车辆荷载作用下高填方路基动力特性研究

黄洪宾

(广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200)

0 引言

在车辆荷载作用下,路基极易产生不均匀沉降等病害,影响行车安全,造成经济损失。故而研究路基在车辆荷载作用下的动力特性极为重要,对此大量学者进行了深入探讨。刘大鹏等[1]设计了低路堤的足尺模型试验,测试其在车辆静载、短期车辆动荷载和长期车辆动荷载作用下的应力和应变值,并建立了长期车辆动荷载作用下的低路堤应力计算模型。朱分清等[2]采用数值模拟的方式研究了高速公路不同压实度的黏土填方路堤,在施工期重载车辆及运营期行车荷载作用下的沉降变形规律。杨强强等[3]基于某管道项目的现场试验,研究了车辆荷载作用下黄土路基的竖向土压力传递和扩散规律。刘小兰等[4]考虑到现有路基动态回弹模量试验的不足,以路基深度为3m处的应力为例,分析了动荷载、静荷载作用下的路基应力变化规律,并给出了相应的取值范围。孟上九等[5]采用现场动态监测和数值模拟相结合的方式分析了车辆荷载作用下的路基变形特性。李又云等[6]运用ABAQUS软件分析了不同车辆荷载动力参数下的路堤沉降变形规律,得到了压实黄土路堤动力参数和车辆超载情况对路堤沉降的影响。本文依托某高速公路实际工程,运用FLAC 3D软件,通过编写FISH语言对车辆荷载进行定义,根据数值仿真计算结果分析车辆荷载作用下的高填方路基动力响应特征,进一步探讨了车辆荷载幅值、车辆荷载作用次数等因素的影响。

1 高填方路基动力特性

考虑到实际道路其路面平整度不一,结合车辆自身振动特性,使其作用于路面的荷载呈现波动变化,与简谐运动类似,基于此,选用移动的简谐荷载模拟车辆荷载。路基承受的是衰减后的竖向车辆荷载,无水平向力的作用,为简化计算,在数值分析过程中,可不考虑公路路面的影响,直接将折减后的车辆荷载施加于高填方路基顶面上。本文选用FLAC 3D软件进行数值仿真动力分析,其流程如图1所示。

图1 FLAC 3D数值仿真分析流程图

1.1 模型的建立

本文依托某高速公路高填方路基实际工程,考虑其线路的半无限性质,将其简化为平面应变问题,简化后的数值仿真模型如下页图2所示。模型上层为人工压实黄土填方,其中心高为25 m;下层为原状地基土,其中心高为10 m;两侧为1∶1.3坡度的V型沟谷边坡,高度为15 m。设置模型四周为法向约束,底部为全约束,上表面为自由面。土体均设置为摩尔-库仑本构模型,根据地质勘察报告,其设置土体材料参数如下页表1所示。

表1 模型材料力学参数表

图2 FLAC 3D数值仿真模型图

先对原状地基土进行初始地应力平衡,然后进行高填方路基施工模拟,由结果可知,填方路基施工完成后,模型最大不平衡力满足设置要求,趋近于0,故可认为施工结束后,模型整体处于平衡状态。分析模型沉降变形可知,路基沉降值随着填土高度的增大而增大,其顶面中心位置沉降值最大,等沉面为U型,究其原因是填土两侧为V型沟谷边坡,从而对填土起到“围箍”作用,限制了填土的沉降位移。

1.2 动力加载

为确定车辆荷载对高填方路基的影响,需将填筑施工后的模型位移等响应量进行清零处理。选用FISH语言定义车辆荷载时程曲线如图3所示,其频率为1 HZ,以应力时程形式用APPLY命令进行输入。

图3 车辆荷载时程曲线图

考虑模型边界可能会吸收或反射动力波,从而造成模拟效果出现偏差,故需要先删除模型底部的全约束,设置其为静态边界,并将四周设为自由场边界。考虑到摩尔-库仑本构模型的滞回特性,为反映土体真实的阻尼,设置系数为0.02的局部阻尼。为进一步提高计算效率,选用动态多步的方式进行求解,设置动力加载时间为10 s。

1.3 结果分析

加载车辆荷载后,由结果可知,其整体应力分布较静力状态基本不发生变化,但其竖向应力的绝对值较静力状态有明显的增大。设置模型监测点如图4所示。

图4 监测点布置示意图

对监测点1、监测点3、监测点5的动应力进行分析,其中,监测点1位移路基顶面,其填土高度为35 m;监测点3位移路基顶面以下10 m,其填土高度为25 m;监测点5位移路基顶面以下20 m,其填土高度为15 m,其结果如图5所示。由图5可知,监测点1即路基顶面的动应力变化最为明显,随着填土高度的降低,其监测点动应力逐渐平缓,究其原因是车辆荷载施加于路基顶面,后向下传递,传递过程中受到土体阻尼的影响,车辆荷载发生了衰减和扩散。

图5 车辆荷载作用下不同监测点动应力变化曲线图

分析车辆荷载作用下路基的竖向位移可知,随着填土高度的降低,其沉降变形逐渐减小,受到两侧V型沟谷边坡的约束作用和黄土自身特性的影响,模型沉降变形的等沉面并非水平分布,而呈现出略向上突起的现象。原状地基土的沉降变形明显小于路基填土,主要是因为原地基土在长期地质作用下,其压实度较路基填土更大,由此可知,在高填方路基土施工时,对其进行充分压实可有效减少其在车辆荷载下的沉降变形,从而提高其使用寿命。

监测点3在车辆荷载作用下的竖向位移随时间变化曲线如图6所示,由图6可知,在车辆荷载作用下,路基填土的竖向位移主要表现为往复变化,有明显的弹塑性;在车辆荷载加载完成后出现3 mm左右的累积沉降量;以图中9～10 s的车辆荷载施加为例,其瞬时沉降为y2-y0,约11 mm;其中y1-y0为塑性沉降,约1 mm;y2-y1为弹性沉降,约10 mm。故可知,在考虑车辆荷载的动力作用的情况下,需要特别注意路基弹性沉降的影响。

图6 车辆荷载作用下监测点3竖向位移曲线图

分析车辆荷载作用下路基的水平位移可知,水平位移绝对值明显小于路基的竖向位移,且主要集中于两侧V型沟谷边坡及路基顶面处。填土路基与原状地基土在两侧V型沟谷边坡,即两者交界面处,产生了朝向沟谷内侧的轻微滑动。由此可知,两侧V型沟谷边坡对填土路基产生了一定的挤压作用,从而起到了限制填土路基沉降变形的作用;但也表明此处为路基填土与原状地基土的软弱结构带,填方施工过程中应当对路基填土与原状地基土的接触位置进行处理,可采用台阶法施工、增设土工格栅等方式增加两者接触面,使其能够紧密交接,从而提高该填方路基的整体稳定性。

2 高填方路基动力特性影响因素分析

2.1 车辆荷载幅值的影响

考虑到所依托的高速公路实际工程存在明显的超载超限现象,故需要考虑重载情况下的车辆荷载对高填方路基动力特性的影响。采用上述路基模型和监测点设置,分别对其施加动力时间均为10 s,动荷载幅值分别为10 kPa、15 kPa、20 kPa、25 kPa的车辆荷载。

分析不同车辆荷载作用下模型的竖向应力分布规律可知,随着车辆荷载的幅值不断增大,该高填方路基各土层的竖向应力也不断增大,但其分布规律基本一致。分析高填方路基不同高度处的竖向应力变化曲线可知,在不同车辆荷载作用下,高填方路基竖向应力随着填筑高度呈现出线性变化规律,且随着车辆荷载幅值的增大而增大,其结果如图7所示。分析监测点的动应力时程曲线图可知,随着车辆荷载的幅值增大,监测点动应力变化幅值也增大。

图7 高填方路基竖向应力随动荷载幅值变化曲线图

分析不同车辆荷载作用下模型的沉降分布规律可知,车辆荷载幅值越大,则高填方路基的沉降也越大,但其整体变化规律基本一致,其沉降最大值均在路基顶面,不同车辆荷载幅值情况下的沉降最大值分别为5.04 mm、7.66 mm、10.23 mm、12.80 mm。图8所示为该高填方路基不同高度处的沉降随车辆荷载幅值的变化曲线。由图8可知,在不同车辆荷载作用下,高填方路基的沉降随着填筑高度呈现出线性变化规律;高填方路基的沉降随着车辆荷载幅值的增大而增大;且路基填筑高度越高,其沉降随着车辆荷载幅值的增大越明显。当车辆荷载幅值由10 kPa增至25 kPa时,监测点1(填筑高度为35 m)变形量增大幅度为155.7%;监测点5(填筑高度为15 m)变形量增大幅度为153.5%;监测点7(填筑高度为5 m)变形量增大幅度为152.1%。

图8 高填方路基沉降随动荷载幅值变化曲线图

分析不同车辆荷载作用下模型的水平位移分布规律可知,随着车辆荷载幅值的增大,其水平位移绝对值出现明显的增大,但其整体变化规律基本一致,主要集中于两侧V型沟谷边坡及路基顶面处。且水平位移绝对值明显小于路基的竖向位移,在车辆荷载幅值分别为10 kPa、15 kPa、20 kPa、25 kPa时,其水平最大值分别为0.150 mm、0.216 mm、0.285 mm、0.343 mm。分析监测点10和监测点12(分别位于两侧V型沟谷边坡处,即路基填土与原状地基土交界面处)的水平位移随车辆荷载幅值的变化规律可知,高填方路基水平位移绝对值随着车辆荷载幅值的增大而增大,整体呈线性变化。

2.2 车辆荷载作用次数的影响

考虑到所依托的高速公路实际工程实际行车量较大,而长期的车辆荷载会导致高填方路基变形逐渐累加,最终引发路基破坏,故需要考虑车辆荷载循环作用次数对高填方路基的影响,并对长期车辆荷载的作用进行评估。采用上述路基模型,对其施加幅值为10 kPa,作用次数如表2所示的车辆荷载。设置从路基中央顶面至下在模型高度分别为35 m、25 m、15 m、5 m的4个监测点,其沉降值如后页表2所示。由表2可知,车辆荷载的作用次数对高填方路基的沉降影响极大,车辆荷载作用次数越多,其监测点沉降值越大,但是监测点沉降值的增长率不断降低,故沉降值最后逐渐趋于稳定。分析监测点1的监测数据,在车辆荷载作用次数为100时,其沉降值为6.99 mm;而当车辆荷载作用次数从7 000次增大至10 000次时,其沉降值仅增大了0.5 mm。

表2 不同车辆荷载作用次数下的沉降值一览表

3 结语

本文依托某高速公路实际工程,运用FLAC 3D软件,通过编写FISH语言对车辆荷载进行定义,根据数值仿真计算结果对车辆荷载作用下的高填方路基动力响应特性进行分析,研究其应力、位移的变化规律,在此基础上,进一步探讨了车辆荷载幅值和车辆荷载作用次数的影响,得到如下结论:

(1)车辆荷载作用下,高填方路基竖向应力绝对值出现明显的增大,但总体分布特征与静力状态基本一致;考虑到土体阻尼的作用,车辆荷载自路基顶面向下传递时会发生衰减,故其顶面监测点应力变化最为明显。

(2)原状地基土两侧V型沟谷边坡的存在,对路基填土起到“围箍”作用,限制了路基填土的沉降变形;而该边坡为路基填土与原状地基土的交界面,结构软弱,存在较大的水平位移,在车辆荷载作用下极易出现滑移现象。

(3)车辆荷载幅值越大,则该高填方路基的竖向应力、沉降值和水平位移绝对值也越大,但该三项因素在模型中的分布特性不会随着车辆荷载幅值的变化而变化。

(4)随着车辆荷载作用次数的增加,高填方路基沉降值不断增大,但其变化速率逐渐减小,故最终沉降值逐渐趋于平稳。