60 kPa(約3 m高土體重力)，待試樣變形穩(wěn)定后，施加動(dòng)荷載。動(dòng)荷載制度如圖2所示。

表1 試驗(yàn)分組情況

圖2 動(dòng)三軸試驗(yàn)加載制度

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同壓實(shí)度、動(dòng)荷載幅值條件下，煤矸石累積軸向應(yīng)變與振次關(guān)系，如圖3所示。從圖3中可以發(fā)現(xiàn):累積應(yīng)變隨振次增加而增長，前期增長速率較快，隨后增長速率逐漸降低，最后變形達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值;累積應(yīng)變?cè)鲩L速度隨荷載幅值提高而變快。結(jié)合圖3a、b和c還可以看出:壓實(shí)度對(duì)累積變形有較大影響;相同條件下，壓實(shí)度越大，累積變形越小;反之亦然。這是由于較高壓實(shí)度條件下，煤矸石填料孔隙比較小，能被壓縮的體積越小，因此累積應(yīng)變較小。上述試驗(yàn)結(jié)果表明:采用煤矸石作為路基填料時(shí)，路基變形會(huì)隨著使用時(shí)間增長而逐漸變大，前期增長速度較快，后期增長速度較慢，并最終變形逐漸趨于一個(gè)定值。

不同壓實(shí)度條件下，煤矸石累積軸向應(yīng)變與動(dòng)荷載幅值關(guān)系，如圖4所示。從圖4中可以發(fā)現(xiàn):振次一定條件下，煤矸石填料累積應(yīng)變隨動(dòng)應(yīng)力幅值增長而增加;動(dòng)應(yīng)力幅值較小時(shí)，累積應(yīng)變?cè)鲩L速度較慢，動(dòng)應(yīng)力幅值較大時(shí)，累積應(yīng)變?cè)鲩L速度較快。由圖4還可以看出:相同動(dòng)荷載幅值條件下，荷載振次越多，煤矸石累積應(yīng)變?cè)酱?反之亦然。

不同壓實(shí)度條件下，煤矸石填料破壞振次(以破壞應(yīng)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn))與動(dòng)荷載幅值關(guān)系如圖5所示。由圖可以看出:破壞振次隨動(dòng)荷載幅值增加而減小，呈線性關(guān)系;壓實(shí)度越高，破壞曲線包絡(luò)線范圍越大，說明抗振動(dòng)破壞能力提高。

圖3 累積軸向應(yīng)變與振次關(guān)系

圖4 累積應(yīng)變與動(dòng)應(yīng)力關(guān)系

圖5 破壞振次與動(dòng)荷載幅值關(guān)系

3 交通荷載下路基變形響應(yīng)數(shù)值計(jì)算

3.1 模型建立及計(jì)算過程

本次計(jì)算依據(jù)遼寧某煤矸石道路工程作為分析實(shí)例，為了分析路基沉降與縱向距離關(guān)系，采用三維模型進(jìn)行計(jì)算，數(shù)值計(jì)算模型如圖6所示。三維計(jì)算模型尺寸如下:路基軸線方向取60 m，路基橫斷面方向取30 m，路基深度方向取20 m。路基邊界條件如下:上部邊界條件為自由面，水平方向邊界條件為約束節(jié)點(diǎn)水平位移，模型底部邊界條件為約束節(jié)點(diǎn)全部方向位移。

圖6 數(shù)值計(jì)算模型

本次數(shù)值計(jì)算過程如下:首先采用CAD軟件建立三維模型，然后將其導(dǎo)入數(shù)值計(jì)算軟件并劃分網(wǎng)格，在此基礎(chǔ)上賦予單元本構(gòu)模型和材料參數(shù)，約束邊界條件并進(jìn)行初始計(jì)算，得到初始靜力場后，賦予材料動(dòng)力參數(shù)，施加交通荷載并進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。

3.2 本構(gòu)模型選取及材料參數(shù)

土體是碎散顆粒集合體，因此土體破壞主要表現(xiàn)為剪切破壞形式，因此摩爾—庫倫彈塑性本構(gòu)模型較適合土體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，但與交通荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有一定差別，因此本次數(shù)值計(jì)算依據(jù)前述試驗(yàn)對(duì)該本構(gòu)模型進(jìn)行了適當(dāng)修正，具體修正情況見式(1)所示。

式中:E'為修正變形模量，E為變形模量，ε為正應(yīng)變，ε0為初始應(yīng)變，σdf為破壞荷載。

為描述交通荷載下土體破壞特性，屈服破壞準(zhǔn)則見式(2)本次數(shù)值計(jì)算各土層計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 路基各土層物理力學(xué)參數(shù)

本次計(jì)算采用瑞利阻尼，相關(guān)表達(dá)見式(3)

式中:C為阻尼，M為質(zhì)量，K為剛度，α、β為相關(guān)參數(shù)，其中，α=0.05、β=0.2。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

不同車速v和車距L條件下，路基沉降位移與路基深度變化關(guān)系如圖7所示。由圖7(a)可以看出:行車速度70 km/h時(shí)，行駛車輛正下方路基表面沉降為1.04 cm，并且路基沉降位移隨著路基深度增加而逐漸減小，但減小速率逐漸降低。觀察圖中曲線變化趨勢可以看出:沉降曲線在深度6 m左右出現(xiàn)明顯拐點(diǎn);深度超過6 m的路基沉降變化有兩個(gè)特點(diǎn):(1)沉降位移較小，約為路基表面沉降位移的10%～20%;(2)沉降變化速率較小，即曲線斜率較小，只為路基表面沉降位移變化速率的1/10～1/20。由圖7(a)還可以看出:縱向距離為0、1、2、4和6倍車距時(shí)，車輛行駛正下方路基表面沉降位移分別為1.04 cm、0.65 cm、0.18 cm、0.04 cm和0.01 cm，可以看出車輛行駛對(duì)路基縱向方向沉降影響范圍有限，約為2～3倍車距處。結(jié)合圖7(a)、(b)和(c)可以看出:行車速度70 km/h、110 km/h和150 km/h時(shí)，路基表面沉降分別為1.1 cm、1.6 cm和2.6 cm;表明路基沉降隨行車速度增加而增長。

圖7 路基沉降與深度關(guān)系

圖8 路基沉降與縱向距離關(guān)系

圖9 路基沉降與時(shí)間關(guān)系

不同車速v和路基深度條件下，路基沉降位移與縱向距離變化規(guī)律如圖8所示。由圖8(a)可以看出:行車速度70 km/h時(shí)，行駛車輛正下方路基表面沉降為1.04 cm，且路基沉降位移隨縱向距離增加而減小，但變化速率逐漸降低。觀察圖8(a)中曲線變化趨勢可以看出:在縱向距離為2倍車長時(shí)，沉降曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn);在縱向距離為4倍車長時(shí)，可以忽略車輛行駛對(duì)路基沉降的影響。由圖8(a)還可以看出:路基深度分別為0 m、1 m、2 m、4 m、6 m和8 m時(shí)，車輛行駛正下方路基沉降位移分別為1.04 cm、0.86 cm、0.57 cm、0.28 cm、0.17 cm和0.12 cm，可以看出車輛行駛對(duì)路基深度方向沉降影響范圍有限，約為6～8 m左右。結(jié)合圖8 (a)、(b)和(c)可以看出:行車速度越大，路基表面沉降越大，但沉降曲線拐點(diǎn)基本不變，說明行車速度對(duì)縱向方向沉降影響有限。

不同車速v和路基深度條件下，路基沉降位移隨時(shí)間發(fā)展變化規(guī)律如圖9所示。由圖9(a)可以看出:行車速度70 km/h時(shí)，行駛車輛正下方路基表面最終沉降為1.04 cm;動(dòng)荷載作用起始階段，路基沉降速度較大，隨著動(dòng)荷載的持續(xù)作用，路基沉降速度逐漸減小，沉降位移最終達(dá)到一個(gè)定值。由圖還可以看出:路基沉降位移隨著路基深度增加而逐漸減小，但減小速率逐漸降低。結(jié)合圖9(a)、(b)和(c)可以看出:行車速度越快，路基表面沉降越大，表明路基沉降隨行車速度增加而增長。

5 結(jié)論

本文對(duì)煤矸石填料進(jìn)行了動(dòng)三軸試驗(yàn)研究，并依據(jù)交通荷載動(dòng)力特性，對(duì)交通荷載作用下路基變形響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到主要結(jié)論如下。

(1)試驗(yàn)表明:煤矸石填料變形隨累積振次增加而增長，前期增長速度較快，后期增長速度較慢并且變形逐漸趨于定值;相同振次條件下，變形隨荷載幅值增加而增長。

(2)數(shù)值模擬表明:車輛正下方路基沉降位移隨著路基深度增加而逐漸減小，但減小速率逐漸降低。沉降曲線在深度6 m左右出現(xiàn)明顯拐點(diǎn);路基沉降隨行車速度增加而增長。

(3)路基沉降與時(shí)間變化規(guī)律表明:動(dòng)荷載作用起始階段，路基沉降速度較大，隨著動(dòng)荷載的持續(xù)作用，路基沉降速度逐漸減小，沉降位移最終達(dá)到一個(gè)定值。

［1］黃志軍，賴遠(yuǎn)明，李雙洋，等.交通荷載作用下凍土路基動(dòng)力響應(yīng)分析［J］.冰川凍土，2012，(2):418－426.

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A dissertation on analysis of deformation response characteristic of coal gangue subgrade under traffic loads

CHEN Xiao－h(huán)an
(China Airport Construction Group Corporation，BeiJing 100621，China)

The deformation of Subgrade under traffic load is important problem.The relationship between the deformation characteristics and the dynamic load amplitude is studied by dynamic triaxial test.Numerical simulation of response characteristics of subgrade deformation under traffic load is carried out.The results of experiments and numerical simulation show that:The deformation of coal gangue filler increases with the increasing of the accumulated vibration，the growth rate of the early stage is relatively fast，the late growth rate is slow and the deformation value is gradually tending to be fixed.The deformation increases with the dynamic load amplitude when the vibration is equal.The displacement is decreases with the depth increase under traffic load，but the decreasing rate gradually decreased and the settlement curve showed a significant turning point in the depth of about 6m.This shows that the impact depth of traffic load is about 6m.This provides the basis for road subgrade design.

coal gangue filling;dynamic three axle test;traffic load;subgrade engineering numerical simulation

U416.1

C

1008－3383(2017)04－0009－04

2016－06－08