交通荷載作用低路堤路基沉降特性研究

李增光

(1.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山東 濟(jì)南 250102；2.山東省道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，山東 濟(jì)南 250102)

交通荷載作用低路堤路基沉降特性研究

李增光1，2

(1.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山東 濟(jì)南 250102；2.山東省道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，山東 濟(jì)南 250102)

依托我國某高速公路低路堤工程背景，借助有限元分析軟件ABAQUS建立有限元模型，首先結(jié)合路基不同深度動位移和動應(yīng)力計算數(shù)據(jù)，分析了交通荷載作用下路基的響應(yīng)特征及影響范圍；然后，結(jié)合不同路基填土高度與路基動力響應(yīng)相關(guān)性進(jìn)行分析，依此為基礎(chǔ)計算不同填土高度下路基累積沉降特性。研究結(jié)果表明：低路堤易受交通荷載影響，豎向影響深度達(dá)3.0 m左右；填土高度降低，會迅速增加路基累積沉降；結(jié)合實際工況，計算路基填土高度1.5 m時地基累積20年最大沉降達(dá)375 mm。同時，對保障低路堤長期動載作用下穩(wěn)定的技術(shù)措施進(jìn)行了探討，能夠為類似工程實踐提供參考依據(jù)。

高速公路；低路堤；交通荷載；沉降

1 高速公路低路堤路基工程概況

某高速公路DK1+152～DK1+208區(qū)間采用低路堤設(shè)計，路基最低填土高度1.3 m，最高填土高度2.4 m，平均填土高度1.35 m。路面為采用瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，雙向四車道，中間為綠化帶。

DK1+152～DK1+208區(qū)間位于平原地區(qū)，場地相對平整，周邊為農(nóng)田。區(qū)間地層雜填土以下主要為粉質(zhì)黏土。地基土從上至下依次為：(1)雜填土：厚度0.30～0.80 m，平均厚0.55 m。松散、力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。(2)粉質(zhì)黏土：厚度15～18 m，平均厚11.5 m。土呈棕褐色，可塑，局部含鐵錳質(zhì)結(jié)核。(3)黏土：厚度>15 m。黃褐色，硬塑～堅硬，含鐵錳質(zhì)結(jié)核。借助現(xiàn)場原位測試和室內(nèi)土工試驗，整理土層主要物理力學(xué)指標(biāo)詳見表1所示。

表1 土層主要物理力學(xué)參數(shù)

2 低路堤路基動力特性數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型建立

計算選取DK1+158斷面，該斷面路基填土高度為0.92 m。我國梅英寶等在不考慮路基結(jié)構(gòu)情況下認(rèn)為交通荷載對地基的有效影響深度>5 m，為盡可能降低路基模型尺寸對計算精度的影響，選取地基深度25 m。由于交通荷載主要影響路基的豎向區(qū)域，而對于橫向影響較小，為節(jié)約計算資源，提高計算效率和精度，路堤與地基接觸面兩側(cè)模型尺寸各取10 m。模型縱向取20 m。其他區(qū)域尺寸參考圖1所示。模型網(wǎng)格采用structure劃分技術(shù)劃分，單元類型為C3D8R(六面體八節(jié)點實體縮減積分單元)。地基土采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型模擬，其它采用等效線彈性本構(gòu)模型模擬。數(shù)值模型中，地基四周限制法向位移，底端采用固定約束。

2.2 計算結(jié)果及分析

交通荷載對路基的影響受路基結(jié)構(gòu)層剛度和阻尼不同而呈現(xiàn)差異，通常在剛度較大部位動力響應(yīng)相對集中。同時，交通合作對路基影響沿深度發(fā)展逐漸衰減，距離地標(biāo)越近路基結(jié)構(gòu)，與交通荷載振源接觸更近，振動響應(yīng)的幅值也越大。由交通荷載作用低路堤路基計算結(jié)果云圖可知：交通荷載影響路基主要沿豎向區(qū)域發(fā)展；距離路基面越近動力響應(yīng)越明顯，響應(yīng)的值越大。

考慮交通合作作用路基動力特性的復(fù)雜性，可借助圖1進(jìn)一步分析。

圖1 交通荷載作用路基計算結(jié)果云圖

圖2 動位移及動應(yīng)力變化曲線

由3(1)可知：路表面的位移值最大，隨著路面深度的增加而減小。由3(2)可知：動應(yīng)力沿深度逐漸衰減，約在深度3.0 m處車輛荷載引起的動應(yīng)力值已經(jīng)較小，側(cè)面驗證高速公路低路堤交通荷載影響范圍約3.0 m。

3 交通荷載作用低路堤路基沉降特性

路堤填土高度是高速公路面臨的一個主要課題之一。結(jié)合上述數(shù)值模型，僅改變路堤填土高度(1 m、1.5 m、2 m和2.5 m)，分別計算循環(huán)交通荷載作用5年后路基的沉降，計算結(jié)果詳圖3所示。

圖3 不同填土高度路堤路基沉降柱狀圖

由圖3可知：路堤填土高度對路基沉降影響較大；路堤填土高度為1 m、1.5 m、2 m和2.5 m時，路基累計20年最大沉降依次為880 mm、375 mm、145 mm和140 mm；隨填土高度降低，路基累計沉降降低幅值依次為425 mm、655 mm和650 mm。由計算結(jié)果側(cè)面驗證，填土高度降低會增加路基沉降；僅從本項目而言，填土高度1.5 m降至1 m時，沉降增加值達(dá)425 mm，約為1.5 m填高路基沉降的1.13倍，增幅高達(dá)100%以上。

綜上可知：交通荷載對低路堤路基動力響應(yīng)更加劇烈，且考慮南方降雨較多實際情況，低路堤干濕循環(huán)會加劇交通荷載影響的程度。因此，為保障低路堤路基長期穩(wěn)定性，建議從以下角度進(jìn)行改進(jìn)：(1)路基填料進(jìn)行改良，確保路基填料能夠滿足交通荷載作用下的強度滿足要求；(2)因地制宜，適當(dāng)對軟土地基進(jìn)行處理，以提高地基承載力，降低路基累積沉降；(3)完善排水系統(tǒng)，降低降雨環(huán)境對路基影響。

4 結(jié) 論

(1)交通荷載作用下，動位移及動應(yīng)力沿路基深度逐漸衰減；沿路基深度3.0 m處，車輛交通荷載引起的動應(yīng)力值已較小，基本可以忽略不計，側(cè)面驗證高速公路低路堤交通荷載影響范圍約3.0 m。

(2)填土高度與交通荷載作用路基動力響應(yīng)程度密切相關(guān)；填土高度為1 m、1.5 m、2 m和2.5 m時，路基累計20年沉降依次為880 mm、375 mm、145 mm和140 mm。填土高度1.5 m降至1 m時，沉降增加425 mm，約為填高1.5 m路基沉降1.13倍。

交通荷載作用，路基動力響應(yīng)及累積沉降特性較為復(fù)雜，文中雖結(jié)合數(shù)值模型進(jìn)行研究，并獲取一切有意義結(jié)論，但考慮問題的難度和復(fù)雜性，后期仍需借助更多方法綜合進(jìn)行分析。

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TU457

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2017-08-09