交通荷載下紅砂巖質(zhì)土路基沉降分析

孫柯佳

（浙江交工金筑交通建設(shè)有限公司，浙江杭州 310051）

0 引言

紅砂巖在外界環(huán)境作用下容易崩解，用紅砂巖填筑路基對(duì)地基結(jié)構(gòu)形式、地基排水與承載力提出了新的要求。紅砂巖路基的自穩(wěn)定能力很差，造成紅砂巖地區(qū)路基在施工期和施工后容易出現(xiàn)沉陷等病害，未經(jīng)處治的紅砂巖不能直接用作路基填料。曲永新等[1]做了大量關(guān)于軟巖崩解試驗(yàn)，根據(jù)巖體的崩解特性總結(jié)了軟巖崩解后的不同類型，并描述了各個(gè)崩解類型在崩解過(guò)程中的現(xiàn)象。劉多文等[2]對(duì)紅砂巖崩解得到的紅砂土進(jìn)行路用性質(zhì)的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其壓實(shí)后具有良好的路用性質(zhì)。胡新民等[3-4]通過(guò)對(duì)工程沿線紅砂巖進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，分析影響紅砂巖路面性能的主要因素以及紅砂巖用作路基填料的可行性，并提出了合理的施工控制措施。李健等[5]從微觀物理力學(xué)特征、紅砂巖崩解物的工程性能以及崩解前后紅砂巖工程性能變化等方面對(duì)紅砂巖作為路基填料的工程性質(zhì)進(jìn)行了研究，提出了簡(jiǎn)要的紅砂巖路堤施工措施和方法。朱華劍[6]通過(guò)室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)紅層軟巖在壓實(shí)度達(dá)到93%～96%時(shí)巖塊破碎最為劇烈，紅層軟巖填料的最大干密度受級(jí)配的影響較低，填料主要受壓實(shí)度、含水量的影響，含水量影響抗剪強(qiáng)度，含水量越高抗剪強(qiáng)度損失越大，而填料的壓縮性和流變特性均受到壓實(shí)度的影響，細(xì)粒、粉粒含量一定程度上影響著填料的濕化變形。姚華彥等[7]以紅砂巖為研究對(duì)象，進(jìn)行了干燥-飽水干濕交替作用后的常規(guī)單軸和三軸壓縮試驗(yàn)，通過(guò)砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析了其變形破壞特征；與沒(méi)有經(jīng)過(guò)干濕交替作用的素樣相比，若干次的干濕循環(huán)交替過(guò)程使砂巖的單軸和三軸抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角和變形模量等都有不同層次的降低。

本文結(jié)合G60滬昆高速公路金華互通至浙贛界段TJ04標(biāo)路基工程，對(duì)紅砂巖質(zhì)土路基進(jìn)行ABAQUS有限元數(shù)值模擬，估計(jì)了路基沉降，可為同類項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

G60滬昆高速公路金華互通至浙贛界段TJ04標(biāo)段起點(diǎn)樁號(hào)K356+140，終點(diǎn)樁號(hào)K409+000，長(zhǎng)約52.86km。其中，路基挖方約170.5萬(wàn)m3。本項(xiàng)目主線拼寬路基為特重交通，路床厚度按1.2m控制，利用挖方路段宕渣填筑路基，路基填料以紅砂巖為主，施工工藝流程見(jiàn)圖1。利用灑水車(chē)對(duì)紅砂巖均勻?yàn)⑺?，待紅砂巖充分潤(rùn)濕48h后，利用機(jī)械設(shè)備將塊狀紅砂巖進(jìn)行破碎處理，使其完全崩解。根據(jù)松鋪厚度和方量，用石灰畫(huà)出網(wǎng)格線，按網(wǎng)格布料，按路寬均勻攤鋪，攤鋪厚度為30cm，每層填料的兩側(cè)鋪設(shè)寬度較設(shè)計(jì)寬度超30cm。填料含水量應(yīng)控制在最佳含水量的±2%。若填料低于最佳含水量，應(yīng)根據(jù)施工面積確定灑水量，使用水車(chē)灑水；對(duì)含水量過(guò)大的填料應(yīng)進(jìn)行晾曬，然后開(kāi)始智能碾壓。利用壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行路基壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)生成的壓實(shí)報(bào)告對(duì)振動(dòng)狀態(tài)不滿足要求、超速、碾壓遍數(shù)不達(dá)標(biāo)或壓實(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)不合格的進(jìn)行篩選，并對(duì)不合格的部分進(jìn)行整改。最后一層紅砂巖攤鋪碾壓前進(jìn)行土工格柵的鋪設(shè)。填料土工格柵鋪設(shè)時(shí)底面應(yīng)平整密實(shí)，應(yīng)平鋪、拉直、不得重疊，不得卷曲、扭結(jié)，相鄰的兩幅土工格柵需搭接0.3m，沿路基橫向?qū)ν凉じ駯糯罱硬糠置扛?m用8號(hào)鐵絲進(jìn)行穿插連接，并在鋪設(shè)的格柵上每隔1.5～2m用一種具有路基松鋪厚度及夯填度指示功能的h形土工格柵固定裝置固定于地面。每層填筑施工完成后，利用生成的壓實(shí)報(bào)告判斷最終壓實(shí)質(zhì)量，人工檢測(cè)路基強(qiáng)度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，并將施工段填筑后的壓實(shí)度、彎沉值、縱斷高程、中線偏位、寬度、橫坡、邊坡等檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和整理，如不滿足要求，應(yīng)及時(shí)整改，直至路基填筑各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。

圖1 施工工藝流程圖

2 紅砂巖質(zhì)土路基沉降分析

2.1 模型的建立與網(wǎng)格劃分

基于杭金衢高速公路項(xiàng)目，利用ABABQUS有限元分析軟件建立了二維模型。為提升計(jì)算效率，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將路堤高度設(shè)為3m，采取單行道路面，寬度設(shè)置為13m，地基深度設(shè)置為10m，地基寬設(shè)置為50m，坡度設(shè)置為1∶1.5。選取x軸方向?yàn)樗椒较颍瑈軸為深度方向。邊界條件設(shè)上表面為自由平面，下表面固定水平和豎直位移。考慮計(jì)算精度，土體采用C3D8R單元類型。

2.2 模型參數(shù)的確定

將模型分為由上至下三部分，分別為路面、路基填土和地基土。其中，梯形部分為路基填土和路面，下部矩形為地基土。具體參數(shù)如表2所示。

表2 模型各參數(shù)

2.3 模型建立的假設(shè)

考慮公路模擬的復(fù)雜性，在利用ABAQUS模擬時(shí)，假設(shè)以下條件：

（1）由于道路縱向距離足夠遠(yuǎn)，因此將三維轉(zhuǎn)換為二維平面應(yīng)變問(wèn)題。

（2）將土體視為均質(zhì)、連續(xù)、各項(xiàng)同性的彈塑性理想體。

（3）路基填土和地基土均采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。

（4）路堤各層之間變形連續(xù)，不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)和分離。

2.4 數(shù)值模擬的步驟

數(shù)值模擬的步驟為：

Step 1：進(jìn)入Part模塊，建立土體部件，并進(jìn)入Property模塊定義材料并輸入部件參數(shù)。

Step 2：進(jìn)入Mesh模塊劃分網(wǎng)格并設(shè)置土體單元類型，然后進(jìn)入Assembly模塊裝配部件。

Step 3：進(jìn)入load模塊對(duì)部件施加荷載，并對(duì)土體設(shè)置邊界條件，最后平衡地應(yīng)力。

Step 4：進(jìn)入Interaction模塊設(shè)置接觸關(guān)系。

Step 5：編輯好加載大小和次數(shù)的子程序。

Step 6：進(jìn)入Job模塊提交子程序，確定工作，進(jìn)行計(jì)算。

2.5 數(shù)值模擬結(jié)果

路堤在長(zhǎng)期的車(chē)輛荷載下將產(chǎn)生一定的工后沉降和不均勻沉降，進(jìn)而影響路堤的使用壽命。為分析路基在長(zhǎng)期車(chē)輛荷載作用下的沉降規(guī)律，將車(chē)輛荷載取車(chē)軸荷載100kN，荷載振動(dòng)次數(shù)按每日通過(guò)的車(chē)輛數(shù)進(jìn)行確定，選擇每日通過(guò)100輛該車(chē)輛。通過(guò)設(shè)置不同的計(jì)算天數(shù)來(lái)研究長(zhǎng)期車(chē)輛荷載下的沉降規(guī)律，圖2為1 000d下路堤沉降云圖，圖3為不同天數(shù)下路堤橫斷面沉降曲線。

圖2 1 000d的路堤沉降云圖

圖3 不同天數(shù)下路堤橫斷面沉降圖

由圖3可知，隨著天數(shù)的增加，路堤橫斷面各個(gè)坐標(biāo)的沉降值均增大，且隨時(shí)間的增加，沉降增加速率變慢；在橫坐標(biāo)6.5m處，路堤沉降曲線兩端基本呈對(duì)稱分布。其中，兩側(cè)車(chē)輪處的沉降值最大，車(chē)輛中心處的沉降較兩側(cè)車(chē)輪處沉降要小。路堤經(jīng)過(guò)1 000d的車(chē)輛荷載后，最大沉降為32.5mm左右，因此，使用紅砂巖填筑路基具有一定合理性。

3 結(jié)論

本文利用ABAQUS有限元分析軟件開(kāi)展交通荷載下紅砂巖質(zhì)土路基的沉降分析，并根據(jù)沉降規(guī)律分析紅砂巖質(zhì)土用作路基筑料的道路質(zhì)量。通過(guò)分析得到以下結(jié)論：

（1）隨著天數(shù)的增加，路堤橫斷面各個(gè)坐標(biāo)的沉降值均增大，且隨時(shí)間的增加，沉降增加速率變慢。

（2）在橫坐標(biāo)6.5m處，路堤沉降曲線兩端基本呈對(duì)稱分布，其中兩側(cè)車(chē)輪處的沉降值最大，車(chē)輛中心處的沉降較兩側(cè)車(chē)輪處沉降要小。

（3）路堤經(jīng)過(guò)1 000d的車(chē)輛荷載后，最大沉降為3.25cm左右，使用紅砂巖填筑路基具有一定合理性。