摘要:以大粒径土石混填路基施工为研究对象,采用有限元软件模拟分析该方法对路基处理效果,并对相关参数影响进行分析,得到以下结论:大粒径块石的存在不会对路基的应力和位移的分布造成影响,且按照一定的方法采用大粒径块石填筑路基时的路基抵抗变形能力要强于无块石路基;随着径块石间净距的增大,路基沉降呈现出先减小后增大的变化趋势,最佳块石净距为1.5倍的块石粒径;随着块石距路基顶面垂直距离的增大,路基沉降呈现出逐渐减小的趋势,块石距路基顶面垂直距离应宜不小于2.5m;工程中若采用双层或多层大粒径土石混填料填筑路基时,应采用块石上下错位放置的方式。
关键词:路基应力和位移;路基填筑;大粒径块石;数值模拟
0 引言
山区高速公路修筑过程中,材料运输较为困难,而山体破碎过程中,会产生大量的大粒径块石(粒径集中在60~80cm之间),如何做到就地取材,将大粒径块石应用到路基填筑施工当中极为重要[1-3]。
近年来,国内学者对此进行了一系列研究。商浩乾等[4]以某土石混填路基施工为研究对象,重点对施工工艺流程进行分析,结果表明该施工技术满足指标控制要求。陈思远等[5]以某陡坡段高速公路路基填筑为研究对象,采用PFC3D有限元软件分析了土石混填路基施工效果,结果表明陡坡坡度对土石混填路基压实质量影响最大,其次是含石量,最小的是循环加载遍数。黄先昌等[6]提出了一种新的土石混填路基沉降变形预测模型,结果表明该预测方法在实际工程中应用良好,且在相同的参数条件下,得到的拟合曲线误差越小,数据预测的准确度就越高。
本文以大粒径土石混填路基施工为研究对象,采用有限元软件模拟分析了该方法对路基处理效果,并对相关参数影响进行了分析,研究结果可为类似工程设计和施工提供借鉴。
1 研究背景
某山区高速公路高填方路基工程,路基填料需求量较大,且土方内运成本较为高昂。路堑开挖产生了较多大粒径块石,而将这些大粒径块石合理的应用到路基修筑当中,则对于节省成本、加快施工进度具有重要的意义。
当前,现有的规范要求路基土石回填料块石最大粒径应不超过50cm,对于超过这一规定的块石需进行破碎然后才能使用。由于这些块石普遍较为坚硬,且具备较强的抗风化能力,粉碎难度通常较大。
为了研究直接将大粒径块石进行回填利用是否可靠,拟采用数值模拟的方法进行研究,路基断面示意图如图1所示。需要指出的是大粒径块石粒径集中在60~80cm之间,本文以粒径为70cm为研究对象。
2 研究方法
如图2所示,本节采用大型有限元软件ABAQUS建立数值模型。模型顶部路基宽度为20m,路基高度为6m,路基两侧边坡坡率均为1:1.5,模型整体宽度为60m,高度为20m。块石分为上下两层布设,上下交错放置且两层埋深分别为2.5m和3.5m,块石的粒径为70cm,块石间水平间距取1.5倍的块石粒径。
模型建模均采用实体单位模拟,模型除上边界外,其他边界均进行位移约束,模型均采用摩尔-库伦本构模型,表1给出了相关材料的物理力学参数。
3 研究结果分析
为了对大粒径块石的应用效果进行分析,本文共设置两种工况,工况1为不含大粒径块石,工况2为含大粒径块石。
3.1 不同工况下路基竖向应力与位移分析
3.1.1 ZBglWZAmXZKulBLo1mb0cw==;路基竖向应力
两种不同工况下的路基竖向应力云图如图3所示。由图3可知,两种不同工况下的路基受力整体表现为压应力,且无大粒径块石工况下的路基整体应力略高于有块石时。工况2时的块石周围出现小范围的应力集中现象。
3.1.2 路基最大竖向和水平位移
两种不同工况下的路基最大竖向和水平位移模拟结果如表2所示。由表2可知,两种不同工况下的路基沉降变形规律基本一致且分布较为均匀,均在路基中心沉降值最大。对于无块石时,路基最大沉降值为71.17mm;对于有块石时,路基最大沉降值为70.42mm,大粒径块石的存在一定程度上还减小了路基最大沉降。
两种不同工况下的路基水平位移规律同样基本一致,均在路基两侧坡脚附近水平位移值最大。其中无块石时,路基最大水平位移值为13.11mm。而有块石时,路基最大沉降值为13.14mm,二者基本无差异。
综上可知,大粒径块石的存在不会对路基的应力和位移的分布造成影响,且采用含大粒径块石时路基的最大沉降一定程度上略有减小。
3.2 不同工况下的路基沉降监测分析
相比于水平位移,路基的竖向位移对于路基的整体稳定性和功能发挥更加重要。为了更加具体的大粒径块石存在对路基竖向位移的影响,通过监测得到了两种不同工况下的路基沉降对比曲线,如图4所示。
由图4可知,工况2下的路基沉降整体比工况1时要小,即按照一定的方法采用大粒径块石填筑路基时的路基抵抗变形能力要强于无块石路基。
3.3 相关参数影响分析
为了对影响大粒径土石混填料路基变形的因素进行分析,本节通过控制变量的方法分析了块石间净距、距路基顶面垂直距离以及块石上下放置方式等因素对路基沉降的影响。
3.3.1 大粒径块石间净距的影响
大粒径块石间净距对路基沉降影响曲线如图5所示。由图5可知,随着径块石间净距的增大,路基沉降呈现出先减小后增大的变化趋势,在净距取1.5倍的块石粒径时路基沉降最小,说明最佳块石净距取1.5D(D为块石粒径)。
3.3.2 大粒径块石距路基顶面垂直距离的影响
大粒径块石距路基顶面垂直距离对沉降影响曲线如图6所示。由图6可知,随着块石距路基顶面垂直距离的增大,路基沉降呈现出逐渐减小的趋势,且减小速率逐渐放缓,在块石距路基顶面垂直距离大于2.5m后路基沉降基本趋于稳定。工程中块石距路基顶面垂直距离宜不小于2.5m。
3.3.3 块石上下放置方式的影响
为了探究双层大粒径块石情况下块石上下放置方式的影响,文中设定了上下重叠放置和上下错位放置两种不同放置方式,得到块石上下放置方式对路基沉降影响曲线,如图7所示。由图7可知,相比于块石上下重叠放置,采用块石上下错位放置时路基沉降整体略有减小,即在工程中若采用双层或多层大粒径块石时,应采用块石上下错位放置的方式。
4 结束语
本文以大粒径土石混填路基施工为研究对象,采用有限元软件模拟分析了该方法对路基处理效果,并对相关参数影响进行了分析,得到以下结论:
大粒径块石的存在不会对路基的应力和位移的分布造成影响,且按照一定方法采用大粒径块石填筑路基时的路基抵抗变形能力,要强于无块石路基。
随着径块石间净距的增大,路基沉降呈现出先减小后增大的变化趋势,最佳块石净距为1.5倍的块石粒径。
随着块石距路基顶面垂直距离的增大,路基沉降呈现出逐渐减小的趋势,且减小速率逐渐放缓,工程中块石距路基顶面垂直距离宜不小于2.5m。
若采用双层或多层大粒径土石混填料填筑路基时,应采用块石上下错位放置的方式,具体应用到工程中时则需要进行进一步试验确定。
参考文献
[1] 王雄.公路施工中的土石混填路基施工技术分析[J].运输经理世界,2022(33):53-55.
[2] 田建樑.高速公路土石混填路基施工控制技术[J].四川建材,2020,46(1):222+224.
[3] 庄锦祥.市政道路土石混填路基施工技术研究[J].江西建材,2022(9):228-230.
[4] 商浩乾.公路工程中土石混填路基施工技术的应用分析[J].交通世界,2020(12):34-35+67.
[5] 陈思远,武小菲,姜宏,等.陡坡地段土石混填路基压实特性研究[J]. 路基工程,2022(4):57-63.
[6] 黄先昌.土石混填路基沉降变形数据预测模拟研究[J].西部交通科技,2021(1):93-97.