半橋-邊坡復(fù)合道路結(jié)構(gòu)空間力學(xué)行為分析

崔學(xué)常，張江濤，鄭 文

(1.云南省保山市重點公路建設(shè)管理處，云南 保山678000;2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074)

0 引言

隨著國家高等級道路建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，山區(qū)道路建設(shè)里程所占比例越來越大。受山區(qū)地形影響，山區(qū)道路的建設(shè)或沿山區(qū)河道，或開鑿隧道，或大開挖，或高填方。由于開挖工程量大，而山區(qū)交通不便，部分棄渣就近堆砌或沿坡自然堆積，使河床抬高，河道斷面壓縮，行洪受阻。山區(qū)植被受到了嚴(yán)重破壞，邊坡變得容易失穩(wěn)，從而引發(fā)泥石流或滑坡。已有學(xué)者提出了解決山區(qū)道路修建的方法［1-5］。周志祥，等［6］針對山區(qū)道路特點提出一種半橋-邊坡復(fù)合道路結(jié)構(gòu)，在對道路進(jìn)行加寬的同時對現(xiàn)有的路基邊坡進(jìn)行了加固，使結(jié)構(gòu)和邊坡連接為整體，真正的起到了“牽一發(fā)而動全身”的目的，同時該道路結(jié)構(gòu)還具有較強的抵御地震作用的能力，并能保證道路改造施工過程中保持車輛通行的要求。有效地解決了約束山區(qū)道路發(fā)展的生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重、挖填方量大、造價高、保持道路暢通等瓶頸問題。

半橋-邊坡復(fù)合道路結(jié)構(gòu)中內(nèi)側(cè)為巖體，外側(cè)為懸臂結(jié)構(gòu)，主要包括鋼筋混凝土樁基，上縱梁，中縱梁、下縱梁及橫墻，其中橫墻通過錨固鋼筋與邊坡巖體聯(lián)結(jié)為整體。外側(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可限制內(nèi)側(cè)巖體在外荷載作用下變形，外側(cè)上部結(jié)構(gòu)的荷載則通過橋面系和復(fù)合結(jié)構(gòu)傳遞給邊坡巖體(圖1)。傳力過程涉及復(fù)合結(jié)構(gòu)的空間受力，以及復(fù)合結(jié)構(gòu)和巖體的相互作用。筆者通過空間有限元對自重及最不利活載作用下的復(fù)合道路結(jié)構(gòu)，以及典型地質(zhì)條件的力學(xué)性能進(jìn)行分析，以深入研究半橋-邊坡復(fù)合道路結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)理。

1 半橋-邊坡復(fù)合道路結(jié)構(gòu)空間模型

1.1 建模方法

采用ABAQUS實體有限元對半橋-邊坡復(fù)合道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間建模。計算中涉及的混凝土和鋼材均假定為連續(xù)的、完全彈性的、各向同性的;假定巖體為彈性半無限空間體系。

實體模型中混凝土和巖體采用C3D8R單元，鋼筋及預(yù)應(yīng)力錨索采用T3D2單元。模型中，地基梁以下巖層厚度取樁長的2倍，巖層底部約束x，y，z 3個方向上的自由度;樁周邊節(jié)點與巖層節(jié)點Tie在一起，共同變形;樁基礎(chǔ)與地基梁固結(jié)，地基梁底面與邊坡共同變形。下縱梁、地基梁、橫墻、中縱梁以及上縱梁形成框架，各部分Merge在一起，與巖體有接觸的地方采用Tie連接，使框架結(jié)構(gòu)與巖體共同受力、共同變形。

橋道板先簡支后連續(xù)，模型中橋道板為一塊整體板，在與橫墻交界的區(qū)域Tie連接。錨桿和錨索Embeded在巖層和復(fù)合結(jié)構(gòu)中，使其有共同的位移和變形，在錨索中施加預(yù)應(yīng)力。

風(fēng)化可使外層巖石力學(xué)性能降低，分析模型中將表層假定為彈性模型相對較小的碎石土，內(nèi)側(cè)巖層則直接取基巖的力學(xué)參數(shù)?？尚薷牟牧蠀?shù)探討不同地質(zhì)情況對復(fù)合結(jié)構(gòu)的受力性能的影響。

依據(jù)試點工程的結(jié)構(gòu)尺寸建立實體有限元模型，選取3跨進(jìn)行分析研究，每跨5 m，高度10 m。橫墻厚0.8 m，橫墻之間通過縱梁連接成整體，地基梁斷面尺寸為 1.0 m×1.3 m，下縱梁尺寸為1.0 m ×1.0 m，中縱梁為 0.8 m ×0.8 m，上縱梁為80 cm×100 cm。預(yù)制板采用0.35 m厚槽型板。預(yù)應(yīng)力錨索的錨固點位于上縱梁與橫墻的交界處(圖2)。網(wǎng)格劃分后的模型見圖3。

圖2 3D分析模型Fig.2 3D analysis model

圖3 模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid of model

1.2 分析工況

計算分析中主要考慮以下3種工況:

1)在自重及車輛荷載作用下復(fù)合結(jié)構(gòu)的整體受力性能。

2)在不同地質(zhì)條件下結(jié)構(gòu)的受力性能。

3)在長期運營過程中，不均勻沉降、溫差等對結(jié)構(gòu)性能的影響分析。

2 活荷載作用下的力學(xué)行為

采用最不利加載方式，將公路-I級重車重軸加到橫墻對應(yīng)橋道板上，如圖4。

圖4 最不利汽車荷載作用Fig.4 Most unfavorable vehicale loading

結(jié)構(gòu)在自重及最不利汽車荷載作用下，橋面上的荷載經(jīng)橫墻傳遞給臺階和地基梁，由臺階和地基梁傳遞給內(nèi)側(cè)巖體和樁基及其下巖體。在車輛集中作用的橫墻下方壓應(yīng)力明顯比其它橫墻壓應(yīng)力大，表明車輛荷載主要由其下的橫墻傳遞。橫墻內(nèi)側(cè)巖體受到壓力后，兩橫墻之間的巖體產(chǎn)生向外凸起變形，橫墻內(nèi)側(cè)下方的巖體受到上方荷載作用后，產(chǎn)生外凸變形，使中橫梁、地基梁外側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力。地基梁產(chǎn)生幾乎均勻的向下變形，可見，半橋-邊坡結(jié)構(gòu)整體受力明顯，可經(jīng)橋道板、橫墻、地基梁和樁將上部荷載有效地傳遞給內(nèi)側(cè)巖體和下部基巖，真正達(dá)到了“牽一發(fā)，動全身”的設(shè)計目的(圖5、圖6)。圖5顯示了大部分內(nèi)側(cè)巖體處于受壓狀態(tài)，表明半橋-邊坡結(jié)構(gòu)可限制內(nèi)側(cè)土體的滑移，增強了內(nèi)側(cè)土體的穩(wěn)定性。

圖5 半橋-邊坡結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖Fig.5 Stress contour of half-bridge structure

圖6 巖體的應(yīng)力云圖Fig.6 Stress contour of rock-soil

3 不同地質(zhì)條件下的力學(xué)行為

為考察復(fù)合結(jié)構(gòu)受基底地質(zhì)條件下的影響，分別選取密實老填土、碎石土、強風(fēng)化砂巖及中風(fēng)化砂巖等4種不同地質(zhì)條件進(jìn)行分析。4種地質(zhì)條件的力學(xué)參數(shù)見表1。復(fù)合結(jié)構(gòu)各部分在相同荷載條件下的基底應(yīng)力見表2。

表1 不同地質(zhì)條件參數(shù)Table 1 Geological parameters of different base

表2 不同地質(zhì)條件下基底應(yīng)力Table 2 Base stress with different geological conditions/MPa

可見，隨著基底地質(zhì)條件的提高，橫墻臺階的應(yīng)力逐漸增大，地基梁底和樁底的應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)基底為密實老填土和碎石土?xí)r，復(fù)合結(jié)構(gòu)各部分的應(yīng)力分布均勻性較差，樁底的應(yīng)力最大，即樁成為復(fù)合結(jié)構(gòu)受力的主要結(jié)構(gòu);反之，如果基底地質(zhì)條件較好，則復(fù)合結(jié)構(gòu)各部分受力相對較均勻。

4種地質(zhì)條件下，沿復(fù)合結(jié)構(gòu)高度方向上的豎向位移見圖7。由圖7可見，隨著基底地質(zhì)條件的提高，復(fù)合結(jié)構(gòu)的總變形明顯減小，當(dāng)基底為密實老填土?xí)r，復(fù)合結(jié)構(gòu)的總變形達(dá)到4.17 mm，基底為中風(fēng)化砂巖時，總變形僅為0.02 mm。受基底地質(zhì)條件的影響，下縱梁以下部分的變形呈明顯的非線性，由下縱梁處較大的豎向位移逐漸減少到0。

圖7 4種地質(zhì)條件下邊坡位移情況Fig.7 Side slope's displacement under different bases

因此，在地質(zhì)條件較好時，半橋-邊坡復(fù)合結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)均勻;在地質(zhì)條件較差時，復(fù)合結(jié)構(gòu)的豎向變形較大，應(yīng)加強樁基設(shè)計。

4 局部軟弱地基的影響分析

半橋邊坡結(jié)構(gòu)的施工條件一般較差，在地基梁、臺階的基礎(chǔ)施工時可能出現(xiàn)局部不平整的情況。因此，分析中用弱化荷載作用對應(yīng)位置的橫墻下地基土的彈性模量來實現(xiàn)局部不平整的情況。弱化處理后的巖石變形、應(yīng)力如圖8。

圖8 局部軟弱后基礎(chǔ)位移及應(yīng)力云圖Fig.8 Displacement contour ＆ stress contour after softening the local base

基底弱化處橫墻產(chǎn)生0.1 mm的豎向位移。但在外荷載作用下，相鄰橫墻的變形協(xié)調(diào)一致，共同抵抗，不會出現(xiàn)因局部軟弱地基引起結(jié)構(gòu)破壞。

5 結(jié)論

利用ABAQUS軟件，建立半橋-邊坡復(fù)合道路結(jié)構(gòu)的實體有限元模型，研究得出以下結(jié)論:

1)半橋-邊坡復(fù)合結(jié)構(gòu)可平順地通過橋道板、橫墻、臺階、下縱梁和樁基將上部荷載傳遞給內(nèi)側(cè)和下部巖體;

2)半橋-邊坡復(fù)合結(jié)構(gòu)可對內(nèi)側(cè)巖體起加強作用，在實現(xiàn)道路拓寬的情況下保持并增強了內(nèi)側(cè)邊坡的穩(wěn)定;

3)地質(zhì)條件越好，半橋-邊坡復(fù)合結(jié)構(gòu)中臺階、下縱梁和樁基的傳力越均勻，對樁基的要求越小;

4)因半橋-邊坡復(fù)合結(jié)構(gòu)整體工作性能較好，基底出現(xiàn)局部軟弱時對結(jié)構(gòu)的性能影響較小。

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