降雨作用下非饱和土路基动载影响因素分析

宋 磊

(山西省交通科学研究院 太原 030006)

非饱和土路基的稳定一直为公路工程界研究的热点问题，而行车荷载和降雨入渗是影响路基稳定的重要因素。近年来，国内学者针对路基稳定方面进行了大量研究，但关于降雨入渗与行车荷载对路基稳定影响的研究较少[1-2]。基于此，本文以某高速公路的路基断面为研究对象，运用Geodtudio软件建立二维数值模型，模拟了不同降雨强度、行车轴载和行车速度对压实不足非饱和土路基的影响规律，以期为同类路基工程的防护工作提供参考与借鉴。

1 数值计算

1.1 工程算例及建立模型

依托某高速公路K25+160路基断面为算例。该高速公路路堤填土高度为1.3 m，路堤边坡为1∶1.5，地下水处于坡脚4.7 m以下，路基属于黏土路基，顶部宽度为26 m，不考虑边坡上骨架的防护作用。为了便于数值计算，试验采用有限元软件Geodtudio建立轴对称二维模型，结合文献[3]用黏弹性模型来模拟路基土体的动力特性，计算不同条件下路基沉降和应力变化情况，以表征路基承力性能。模型尺寸选取为30 m×30 m，该尺寸已明显大于路基工作区范围，故认为模型为半无限空间体，具体情况如图1所示。模拟计算的初始条件假定路面完全弹性，地层分界线与地下水位线水平，降雨全部入渗但未达到土壤允许入渗容量限值，通过降雨强度表示降雨边界函数，不考虑降雨过程的地表积水现象，降雨入渗作用整个路基顶部。

图1 路基有限元模型(单位：m)

由于文中研究对象为路基土的性状，因此，将路面结构中的面层、基层及底基层简化为1层，同时进行厚度加权处理。考虑到实际行车道存有压实不足的现象，试验根据文献[4]将病害区域的参数值进行相应降低。通过实地勘测地质情况，得到试验段模拟参数见表1。

表1 模拟参数

为真实模拟高速公路试验段的交通荷载情况，试验根据文献[5]将行车荷载简化为100(标准轴载)，128,157,185 kN 4种类型。考虑到重型轴载一般均采用高压轮胎，故试验中将胎压作为接地压力。为便于计算并真实模拟车载的影响，试验过程中仅考虑后轴轮胎作用，选取双轮单圆的接地形式，根据JTG D50-2017 《公路沥青路面设计规范》 中相关公式计算出单圆荷载的当量圆直径，并参考文献[6-7]选取适合路况及行驶速度车辆放大系数。

2 路基动载影响因素分析

为研究降雨入渗作用下非饱和土路基的动载影响因素，试验拟定了不同工况，其主要参数如表2所示。其中降雨持续时间均设定为12 h，行车轴载加载次数均为5 000次，针对不同降雨强度、轴载和行车速度条件下的压实不足路基进行动载影响分析。

表2 模拟工况主要参数

2.1 降雨强度

以行车轴载100 kN、行驶车速80 km/h为例，通过对不同降雨强度作用下的非饱和土路基进行数值分析，得到路基沉降与竖向应力变化规律分别见图2、图3。

图2 不同降雨强度下的路基沉降变化曲线

图3 不同降雨强度下的路基竖向应力变化曲线

由图2可见，相同行车荷载和行驶车速共同作用下非饱和土路基的沉降随着降雨强度的增大逐渐增大，路基沉降表现最为明显的区域为压实不足病害处，其中病害两端的最大沉降值为11 mm左右，而病害中心的最大沉降值约为5.1 mm；降雨强度0.4 mm/h与16 mm/h作用下路基的沉降差值仅为2.2 mm，表明相同行车轴载和行车速度情形下，降雨强度对非饱和土路基沉降影响较小。

由图3可见，轴载作用下路基的竖向应力均随着降雨强度的增大逐渐增大，其中路基压实不足病害处的竖向应力也最为明显，降雨强度0.4 mm/h与16 mm/h作用下路基的竖向应力差值仅为8 kPa，表明相同行车轴载和行车速度情形下，降雨强度对非饱和土路基的竖向应力影响也不明显。

2.2 行车轴载

以降雨强度16 mm/h、行驶车速80 km/h为例，通过对不同行车轴载作用下的非饱和土路基进行数值分析，得到最不利工况下路基沉降与竖向应力变化规律分别见图4、图5。

图4 不同行车轴载下的路基沉降变化曲线

图5 不同行车轴载下的路基竖向应力变化曲线

由图4可见，相同降雨强度和行驶车速共同作用下非饱和土路基的沉降随着行车轴载的增大逐渐增大，其中重载185 kN作用下病害两侧处的路基沉降值最为明显，沉降值约达21 mm，而病害中心位置的路基沉降为10 mm；重载185 kN和标准轴载100 kN作用下路基沉降差值约为10 mm，说明行车轴载对非饱和土路基沉降影响比较明显。

由图5可见，非饱和土路基的竖向应力均随行车轴载的增大而增大，存在病害区域的竖向应力表现最为明显，重载185 kN和标准轴载100 kN作用下路基竖向应力最大差值约40 kPa，说明行车轴载对路基竖向应力影响显著。

2.3 行车速度

以降雨强度16 mm/h、行车轴载100 kN为例，通过对不同行驶车速情形下的非饱和土路基进行数值分析，得到最不利工况下路基沉降与竖向应力变化规律见图6、图7。

图6 不同行车速度下的路基沉降变化曲线

图7 不同行车速度下的路基竖向应力变化曲线

由图6可见，相同降雨强度和行车轴载作用下非饱和土路基的沉降随行车速度增大逐渐减小，路基沉降表现最明显区域同样为压实不足病害处，各车速作用下路基的沉降值差较小，表明行车速度对非饱和土路基沉降基本没有影响。

由图7可见，路基竖向压应力随着车速增大逐渐减小，且病害处路基竖向应力远大于其他区域，各车速作用下路基的竖向应力值差较小，说明行车速度对路基竖向应力影响较小。

综合上述分析可知，由于路基存在压实不足病害，不同模拟工况中车轮处的路基沉降均最为明显，车轮外侧附近的路基都存在隆起现象，且车轮内外两侧的路基沉降差较大，表明在重载作用下路基压实不足区域易产生车辙病害；各工况中车轮外侧附近路基均出现拉应力，车轮处竖向应力表现最为明显。

3 结论

1) 随着降雨强度、行车轴载的增大，非饱和土路基的沉降与竖向应力均逐渐增大，降雨强度对路基影响减小，行车轴载对路基影响较为明显，故对于超载现象严重的高速公路，应适当提高路基设计强度。

2) 非饱和土路基的沉降和竖向应力随着行车速度增大逐渐减小，但行车速度的影响较小。

3) 由于路基存在压实不足病害，不同工况中路基沉降和竖向应力最大值均发生在车轮处，车轮内外侧沉降和竖向应力差异明显，表明重载下路基压实不足区域易产生车辙病害，故施工中应注重路基压实质量均匀性。