交通荷載作用下粉土路基響應(yīng)特性分析

張萬龍

摘 要：交通動荷載作用下粉土路基具有沉降變形過大等特點(diǎn)，成為公路工程難題。依據(jù)工程實(shí)例，采用大型有限差分軟件FLAC3D對某粉土路基進(jìn)行了動力響應(yīng)分析，得到了路基沉降云圖、路表沉降時(shí)程規(guī)律和剪切應(yīng)變增量云圖等。數(shù)值分析表明：動荷載幅值為10kPa、20kPa、30kPa和40kPa時(shí)，路基表面沉降位移分別為0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm，呈非線性增長；路基沉降分為瞬時(shí)沉降和動力固結(jié)沉降，其中動力固結(jié)沉降約占總沉降的一半左右，在公路工程中應(yīng)給予重視。

關(guān)鍵詞：粉土 路基工程 交通荷載 數(shù)值分析

中圖分類號：TU441 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0083-04

The Analysis on Response Characteristics of Silt Subgrade under Traffic Load

Zhang Wanlong

（China Railway seventeen bureau Group Third Engineering Co Ltd Shijiazhuang，Hebei，050000，China）

Abstract：The large settlement deformation of silt subgrade under traffic loading is a important engineering problems. Based on engineering example，the dynamic response of silt subgrade was analyzed.Subgrade settlement cloud、the road surface settlement process rules and shear strain increment cloud was obtained. Numerical analysis shows that： the dynamic load amplitude of 10kPa， 20kPa，30kPa and 40kPa， the subgrade surface subsidence displacement were 0.52cm，1.09cm， 1.71cm and 2.50cm，is non-linear. Subgrade settlement is divided into immediate settlement and power consolidation settlement and dynamic consolidation settlement accounts for about half of the total settlement.

Key Words：Western Liaoning Silt；Subgrade Engineering；Traffic Load；Numerical Analysis

粉土是指高液限粉土，具有天然密度較小、孔隙率較大等特點(diǎn)，因此是一種不良的路基材料。但隨著東北公路事業(yè)的發(fā)展，使得粉土不得不成為公路、高速公路的路基土，因此研究動荷載作用下粉土路基響應(yīng)特性是道路工程研究的重要內(nèi)容之一[1-2]。

在21世紀(jì)以前，車輛只在較低速度下運(yùn)行，行駛過程中產(chǎn)生的動載效應(yīng)對路基影響有限，可以采用靜荷載等效方法進(jìn)行分析，因此動荷載作用下路基響應(yīng)特性研究相對于實(shí)踐較為落后[3]。隨著重型汽車、重載列車和提速列車對路基產(chǎn)生越來越大的影響，深入研究路基在動荷載作用下的響應(yīng)特性成為重要工程問題[4]。文獻(xiàn)[5]對移動荷載作用下粉土鐵路路基進(jìn)行了研究，分析了移動荷載速度對路基的影響，結(jié)果表明：在速度不大時(shí)，路基位移與速度呈正比，但當(dāng)速度達(dá)到一定值時(shí)，路基沉降位移會發(fā)生突變，因此控制列車速度是十分必要的。文獻(xiàn)[6]結(jié)合我國列車提速和高鐵列車行駛中存在的問題，通過數(shù)值分析的方法，研究了高速行車條件下路基動力響應(yīng)包括橫斷面位移、加速度、應(yīng)力隨行車速度的突變或雙峰現(xiàn)象的變化規(guī)律，結(jié)果表明：車輛和軌道之間的作用較為復(fù)雜，有互補(bǔ)影響。文獻(xiàn)[7]首先得到了高速列車振動荷載，然后對路基動力響應(yīng)進(jìn)行了分析，得到路基動力響應(yīng)的橫斷面分布場圖，并與實(shí)際監(jiān)測進(jìn)行對比，結(jié)果大致相符。

重型汽車、重載列車和提速列車成為未來運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的方向，而其引起的動荷載對路基沉降變形和邊坡穩(wěn)定性的影響也成為重要的工程問題。粉土作為一種工程性質(zhì)不良的路基土，不適宜作為高等級公路或鐵路的路基，因此研究動荷載作用下粉土路基響應(yīng)特性成為十分必要的。文中依據(jù)某工程實(shí)例，對動荷載作用下粉土路基響應(yīng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 工程地質(zhì)情況

勘察區(qū)位于某市向斜北西翼，巖層呈單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀136°∠43°。場地未發(fā)現(xiàn)斷層和次生褶曲，受區(qū)域構(gòu)造的影響，主要發(fā)育兩組裂隙，其產(chǎn)狀為：I組315°∠61°，裂面平整，無充填，張開度2～20mm，間距0.4～3.0m，延伸長0.5～4.5m，貫通性差；II組205°∠82°，裂面平直，無充填，張開度5～15mm，間距0.5～2.5m，延伸長0.8～4.0m，貫通性較差。區(qū)內(nèi)裂隙不甚發(fā)育，巖體較完整，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差，屬硬性結(jié)構(gòu)面，勘察區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單。

根據(jù)該市氣象局提供的資料，勘察區(qū)屬溫帶濕潤氣候區(qū)，濕熱、涼寒，四季分明，降雨充沛，日照充足。多年年平均氣溫18.20℃，最高氣溫44.5℃。最低氣溫-4.10℃。降雨多集中在5～10月，區(qū)內(nèi)多年年平均降雨量1172.1mm，最大年降雨量1614mm，最小年降雨量886.6mm。日最大降雨量230.8mm，三日以內(nèi)最大降雨量達(dá)355.3mm，降雨量集中于4月下旬至7月下旬，8月下旬至10月下旬。降雨量大于58mm的時(shí)間段有5月下旬、6月下旬、7月上旬和9月中旬，降雨量最小時(shí)間段為元月上旬，僅3.0～4.5mm。

2 粉土路基響應(yīng)模擬

2.1 數(shù)值模擬過程

FLAC3D擁有多個(gè)計(jì)算模塊，可以進(jìn)行包括靜力分析、滲流分析和動力分析在內(nèi)的多方面數(shù)值模擬。應(yīng)用FLAC3D進(jìn)行動力響應(yīng)分析時(shí)，采用的是完全非線性方法，可以考慮結(jié)構(gòu)非線性、幾何非線性和荷載非線性等，因此是完全意義上的非線性響應(yīng)分析。采用FLAC3D進(jìn)行交通荷載作用下粉土路基響應(yīng)分析時(shí)，可以將命令流按照順序儲存在文本文件中，這樣在分析問題時(shí)，直接采用call命令調(diào)入，即可以分析求解了。FLAC3D的分析流程大致如下：建立有限元分析模型、定義材料模型和參數(shù)以及設(shè)定邊界條件和初始條件。

2.2 模型建立及參數(shù)選取

本次數(shù)值計(jì)算采用某高速公路某段作為工程依托，數(shù)值計(jì)算采用三維有限元模型，公路原地基高度取15m，路堤高度為2m，模型橫向?qū)挾热?0m，縱向長度取20m；數(shù)值模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為11991個(gè)，總單元個(gè)數(shù)為10400個(gè)；粉土路基有限差分網(wǎng)格如圖1所示。本次數(shù)值分析采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。

2.3 邊界條件

在進(jìn)行動荷載作用下路基液化動力特性響應(yīng)分析時(shí)，模型邊界條件的選擇對數(shù)值分析有較大影響，這是因?yàn)閯雍奢d的本質(zhì)是一種波，波在傳播的過程中遇到邊界面會發(fā)生反射，這會嚴(yán)重影響動力響應(yīng)分析結(jié)果的可靠性。本文在路基兩側(cè)采用變換邊界的方法，即采用可以吸收邊界界面反射波的自由場邊界；路基底部約束法向位移，上部為自由面。

3 結(jié)果分析

3.1 位移時(shí)程分析

不同車輛動荷載幅值作用下，某粉土路基不同深度沉降位移隨時(shí)間變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可以看出：在車輛荷載作用的瞬時(shí)階段，路基會產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的瞬時(shí)變形，這屬于彈性變形范疇，可以由經(jīng)典彈性力學(xué)進(jìn)行計(jì)算；其次，路基沉降變形會隨著動荷載作用而持續(xù)增長，在荷載作用前期增長速率較大，后期增長速率逐漸減小，路基沉降變形逐漸趨于穩(wěn)定；動荷載作用下，路基沉降變形成上下波動狀態(tài)，如果波動振幅較大，將會影響行車的舒適性。動荷載幅值為10kPa、20kPa、30kPa和40kPa時(shí)，路基表面最終沉降位移分別為0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm，呈非線性增長；可以看出：路基瞬時(shí)變形約占總變形的50%左右，長期變形也約占一半左右，因此瞬時(shí)變形和長期變形在工程上都應(yīng)受到重視。

3.2 位移云圖分析

不同車輛動荷載幅值作用下，某粉土路基沉降位移云圖如圖3所示。由圖3（a）可以看出：在車輛動荷載作用下，路基表面沉降變形最大，隨著深度的增加，路基沉降變形逐漸減?。粓D3（a）顯示：在路基表面中心處沉降變形最大，向路肩方向路基沉降變形逐漸減小。聯(lián)合圖3（a）（b）（c）和（d）可以看出：隨著動荷載幅值的增加，路基沉降變形逐漸增大，并可能發(fā)生屈服破壞。

3.3 剪切應(yīng)變增量分析

不同車輛動荷載幅值作用下，某粉土路基剪切應(yīng)變增量云圖如圖4所示。由圖4（a）可以看出：在車輛動荷載作用下，路基表面中心處剪切應(yīng)變增量最大，但并不是最可能發(fā)生破壞的位置；路基路肩處剪切應(yīng)變增量也較大，并且由于處于不利的受力狀態(tài)，因此最容易發(fā)生剪切滑坡破壞，由圖（a）可以看出：在路基路肩處形成一定的滑動帶，但不是很明顯；聯(lián)合圖3（a）（b）（c）和（d）可以看出：隨著動荷載幅值的增加，路基路肩處剪切滑動帶越來越明顯，路基逐漸發(fā)生剪切破壞。

3.4 豎向位移分析

不同車輛動荷載幅值作用下，某粉土路基豎向沉降位移云圖如圖5所示。由圖5（a）可以看出：在車輛動荷載作用下，路基表面沉降變形最大，并形成一個(gè)類橢圓的等值沉降面，隨著沉降面的加深，路基沉降變形越來越??；圖5（a）顯示：在路基表面中心處沉降變形最大，向路肩方向路基沉降變形逐漸減小。聯(lián)合圖5（a）（b）（c）和（d）可以看出：動荷載幅值的增加，顯著改變了路基沉降位移的分布情況，并且路肩也可能發(fā)生剪切滑移破壞，因此在路基設(shè)計(jì)和施工的過程中，應(yīng)特別加以注意。

3.5 路基中心豎向位移分析

不同車輛動荷載幅值作用下，某粉土路基中心處不同深度沉降位移變化規(guī)律如圖6所示。由圖6可以看出：隨著車輛動荷載幅值不斷增大，粉土路基表面的沉降位移也不斷增大；動荷載幅值為10kPa、20kPa、30kPa和40kPa時(shí)，路基表面沉降位移分別為0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm，可以看出路基表面沉降與動荷載幅值并非線性關(guān)系而是非線性關(guān)系；由圖6還可以看出，隨著路基深度增加，相應(yīng)的沉降位移不斷減小，在深度為10m處發(fā)生轉(zhuǎn)折，說明動荷載對路基的影響一般在10m左右。

4 結(jié)論

文章基于有限差分軟件FLAC3D對動荷載作用下粉土路基響應(yīng)特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到了主要結(jié)論如下。

（1）通過有限差分軟件FLAC3D對路基動力響應(yīng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明通過數(shù)值分析的方法可以有效地分析動荷載作用下粉土路基的響應(yīng)特性。

（2）粉土路基沉降時(shí)程規(guī)律表明：動荷載作用下，路基會產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)沉降，約占總沉降50%左右，隨后路基沉降隨時(shí)間持續(xù)增長，并達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。

（3）路基中心沉降規(guī)律表明：動荷載幅值為10kPa、20kPa、30kPa和40kPa時(shí)，路基表面沉降位移分別為0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm，呈非線性增長。

（4）路基剪切應(yīng)變增量規(guī)律表明：隨著動荷載的不斷增加，剪切帶越來越明顯，動荷載幅值為30kPa時(shí)是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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