車輛荷載作用下城市低填路基結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

楊 玲，張 帆，楊賓川

(1.鄭州市市政工程管理處， 河南 鄭州 450000； 2.鄭州市市政設(shè)施維修建設(shè)有限公司， 河南 鄭州 450000；3.河南信息統(tǒng)計職業(yè)學(xué)院， 河南 鄭州 450008； 4.空軍第六空防工程處， 湖南 衡陽 421001)

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的深入推進，城市道路的鋪筑里程成倍延伸。城市道路多采用低填路基或零填路基方案，這樣不僅能滿足城區(qū)整體標高的要求，而且降低了路基結(jié)構(gòu)荷載，有利于路基穩(wěn)定和沉降控制。近年來，城際公路建設(shè)為節(jié)約土地資源和取得較好的社會經(jīng)濟效益也逐漸推廣應(yīng)用這種低填路基方案[1]。然而，路基填筑高度的降低意味著對上部車輛荷載的擴散效應(yīng)降低，不可避免會導(dǎo)致部分下臥地基土受車輛荷載的作用增大；尤其對于軟土層，在這種車輛附加荷載下極易產(chǎn)生較大的工后沉降[2-3]，進而引起路面結(jié)構(gòu)的開裂、差異變形等病害。工程實踐中多采用在低填路基下設(shè)置剛度較大的結(jié)構(gòu)層或固化層的方法，形成“硬殼效應(yīng)”，以降低車輛荷載對下臥土層的影響[4-5]。可見，車輛荷載在路基結(jié)構(gòu)中的擴散效應(yīng)及其引起的地基土附加沉降效應(yīng)是影響低填路基耐久性和安全運營的關(guān)鍵問題。

目前，針對低填路基的研究較多集中于交通荷載下下臥地基土的動力響應(yīng)和附加沉降預(yù)估方面[6-9]，較少關(guān)注低填路基結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及其對車輛荷載的影響。鑒于此，本文以某沿江城市道路為例，基于彈性層狀體系計算理論[10]和數(shù)值仿真分析，分別開展了車輛荷載作用下低填路基結(jié)構(gòu)的靜力和動力響應(yīng)分析，從而為城市道路低填路基結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程沉降計算提供支撐和依據(jù)。

1 低填路基結(jié)構(gòu)靜力分析

某沿江城市I級主干道，設(shè)計車速60 km/h，路幅寬60 m。線路區(qū)屬長江高河漫灘，地形開闊平坦，工程勘察揭示該區(qū)域主要地層自上而下分布粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂，局部呈現(xiàn)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與粉砂的交互分布。其中，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土整體層厚0.8 m～3.2 m，但其埋藏較淺，場地整平后部分路段近乎出露地表。鑒于此，設(shè)計采用60 cm山坯石作路床基底換填處治，處治后路堤結(jié)構(gòu)層設(shè)計如圖1所示?？梢?，該路堤結(jié)構(gòu)層相對較薄，而基底原狀土基處于過濕狀態(tài)，在車輛荷載作用下，易產(chǎn)生過量的殘余變形，并逐步反應(yīng)到路面，從而影響路堤結(jié)構(gòu)層的使用壽命和功能。

圖1計算斷面示意圖

據(jù)此，針對該工程的低填路基結(jié)構(gòu)， 基于彈性層狀體系計算理論[10]， 采用BISAR3.0計算程序?qū)υ撀坊Y(jié)構(gòu)層的受力性能進行分析。 考慮車輛荷載作用下基底濕軟土基的附加變形主要是由于豎向應(yīng)力作用所產(chǎn)生的， 因此主要對路床和土基中的豎向應(yīng)力進行分析。計算中， 將路面結(jié)構(gòu)層視為線彈性體， 車輛荷載采用規(guī)范中規(guī)定的標準軸載——雙圓均布垂直荷載， 胎壓0.707 MPa， 荷載圓半徑為10.65 cm。 計算圖式如圖1所示， 路堤結(jié)構(gòu)層參數(shù)如表1所示。

表1 各結(jié)構(gòu)層計算參數(shù)

圖2為雙輪中心(A點)下和單輪中心(B點)下不同深度豎向應(yīng)力計算結(jié)果。由圖2可知，在標準軸載作用下，雙輪中心(A點)下豎向應(yīng)力在10 cm～15 cm的深度處達到最大值(188.0 kPa)，但車輛荷載通過路面層的擴散和整體板體效應(yīng)，到達路床頂處的豎向應(yīng)力(17.2 kPa)明顯降低，且隨著深度的增加豎向應(yīng)力呈非線性降低趨勢變化，當距離路床頂1.4 m時，豎向應(yīng)力僅有路床頂應(yīng)力的5%；而單輪中心(B點)下各層豎向應(yīng)力呈逐漸遞減分布，即在路面表面達到最大值0.7 MPa(標準胎壓)，隨后隨著深度的增加豎向應(yīng)力大幅降低，且在距離路床頂1.5 m處，豎向應(yīng)力為路床頂應(yīng)力的5%。說明標準軸載作用下路基土中豎向應(yīng)力的影響范圍約為路床頂面以下1.4 m～1.5 m。

圖2豎向應(yīng)力的豎向分布

考慮車輛荷載作用下豎向應(yīng)力橫向分布特征， 計算分析路床頂和路床底豎向應(yīng)力隨距離輪組中心(A點)水平距離的變化規(guī)律， 如圖3所示。 由圖3可見， 灰土路床對車輛荷載豎向應(yīng)力具有良好的削減作用， 路床底面豎向應(yīng)力在水平分布上趨于均勻。

圖3豎向應(yīng)力的橫向分布

考慮基底地基土換填處治的影響，計算不同換填模量和換填厚度情況下路基頂面(路床頂面)處的豎向位移如圖4和圖5所示。由圖4、圖5可見，路床頂面的豎向位移隨基底換填模量和換填厚度的增加皆呈非線性降低的變化趨勢，基底換填材料模量越高、換填厚度越大，其路床頂性能越好，從而有利于提高上部路面結(jié)構(gòu)的使用性能。計算工程中，采用60 cm基底山坯石換填處治的方法，能夠較好的滿足路床頂面彎沉控制120的技術(shù)要求的。

圖4 模量的影響

圖5厚度的影響

2 低填路基結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

車輛荷載實際上是一個時間、空間函數(shù)[11-13]，是一個移動荷載。為了反映車輛荷載的這一作用特征，基于移動荷載分析法[14]采用有限元對車輛荷載作用下低填路基的動力響應(yīng)進行數(shù)值仿真分析。

2.1 模型建立

如圖6所示，利用ABAQUS有限元軟件建立三維計算模型，參考前述靜力荷載作用下車輛荷載的影響范圍，取車輛行駛方向(Z方向)長15 m，橫向(X方向)寬15 m，深度15 m。網(wǎng)格劃分中，為提高計算效率，車輪作用范圍采用較密網(wǎng)格，且對于勻速行駛的車輪，不考慮橫向和縱向接觸應(yīng)力，只考慮豎向壓應(yīng)力，并將實際輪載轉(zhuǎn)化為單元面的移動荷載來考慮，移動荷載加載采用階躍荷載模型[14]模擬；軸距采用標準車軸距1.8 m。鑒于瀝青層、基層和底基層力學(xué)性能相對接近，且層間粘結(jié)強度較高，為簡化計算將其綜合考慮為統(tǒng)一的路面結(jié)構(gòu)層，且不考慮路堤結(jié)構(gòu)層、地基土層各層間滑動接觸情況，即完全連續(xù)。各層計算參數(shù)如表2所示。

圖6 有限元計算模型

2.2 計算結(jié)果分析

基于依托工程設(shè)計時速60 km/h、標準軸載100 kN的基本工況，開展車輛荷載下路堤結(jié)構(gòu)層的動力響應(yīng)分析。圖7為模型中心剖面處車軸中心對應(yīng)路床頂和基底頂(即路床底)的應(yīng)力、位移時程曲線。由圖7可以看出，車輛荷載引起的豎向應(yīng)力隨深度的增加呈急劇衰減的變化趨勢，從路床頂?shù)交醉斬Q向應(yīng)力降低約85%，且基底頂應(yīng)力僅約2 kPa～4 kPa，但其豎向位移卻為路床頂豎向位移的90.8%，說明在路床頂?shù)呢Q向位移中有90%以上是由下部地基土產(chǎn)生的；且從位移的時程曲線也可以看出，在車輛駛出計算區(qū)域時，豎向變形的回彈量不足50%，考慮到實際道路上車流量較多的情況，可預(yù)見各結(jié)構(gòu)層豎向變形會在前一輛車通過后，疊加上后一輛車通過產(chǎn)生的新的位移，較深處軟土區(qū)域疊加效應(yīng)則更為明顯。

圖7車軸中心下動力響應(yīng)時程曲線

考慮車輛超載對結(jié)構(gòu)層動力響應(yīng)的影響，分別計算了車軸中心下路床頂在標準軸載、超載20%、超載40%、超載80%時的動態(tài)應(yīng)力和變形，如圖8所示。由圖8可以看出，路床頂豎向應(yīng)力和變形皆隨車載的增大而增大，當超載80%時，路床頂最大豎向應(yīng)力和位移分別增加了77.7%和77.1%；但其都表現(xiàn)出一定的滯后現(xiàn)象，即路床頂最大應(yīng)力出現(xiàn)在車輛經(jīng)過0.02 s時，而豎向位移則出現(xiàn)在車輛經(jīng)過0.45 m后達到最大值。

進一步考慮車速對結(jié)構(gòu)層動力響應(yīng)的影響，計算車速分別為40 km/h、60 km/h、80 km/h時額定荷載下，路床頂處的豎向應(yīng)力和位移的動態(tài)響應(yīng)，如圖9所示。由圖9可以看出，在車輛荷載一定、路面平穩(wěn)狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)層豎向應(yīng)力隨著車速的增加而增加，豎向位移則隨著車速的增加而降低。當車速由40 km/h增加到80 km/h時，路床頂豎向應(yīng)力增加了42.9%，而豎向位移降低了21.5%，且應(yīng)力對車速的滯后效應(yīng)明顯小于位移。計算結(jié)果與美國各州道路工作協(xié)會(AASHO)關(guān)于不同車速下路面結(jié)構(gòu)層的動力響應(yīng)試驗測試結(jié)果的變化規(guī)律一致[15]。

圖8 車輛超載的影響

圖9車輛車速的影響

3 結(jié) 論

(1) 城市低填路堤結(jié)構(gòu)的靜力和動力分析表明，車輛荷載引起的附加應(yīng)力隨深度呈非線性變化，路堤上部結(jié)構(gòu)層對車輛荷載作用具有顯著的擴散和削減作用。

(2) 基底換填剛度的提高有利于改善上部路面的使用性能，軟基處治可采用模量較高的材料進行換填或通過增加換填厚度的方法改善基底性能。

(3) 車速、車載對路堤結(jié)構(gòu)層以及地基動力響應(yīng)皆有影響，宜嚴控車速和超載，以減小兩者引起路基較大附加應(yīng)力導(dǎo)致的工后沉降增加。

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