交通荷载下红砂岩质土路基沉降分析

孙柯佳

（浙江交工金筑交通建设有限公司，浙江杭州 310051）

0 引言

红砂岩在外界环境作用下容易崩解，用红砂岩填筑路基对地基结构形式、地基排水与承载力提出了新的要求。红砂岩路基的自稳定能力很差，造成红砂岩地区路基在施工期和施工后容易出现沉陷等病害，未经处治的红砂岩不能直接用作路基填料。曲永新等[1]做了大量关于软岩崩解试验，根据岩体的崩解特性总结了软岩崩解后的不同类型，并描述了各个崩解类型在崩解过程中的现象。刘多文等[2]对红砂岩崩解得到的红砂土进行路用性质的试验研究，发现其压实后具有良好的路用性质。胡新民等[3-4]通过对工程沿线红砂岩进行相关试验，分析影响红砂岩路面性能的主要因素以及红砂岩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]从微观物理力学特征、红砂岩崩解物的工程性能以及崩解前后红砂岩工程性能变化等方面对红砂岩作为路基填料的工程性质进行了研究，提出了简要的红砂岩路堤施工措施和方法。朱华剑[6]通过室内大型三轴试验发现红层软岩在压实度达到93%～96%时岩块破碎最为剧烈，红层软岩填料的最大干密度受级配的影响较低，填料主要受压实度、含水量的影响，含水量影响抗剪强度，含水量越高抗剪强度损失越大，而填料的压缩性和流变特性均受到压实度的影响，细粒、粉粒含量一定程度上影响着填料的湿化变形。姚华彦等[7]以红砂岩为研究对象，进行了干燥-饱水干湿交替作用后的常规单轴和三轴压缩试验，通过砂岩应力-应变曲线分析了其变形破坏特征；与没有经过干湿交替作用的素样相比，若干次的干湿循环交替过程使砂岩的单轴和三轴抗压强度、黏聚力、内摩擦角和变形模量等都有不同层次的降低。

本文结合G60沪昆高速公路金华互通至浙赣界段TJ04标路基工程，对红砂岩质土路基进行ABAQUS有限元数值模拟，估计了路基沉降，可为同类项目提供经验参考。

1 工程概况

G60沪昆高速公路金华互通至浙赣界段TJ04标段起点桩号K356+140，终点桩号K409+000，长约52.86km。其中，路基挖方约170.5万m3。本项目主线拼宽路基为特重交通，路床厚度按1.2m控制，利用挖方路段宕渣填筑路基，路基填料以红砂岩为主，施工工艺流程见图1。利用洒水车对红砂岩均匀洒水，待红砂岩充分润湿48h后，利用机械设备将块状红砂岩进行破碎处理，使其完全崩解。根据松铺厚度和方量，用石灰画出网格线，按网格布料，按路宽均匀摊铺，摊铺厚度为30cm，每层填料的两侧铺设宽度较设计宽度超30cm。填料含水量应控制在最佳含水量的±2%。若填料低于最佳含水量，应根据施工面积确定洒水量，使用水车洒水；对含水量过大的填料应进行晾晒，然后开始智能碾压。利用压实质量实时监控系统进行路基压实质量的实时监控，通过生成的压实报告对振动状态不满足要求、超速、碾压遍数不达标或压实监测指标不合格的进行筛选，并对不合格的部分进行整改。最后一层红砂岩摊铺碾压前进行土工格栅的铺设。填料土工格栅铺设时底面应平整密实，应平铺、拉直、不得重叠，不得卷曲、扭结，相邻的两幅土工格栅需搭接0.3m，沿路基横向对土工格栅搭接部分每隔1m用8号铁丝进行穿插连接，并在铺设的格栅上每隔1.5～2m用一种具有路基松铺厚度及夯填度指示功能的h形土工格栅固定装置固定于地面。每层填筑施工完成后，利用生成的压实报告判断最终压实质量，人工检测路基强度是否达到标准，并将施工段填筑后的压实度、弯沉值、纵断高程、中线偏位、宽度、横坡、边坡等检测项目进行统计和整理，如不满足要求，应及时整改，直至路基填筑各项指标满足要求。

图1 施工工艺流程图

2 红砂岩质土路基沉降分析

2.1 模型的建立与网格划分

基于杭金衢高速公路项目，利用ABABQUS有限元分析软件建立了二维模型。为提升计算效率，对模型进行简化，将路堤高度设为3m，采取单行道路面，宽度设置为13m，地基深度设置为10m，地基宽设置为50m，坡度设置为1∶1.5。选取x轴方向为水平方向，y轴为深度方向。边界条件设上表面为自由平面，下表面固定水平和竖直位移。考虑计算精度，土体采用C3D8R单元类型。

2.2 模型参数的确定

将模型分为由上至下三部分，分别为路面、路基填土和地基土。其中，梯形部分为路基填土和路面，下部矩形为地基土。具体参数如表2所示。

表2 模型各参数

2.3 模型建立的假设

考虑公路模拟的复杂性，在利用ABAQUS模拟时，假设以下条件：

（1）由于道路纵向距离足够远，因此将三维转换为二维平面应变问题。

（2）将土体视为均质、连续、各项同性的弹塑性理想体。

（3）路基填土和地基土均采用摩尔-库伦本构模型。

（4）路堤各层之间变形连续，不发生相对移动和分离。

2.4 数值模拟的步骤

数值模拟的步骤为：

Step 1：进入Part模块，建立土体部件，并进入Property模块定义材料并输入部件参数。

Step 2：进入Mesh模块划分网格并设置土体单元类型，然后进入Assembly模块装配部件。

Step 3：进入load模块对部件施加荷载，并对土体设置边界条件，最后平衡地应力。

Step 4：进入Interaction模块设置接触关系。

Step 5：编辑好加载大小和次数的子程序。

Step 6：进入Job模块提交子程序，确定工作，进行计算。

2.5 数值模拟结果

路堤在长期的车辆荷载下将产生一定的工后沉降和不均匀沉降，进而影响路堤的使用寿命。为分析路基在长期车辆荷载作用下的沉降规律，将车辆荷载取车轴荷载100kN，荷载振动次数按每日通过的车辆数进行确定，选择每日通过100辆该车辆。通过设置不同的计算天数来研究长期车辆荷载下的沉降规律，图2为1 000d下路堤沉降云图，图3为不同天数下路堤横断面沉降曲线。

图2 1 000d的路堤沉降云图

图3 不同天数下路堤横断面沉降图

由图3可知，随着天数的增加，路堤横断面各个坐标的沉降值均增大，且随时间的增加，沉降增加速率变慢；在横坐标6.5m处，路堤沉降曲线两端基本呈对称分布。其中，两侧车轮处的沉降值最大，车辆中心处的沉降较两侧车轮处沉降要小。路堤经过1 000d的车辆荷载后，最大沉降为32.5mm左右，因此，使用红砂岩填筑路基具有一定合理性。

3 结论

本文利用ABAQUS有限元分析软件开展交通荷载下红砂岩质土路基的沉降分析，并根据沉降规律分析红砂岩质土用作路基筑料的道路质量。通过分析得到以下结论：

（1）随着天数的增加，路堤横断面各个坐标的沉降值均增大，且随时间的增加，沉降增加速率变慢。

（2）在横坐标6.5m处，路堤沉降曲线两端基本呈对称分布，其中两侧车轮处的沉降值最大，车辆中心处的沉降较两侧车轮处沉降要小。

（3）路堤经过1 000d的车辆荷载后，最大沉降为3.25cm左右，使用红砂岩填筑路基具有一定合理性。