基于數(shù)值模擬的工業(yè)廢渣穩(wěn)定特殊土路基的效果分析

摘要：以S21線阿勒泰至烏魯木齊公路建設(shè)工程為研究對象，通過運用Midas GTS/NX 軟件，建立爐渣-礦渣-電石渣穩(wěn)定粉黏土路基路面結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行數(shù)值模擬分析路基應(yīng)力、應(yīng)變、沉降規(guī)律。與現(xiàn)場實測值進(jìn)行對比，以驗證文中所建模型的正確性。研究結(jié)果表明：A界面現(xiàn)場實際監(jiān)測的豎向沉降值，較采用有限元數(shù)值計算的結(jié)果偏??；B界面與C界面現(xiàn)場實際監(jiān)測的豎向沉降值，較采用有限元數(shù)值計算的結(jié)果偏大。數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果存在一些差別，但是總體趨勢一致，表明文中模型合理。

關(guān)鍵詞：工業(yè)廢渣；穩(wěn)定特殊土；現(xiàn)場實測；數(shù)值模擬

0" "引言

近年來，我國工業(yè)廢棄物的排放量逐年增加，而提高資源能源的利用率是解決資源、環(huán)境制約經(jīng)濟發(fā)展的重要途徑[1]。爐渣、?；郀t礦渣和電石渣是眾多工業(yè)固體廢渣中重要類型，工業(yè)廢渣的處理及高附加值資源化利用是目前面臨的較大難題，亦是亟待解決的重要課題，為此有必要對工業(yè)廢渣資源化利用進(jìn)行關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研究。目前一些學(xué)者通過不同手段對此開展了一系列的研究，并取得了豐碩的成果。趙心濤等[3]以某膨脹土公路工程為研究對象，通過室內(nèi)試驗講不通含量的煤渣混入膨脹土，研究了不同摻入量煤渣對膨脹土物理力學(xué)特性的影響規(guī)律。袁文英[4]結(jié)合城市道路結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，采用正交試驗設(shè)計，分析了電石渣對道路路基土層的改良機理，以及電石渣對土層改良的敏感性分析。羅洪偉等[5]以生產(chǎn)電石排除的廢渣—電石渣為研究對象，將電石渣與路基土混合，研究不同配比混合料的力學(xué)特性，并分析了技術(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)。戈銘等[6]同樣基于電石渣背景，通過CBR試驗以及室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗，研究了不同影響因素下混合料的性能。

本文結(jié)合S21線阿勒泰至烏魯木齊公路建設(shè)工程，對工業(yè)廢渣中爐渣-礦渣-電石渣利用復(fù)配處治特殊土路基進(jìn)行系統(tǒng)化研究，探討廢渣與廢渣之間、廢渣與不良土質(zhì)之間的相互作用機理[2]。通過運用Midas GTS/NX 軟件，建立爐渣-礦渣-電石渣穩(wěn)定粉黏土路基路面結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行數(shù)值模擬分析路基應(yīng)力、應(yīng)變、沉降規(guī)律。

1" "工程概況

新疆S21線阿勒泰至烏魯木齊公路建設(shè)工程（黃花溝至烏魯木齊段）為新建高速公路，本項目試驗段位于第六合同段102團北匝道收費站，起止里程樁號為EK0+700～EK0+913，共計213m。

設(shè)定道路結(jié)構(gòu)模型X方向（路基寬度）寬度取27m，Y方向（縱向）長度取50m，Z方向（填筑高度）高度取1.46m，路基邊坡坡率1：1.5。對應(yīng)試驗段EK0+800～EK0+850，其路基路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計厚度、寬度見表1。

2" "有限元模型建立

2.1" "確定道路結(jié)構(gòu)模型邊界

為了滿足計算精度的要求，道路結(jié)構(gòu)模型邊界范圍大小的選取，依據(jù)路基工程規(guī)范及數(shù)值模擬經(jīng)驗，沿道路橫向（X方向）總長度取58.7m，沿道路縱向（Y方向）總長度取50m，地基深度（Z方向）總長度取7.46m。

2.2" "選取力學(xué)參數(shù)

根據(jù)上述室內(nèi)試驗結(jié)果，選取不同路基路面結(jié)構(gòu)層的力學(xué)參數(shù)。路基路面結(jié)構(gòu)層力學(xué)參數(shù)如表2所示。

2.3" "模型建立

根據(jù)上述參數(shù)，建立爐渣-礦渣-電石渣穩(wěn)定粉黏土路基道路結(jié)構(gòu)三維有限元數(shù)值模型如圖1所示。其中：中粒式瀝青混凝土面層、粗粒式瀝青混凝土面層、水泥穩(wěn)定砂礫基層、天然砂礫底基層采用彈性模型-線彈性本構(gòu)，三渣穩(wěn)定粉黏土路基、地基采用莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則-彈塑性本構(gòu)。

邊界約束條件如下：X=0、X=58.7（左、右面）采用固定約束；Y=0、Y=50（前、后面）采用固定約束；Z=0（底面）采用固定約束，Z=7.46（頂面）為自由邊界面。

高級公路匝道為供汽車行駛的雙車道公路。要求雙車道適應(yīng)，將各種型號汽車折合成小客車的年平均日設(shè)計交通量15000輛以上。汽車荷載為公路Ⅰ級，車輛重力標(biāo)準(zhǔn)值為550kN。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)軸載為雙輪組單軸100kN，均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為28kN·m2。

3" "數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1" "道路橫斷面豎向設(shè)定

為了便于后續(xù)分析道路結(jié)構(gòu)每層應(yīng)力-應(yīng)變-沉降變化規(guī)律，將道路橫斷面豎向設(shè)定如下：原始地基面與下路床交界面為A 層，下路床與上路床交界面為B 層，上路床與下路床交界面為C 層，道路橫斷面橫向設(shè)定

3.2" "車輛荷載運營期應(yīng)力場分析

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2003）規(guī)范規(guī)定，設(shè)計年平均日交通量按照15000輛考慮，計算均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為28kN/m2。通過Midas GTS/NX有限元數(shù)值，計算提取爐渣-礦渣-電石渣穩(wěn)定粉黏土路基的長期豎向沉降變形、豎向應(yīng)力、剪切應(yīng)力、應(yīng)變等。

3.2.1" "荷載場-道路中心線正下方豎向沉降分析

荷載場-道路中心線正下方豎向沉降如圖1所示。由圖1可知，爐渣-礦渣-電石渣穩(wěn)定粉黏土路基在長期荷載場作用下，整體豎向沉降位移呈現(xiàn)荷載作用范圍內(nèi)沉降大，周邊沉降沿作用區(qū)域逐圈減小的趨勢。沿道路中心線橫向（X方向）呈對稱趨勢分布，沿豎向（Z方向）呈線性減小趨勢分布。

此外，三渣穩(wěn)定粉黏土路基結(jié)構(gòu)形式，在行車荷載作用下產(chǎn)生的最大豎向位移為0.5～0.59mm，發(fā)生在路面層0～0.12m深度范圍內(nèi)。在三渣穩(wěn)定粉黏土路基與地基交界面處，豎向沉降位移最大值為0.44mm。在三渣穩(wěn)定粉黏土上路床與下路床交界面處，豎向沉降位移最大值0.47mm。由此說明，車輛荷載作用對路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，沉降影響微弱。

3.2.2" "路基豎向應(yīng)力與剪應(yīng)力分析

三渣穩(wěn)定粉黏土路基的豎向應(yīng)力如圖2所示。由圖2可知，三渣穩(wěn)定粉黏土路基與地基交界面處豎向應(yīng)力值0.025MPa，在三渣穩(wěn)定粉黏土上路床與下路床交界面處豎向應(yīng)力值約0.01MPa。三渣穩(wěn)定粉黏土路基的剪應(yīng)力如圖3所示。由圖3可知，剪應(yīng)力在三渣穩(wěn)定粉黏土路基中較小約為19.92kPa，小于三渣穩(wěn)定粉黏土黏聚力值，而在路面層較大約為0.2MPa。

綜上所述，荷載作用下對三渣穩(wěn)定粉黏土路基結(jié)構(gòu)影響較小，對路面結(jié)構(gòu)影響較大。整體而言，三渣穩(wěn)定粉黏土路基豎向應(yīng)力、剪應(yīng)力均呈現(xiàn)沿道路中心線對稱、分層分布規(guī)律。

3.2.3" "三渣穩(wěn)定粉黏土路基應(yīng)變分析

三渣穩(wěn)定粉黏土路基應(yīng)變分析如圖4所示。由圖4可知，三渣穩(wěn)定粉黏土路基與地基交界面處、三渣穩(wěn)定粉黏土上路床與下路床交界面處，兩個不同深度范圍內(nèi)應(yīng)變值變化不大，約為60～85με，說明三渣穩(wěn)定粉黏土路基的“層狀板體”結(jié)構(gòu)基本形成，整體變形穩(wěn)定。

通過上述三渣穩(wěn)定粉黏土路基應(yīng)力-應(yīng)變-沉降數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，三渣穩(wěn)定粉黏土路基在荷載場作用下其豎向沉降位移值微小，路基范圍內(nèi)豎向位移值約0.44～0.47mm。其豎向應(yīng)力值為層狀穩(wěn)定分布，路基范圍內(nèi)應(yīng)力值約0.01～0.025MPa。其監(jiān)測路基范圍內(nèi)剪切應(yīng)力值低于三渣穩(wěn)定粉黏土的黏聚力值，應(yīng)變值變化微小，整體變形穩(wěn)定。綜上所述，三渣穩(wěn)定粉黏土路基結(jié)構(gòu)形式長期路用性能較穩(wěn)定，適用性較好，滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

3.3" "豎向沉降計算值與現(xiàn)場監(jiān)測值對比

為了進(jìn)一步分析數(shù)值計算的準(zhǔn)確性與可靠性，將上述數(shù)值模擬計算的路用效果指標(biāo)與斷面Ⅲ實際現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，繪制三渣穩(wěn)定粉黏土路基的豎向沉降現(xiàn)場監(jiān)測值與數(shù)值計算值對比如圖5所示。

由圖5可知，A界面（原始地基與下路床交界面）現(xiàn)場實際監(jiān)測的豎向沉降值，較采用有限元數(shù)值計算的結(jié)果偏小。這主要在于現(xiàn)場場地原始地基經(jīng)過清表整平、沖擊碾壓等過程，使得原狀土體得到進(jìn)一步碾壓壓實，而數(shù)值模擬并沒有模擬這一過程，故而導(dǎo)致現(xiàn)場監(jiān)測豎向沉降值較有限元模擬計算值偏小。

B界面（上下路床交界面）與C界面（上路床與底基層交界面）現(xiàn)場實際監(jiān)測的豎向沉降值，較采用有限元數(shù)值計算的結(jié)果偏大。隨著路基填筑高度的增加，現(xiàn)場監(jiān)測值與數(shù)值計算值誤差越小，兩者的變化趨勢一致。

現(xiàn)場實際監(jiān)測的豎向沉降值偏大，一方面由于現(xiàn)場布設(shè)監(jiān)測元器件需要對原始碾壓完成，再開挖監(jiān)測點埋置元器件，對原狀土體或碾壓路基有所擾動，元器件周圍出現(xiàn)松動土體。在埋設(shè)完之后再進(jìn)行碾壓，使監(jiān)測點位產(chǎn)生局部集中應(yīng)力，從而產(chǎn)生額外的豎向沉降值，從而導(dǎo)致實際監(jiān)測豎向沉降值較有限元數(shù)值計算值偏大。

另一方面，由于有限元數(shù)值模擬計算中，三渣穩(wěn)定粉黏土采用的本構(gòu)關(guān)系為莫爾-庫侖準(zhǔn)則-彈塑性本構(gòu)，而通過室內(nèi)試驗與理論分析可知，三渣穩(wěn)定粉黏土本構(gòu)關(guān)系更符合雙線性-理想塑性-線性模型，強度參數(shù)值并不是恒定的，而是呈逐漸減小趨向，故而導(dǎo)致現(xiàn)場實際監(jiān)測的豎向沉降值偏大、有限元數(shù)值模擬計算值偏小。

此外采用有限元數(shù)值計算是基于一定的理論假設(shè)條件，且只考慮了應(yīng)力場，未考慮滲流-溫度場的耦合影響，從而導(dǎo)致計算值偏小。

4" "結(jié)束語

本文基于S21線阿勒泰至烏魯木齊公路建設(shè)工程，運用有限元數(shù)值模擬軟件，建立了三渣穩(wěn)定粉黏土路基道路結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，對比分析了現(xiàn)場監(jiān)測值與模擬計算值。獲得以下主要結(jié)論：

A界面現(xiàn)場實際監(jiān)測的豎向沉降值，較采用有限元數(shù)值計算的結(jié)果偏小。其主要原因在于現(xiàn)場場地原始地基經(jīng)過清表整平、沖擊碾壓等過程，使得原狀土體得到進(jìn)一步碾壓壓實，而數(shù)值模擬并沒有模擬這一過程，故而導(dǎo)致現(xiàn)場監(jiān)測豎向沉降值較有限元模擬計算值偏小。

B界面與C界面現(xiàn)場實際監(jiān)測的豎向沉降值，較采用有限元數(shù)值計算的結(jié)果偏大。其主要原因一方面由于布設(shè)監(jiān)測元器件，對原狀土體或碾壓完成路基有所擾動，使監(jiān)測點周圍出現(xiàn)松動土體，并產(chǎn)生局部集中應(yīng)力，從而產(chǎn)生額外的豎向沉降值，導(dǎo)致實際監(jiān)測豎向沉降值較有限元數(shù)值計算值偏大。另一方面，由于有限元數(shù)值模擬計算中三渣穩(wěn)定粉黏土采用的本構(gòu)關(guān)系不能完全準(zhǔn)確表征應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

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（新疆交通投資（集團）有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊" "830000）