圍墾區(qū)內(nèi)濕度場變化對道路橫向應(yīng)力的影響

張 博 謝 路 申啟華

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350; 2.蘇州市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 蘇州 215000; 3.東南大學(xué)ITS中心，江蘇 南京 210096)

0 引言

為了解決沿海地區(qū)用地緊缺這一問題，沿海地區(qū)均在廣泛地進(jìn)行圍墾造地。各研究者對膨脹土，路基濕度場變化對路基強(qiáng)度等做了相應(yīng)的研究。謝路[1]通過研究圍墾區(qū)濕度場變化對路基土的力學(xué)性能的影響，得到路基的橫向位移在濕度場的作用下有較大的變化且豎向位移不能很好的表明濕度場變化對路基的影響。唐朝生等[2]在室內(nèi)對飽和的膨脹土進(jìn)行了控制溫度的干燥試驗，得出了膨脹土的體積收縮特性與開裂之間的關(guān)系。K.L.KWONG等[3]分析了路基在強(qiáng)降雨條件下濕度場的變化，并進(jìn)而得到了在此條件下路基的強(qiáng)度特性以及路基的整體性能均有所下降，道路的使用品質(zhì)也有明顯的降低。由于濕度應(yīng)力場與溫度應(yīng)力場的相似性，在有限元軟件中用溫度場替代濕度場，尚云東等[4]對濕軟路基進(jìn)行了研究，得出土路基在水作用后的變形以及應(yīng)力的分布特點。繆協(xié)興[5]通過分析溫度應(yīng)力場與濕度應(yīng)力場的相似性，從而將濕度應(yīng)力場轉(zhuǎn)化為溫度應(yīng)力場進(jìn)行研究。雖然前人已做了眾多的研究，但是對圍墾區(qū)土體濕度變化對路基的影響的研究還很少，對沉積軟土在失水收縮作用下的濕度應(yīng)力場分析的研究也還不夠。本文結(jié)合工程實例，針對沿海圍墾區(qū)內(nèi)道路路面出現(xiàn)濕線裂紋狀況，考慮土基濕度場梯度變化特點，研究濕度場隨時間變化的路基土內(nèi)部出現(xiàn)的縮裂情況，分析其對路面應(yīng)力的影響，以期對圍墾區(qū)高濕度軟土路基設(shè)計、施工及后期維養(yǎng)提供理論依據(jù)與施工指導(dǎo)。

1 溫度場與濕度場的轉(zhuǎn)化

由于濕度應(yīng)力場與溫度應(yīng)力場具有相似性[5]。單位土體所儲存的熱量和所增加的熱量相等，而土壤中水分的運動具有同樣的規(guī)律，即：單位體積內(nèi)水分流入量與單位體積內(nèi)水分儲存變化量相等。由于上述特性，物體在溫度場作用下產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)偏微分方程與物體在滲流作用下產(chǎn)生的土壤水分運動的偏微分方程形式相似。故可以對濕度應(yīng)力和溫度應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化。

由熱量平衡方程以及熱傳導(dǎo)方程可以推得熱傳導(dǎo)的微分方程為：

(1)

其中，CV為材料的比熱容；T為熱力學(xué)溫度；λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)。

在對溫度應(yīng)力和濕度應(yīng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)化時，可以用土體的比水容代替物體的比熱容，同時將滲透系數(shù)k代替熱傳導(dǎo)系數(shù)λ即可。

2 工程狀況簡介

本文以東南沿海某圍墾區(qū)軟土路基為對象。圍墾區(qū)上部有一層素填土、黏土，大約1.0 m～2.4 m厚，其下為20 m～35 m的淤泥質(zhì)軟土，再往下即為厚度為50 m左右的粉質(zhì)黏土層。由于軟土具有含水量高的特性，且土基在近海一側(cè)有滲流水分補(bǔ)充，遠(yuǎn)海一側(cè)為硬土山地地質(zhì)，少有水分補(bǔ)充，自然條件下，由于圍墾區(qū)內(nèi)不斷發(fā)生的蒸發(fā)和滲流作用，土體內(nèi)部濕度場由近海到山地存在較大差異，圍墾區(qū)內(nèi)土基存在不均勻收縮，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)道路發(fā)生同圍墾邊界相近的裂縫。此外，為了方便計算模擬，將最上層厚度較小的素填土和黏土忽略，不予考慮。

3 有限元模擬分析

3.1 有限元分析模型及相關(guān)參數(shù)

地基土和路基土均采用摩爾庫侖彈塑性模型。道路面層、基層、底基層均采用線彈性模型。具體參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 土基的橫向位移分析

有限元分析得到了有無濕度場變化的道路土基的橫向位移云紋圖，如圖2所示。

由圖2a)可知，在未施加濕度應(yīng)力場時，土路基的中層和上層部分由于受到上部路堤的重力而向路堤兩側(cè)移動，在路堤兩側(cè)距地面約為5 m的土基中的x向位移最大，約為17.88 mm。由圖2b)可知，在經(jīng)過5年的變濕度場作用后，土基的位移狀態(tài)發(fā)生了改變，由原來的對稱狀態(tài)變?yōu)檠芈返梯S線左側(cè)位移減小，沿路堤軸線右側(cè)位移量增大，且最大位移的位置不變，數(shù)值變?yōu)?5.23 mm。

在路基與土基之間的銜接處位移是連續(xù)的，隨著濕度的變化，路基底部位移也有不均勻位移，其各點的橫向位移如圖3所示。

由圖3可知，由于在土基內(nèi)的濕度分布不均勻，由失水作用產(chǎn)生的收縮變形也不相同。且在路基底部的最右側(cè)產(chǎn)生的橫向位移最大，約為0.035 m，在路基底部最左側(cè)產(chǎn)生的橫向位移最小，約為0.015 m，且自左向右橫向位移先增大后減小，在過了路基中部后繼續(xù)增大，方向同向。又由于土基兩側(cè)的約束作用，這種不均勻的位移可能會導(dǎo)致在土基中產(chǎn)生裂縫。

3.2.2 路基橫向應(yīng)力分析

由于土基表面的不均勻變形，在路基底部會產(chǎn)生附加應(yīng)力。根據(jù)在變濕度應(yīng)力場下確定的土基結(jié)構(gòu)表面的橫向位移曲線并以此為邊界條件編制子程序，在ABAQUS有限元軟件中可以計算出路面的橫向附加應(yīng)力。圖4為路基路面結(jié)構(gòu)的橫斷面二維有限元模型。

將計算得到的土基變形施加到路基底層，作為路基受下部土基作用，進(jìn)而分析路基路面結(jié)構(gòu)各層的應(yīng)力變形，得到了路基路面結(jié)構(gòu)有無濕度變化的應(yīng)力場，如圖5所示。

從圖5a)中可以看出，在無濕度應(yīng)力場時，路基的橫向應(yīng)力沿著路基中心線軸對稱分布。橫向應(yīng)力在路基內(nèi)部為水平方向上的拉應(yīng)力，并且在路基底部中心位置取得最大值，最大值為19 kPa;路面底基層中點有最大拉應(yīng)力，拉應(yīng)力為181.1 kPa。從圖5b)可以看出，在有濕度場時，道路路基的橫向附加應(yīng)力在路基兩側(cè)的局部區(qū)域有明顯的提高。并且最大附加拉應(yīng)力為57 kPa,最大附加壓應(yīng)力為59 kPa。

由圖6可以看出對于無濕度應(yīng)力場條件下，在路基各層底的位移圖像相似且沿道路中心線對稱分布，均為先增加到最大值，然后保持不變，最后有所減小。但是其在路基底部坡腳位置的應(yīng)力以及過渡到的最大應(yīng)力是不同的。圖6a)中所表示的路基底部各點的最大應(yīng)力約為20 kPa，圖6b)中所表示的路面底基層層底的最大應(yīng)力約為200 kPa，圖6c)中所表示的路面基層層底的最大應(yīng)力約為100 kPa。

由圖6中可以看出在有濕度應(yīng)力場的作用下，層底應(yīng)力在路基各層層底表現(xiàn)為不均勻，且應(yīng)力曲線為“雙駝峰”狀，且左側(cè)峰值明顯大于右側(cè)峰值。在圖6a)所示的路基底部各點的應(yīng)力圖中，可以看出：在路基左側(cè)邊緣拉應(yīng)力值由20 kPa急速增加到65 kPa左右，在維持一段距離后又急速地降低，變?yōu)閴簯?yīng)力，壓應(yīng)力的最大值于道路中心取得約為4.6 kPa，后在距離道路中心5 m左右急速增加，由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，此時的峰值約為45 kPa。圖6b)和圖6c)的應(yīng)力曲線相似，并且其初始應(yīng)力也相同，唯一有區(qū)別的是路面底基層層底的拉應(yīng)力以及壓應(yīng)力的峰值大于路面基層層底的峰值。

道路路基土的抗拉強(qiáng)度在壓實度一定時，當(dāng)路基土的含水率越大，抗拉強(qiáng)度越小[6]。根據(jù)上面得到的數(shù)據(jù)以及公路設(shè)計規(guī)范所確定的各材料結(jié)構(gòu)層的容許拉應(yīng)力可知：由于濕度應(yīng)力場的存在，道路路基基底的最大拉應(yīng)力接近土體的抗拉強(qiáng)度，一旦土基的濕度場增加，土基失穩(wěn)，危及交通安全。另外，根據(jù)圖6中所呈現(xiàn)的“雙駝峰曲線”可知：道路路面基層以及底基層層底將可能產(chǎn)生疲勞開裂。

4 結(jié)語

本文根據(jù)濕度應(yīng)力場與溫度應(yīng)力場的相似性，通過ABAQUS有限元的熱分析功能，先計算土基的橫向位移，再利用路基與土基之間的位移連續(xù)，將其作為邊界條件從而計算出路基各層的層底橫向拉應(yīng)力，得出了如下結(jié)論：

1)在5年的干濕循環(huán)后，土基內(nèi)部以及路基底部產(chǎn)生了不均勻的橫向位移。且不均勻位移的變化規(guī)律為：先增加，后慢慢減少，最終又漸漸增加。

2)當(dāng)?shù)缆吩跐穸葢?yīng)力場的作用下，路基中產(chǎn)生較大的橫向附加應(yīng)力。在路基各結(jié)構(gòu)層中的附加應(yīng)力曲線為“雙駝峰形式”且左側(cè)高濕度區(qū)的拉應(yīng)力極值點高于右側(cè)低濕度區(qū)，并在各結(jié)構(gòu)層的橫向附加拉應(yīng)力最大處有疲勞開裂的可能。