交通荷载作用下粉土路基响应特性分析

龚津梁

摘 要：本文采用有限差分软件针对某一工程实例的粉土路基响应特性进行了模拟分析，得到了路基沉降、路表沉降规律以及剪切应变增量的云图，以便有针对性开展相关理论研究工作。

关键词：交通；荷载作用；粉土路基；响应；特性

中图分类号：U416 文献标志码：A

1 工程实例情况介绍

工程区域的岩层呈单斜产出，未发现断层和褶曲区域。受区域构造的影响，主要有两组裂隙，其产状分别为：1组为315°∠61°，裂面平整，无充填，张开度在0.5mm～4.5mm，间距为0.4m～3.0m，延伸长度为0.5m～4.5m，贯通性差；2组为205°∠82°，裂面平直，无充填，张开度在5mm～15mm，间距为0.5m～2.5m，伸延长度为0.8m～4.0m，贯通性较差。勘察区内岩体较完整，结构面结合度较差，地质构造比较简单；该区域属温带湿润气候，四季分明，降雨充沛，日照充足，年平均气温在18℃～20℃，降雨基本集中在5～10月份。

2 粉土路基响应特性模拟分析

2.1 数值模拟过程

有限差分软件拥有多个计算模块，可以进行静力分析、渗流分析和动力分析等多方面的数值模拟。在进行响应特性分析时，是一种完全意义上的非线性响应分析，可以在结构非线性、几何非线性和荷载非线性等方法中进行合理的选择。当使用FLAC3D进行交通荷载作用下的粉土路基响应分折时，可以将命令按照流程顺序储存于文本文件当中，在分析问题时，便直接采用call命令调入，即可进行分析求解。FIAC3D软件的具有以下工作流程：建立有限元分析模型、定义材料模型及参数、设定边界条件及初始条件。

2.2 模型建立及参数选取

本次数值计算是结合某一高速公路路段的施工情况，采用三维有限元做为模型，公路原地基高度设定为15m，路堤高度设定为2m，模型横向宽度为30m，纵向长度为20m；数值模型的节点总数为11991个，总单元个数为10400个。

3 模拟分析的结果

3.1 位移时程的分析

在交通荷载作用下，粉土路基会随着时间的变化呈现出不同的沉降位移深度，一般地在车辆荷载作用的瞬间，路基会相应的产生一个瞬时的变形，这属于弹性变形范畴，其力度可以通过弹性力学进行计算；其次，路基沉降变形会随着动荷持续增长，在荷载作用前期增长速率逐渐减小，路基沉降变形会随着荷载作用而持续增长，随着增长时间的推移，增长的速度逐渐减小，路基沉降变形趋于稳定；当路基沉降变形呈上下波动的状态时，如果波动的幅度较大，将会对行车的舒适性造成一定的影响。当荷载幅值为l0kPa、20kPa、30kPa和40kPa时，路基最终的沉降位移分别为0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm，呈现出非线性增长的趋势。通过以上的分析可以看出，在路基总变形中，瞬时变形和长期变形约各占50%。

3.2 位移云图分析

在不同车辆的荷载作用下，某粉土路基的沉降位移云图如图1所示。通过观察图1可以看出在车辆荷载作用下，路基表面的沉降变形最大，随着深度的增加，路基的沉降变形逐渐减小；其中，图1（a）显示在路基表面中心处沉降变形最大，向路肩方向逐渐减小。结合图中（a） 、（b）、 （c）、（d）4幅图片可以看出，路基的沉降变形随着荷载幅值的增加而增大，甚至造成基底破坏。

3.3 剪切应变增量分析

在不同车辆的荷载作用下，从某粉土路基的沉降位移云图分析得知，路基表面中心处的剪切应变增量最大，但并不是最可能发生破坏的位置；而路基路肩由于处于非常不利的受力状态，且剪切应变增量也较大，因此路肩处最容易发生剪切滑坡破坏，通过分析得知，在路基路肩处已经形成一定的滑动带，但还不是很明显。随着荷载幅值的增加，路基路肩处的剪切滑动带越来越明显，直至出现剪切破坏。

3.4 竖向位移分析

在不同车辆的荷载作用下，根据某粉土路基的沉降位移云图可知，路基表面的沉降变形最大，并形成了一个类似于椭圆形状的等值沉降面，并且随着沉降程度的加深，路基的沉降变形逐渐减小；随着荷载幅值的增加，使路基的沉降位移分布情况得到了很大的改变，并且路肩也可能发生剪切滑动破坏。

3.5 路基中心竖向位移分析

随着车辆荷载幅值的不断增大，粉土路基表面的沉降位移也在随之增大。当荷载幅值为为l0kPa、20kPa、30kPa和40kPa时，路基表面的沉降位移分别为0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm，由此可以看出路基表面的沉降與荷载幅值之间属于一种线性关系，并且在深度10m处发生转折，这也说明了荷载作用对路基的影响深度一般在10m左右。

结语

通过有限差分软件对粉土路基响应特性的分析，总结出以下沉降位移及变形的规律：第一，在交通荷载作用下，路基的瞬时沉降和长期沉降各占总沉降的50%左右，并且随着沉降时间的延长，会达到一个稳定值；第二，当荷载幅值为l0kPa、20kPa、30kPa和40kPa时，路基最终的沉降位移分别为0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm，呈现出非线性增长的趋势；第三，随着荷载幅值的不断增加，剪切带越来越明显，当荷载幅值达到30kPa时，为一个转折点。

参考文献

[1]黄志军，赖远明，李双洋，等.交通荷载作用下冻土路基动力响应分析[J].冰川冻土，2012（2）：418-426.

[2l边学成，曾二贤，陈云敏.列车交通荷载作用下软土路基的长期沉降[J].岩二学，2008（11）：2990-2996.

[3]刘雪珠，陈国兴.轨道交通荷载下路基土的动力学行为研究进展[J].防灾减灾工程学报，2008（2）：248-255.