動荷載作用下路基沉降規(guī)律試驗(yàn)研究

李利飛，謝方媛，許道軍，張立釗

(河北工程大學(xué) 資源學(xué)院，河北 邯鄲056038)

在動荷載作用下，路基的變形特性已不能用靜力學(xué)的概念和指標(biāo)來表征，而表現(xiàn)為動態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系［1]。路基的動應(yīng)力特性是路基結(jié)構(gòu)動力設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，高速運(yùn)行的車輛對路基產(chǎn)生動力沖擊作用，直接影響其使用及耐久性能，而道路結(jié)構(gòu)的振動又對運(yùn)行車輛的平穩(wěn)性和安全性產(chǎn)生影響［2－4]。金雷［5]結(jié)合河南省嶺南高速公路路基施工工程，采用有限元分析軟件，研究了逐級填筑作用下路基沉降變形數(shù)值仿真技術(shù)，獲得了路基在各級荷載作用下的應(yīng)力、沉降數(shù)值圖形;王智猛［6]結(jié)合達(dá)成線的建設(shè)項(xiàng)目修建了埋設(shè)測試元件路基試驗(yàn)段，采用新型ZSS50循環(huán)加載設(shè)備，進(jìn)行了不同軸重列車動力作用下的循環(huán)加載試驗(yàn)，總結(jié)了路基的動態(tài)特性及沉降規(guī)律，并指出線路中線處路基動力響應(yīng)最小，總體上呈馬鞍形分布，這對路基設(shè)計(jì)參數(shù)的選取具有現(xiàn)實(shí)意義。本文以京－化高速公路二期路基施工工程為研究對象，借助有限元數(shù)值分析軟件ANSYS建立車－路耦合動力學(xué)模型，采用半正弦脈沖荷載模100 km/h、150 km/h兩種不同車速的汽車荷載，研究在不同車速荷載作用下路基的動力學(xué)特性及其工后沉降規(guī)律，以期為高速公路路基工程設(shè)計(jì)及施工提供有益參考。

1 工程概況

京化高速公路二期工程起于張家口市土木鎮(zhèn)，與一期工程順接，向西依次途經(jīng)懷來縣、涿鹿縣、下花園區(qū)、宣化縣，在膠泥灣處接張石高速公路，路線全長71.281 km，項(xiàng)目采用雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)行車速度100 km/h。

2 路基填料工程特性

2.1 路基填料的基本物理性質(zhì)

在京化高速公路沿線4個(gè)標(biāo)段分別取樣，編號分別為A、B、C、D，經(jīng)試驗(yàn)測定，各樣本均能滿足工程的使用要求［7－8]。其基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Indicators of the basic physical properties of soil samples

2.2 路基填料回彈模量試驗(yàn)

選取具有代表性的的土樣C進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度和最佳含水量用壓力機(jī)成型試樣，再進(jìn)行回彈模量的測定。試樣中粗顆粒含量分別為30%、50%、70%、90%。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，隨粗粒含量的增加，填料的回彈模量值增加。分析認(rèn)為，這是由于當(dāng)路基填料中粗顆粒含量小于30%時(shí)，顆粒含量都在0.2～5 mm范圍內(nèi)，以細(xì)顆粒為主，粗顆粒僅能懸浮于細(xì)料中，未能起到骨架作用，經(jīng)壓縮成型后強(qiáng)度較小;而當(dāng)粗顆粒含量大于30%時(shí)，5 mm以上粗顆粒能形成骨架作用，經(jīng)壓縮成型，強(qiáng)度較大。

3 動荷載作用下路基沉降規(guī)律研究

3.1 路基有限元模型

根據(jù)京化高速公路的設(shè)計(jì)，首先建立路基的有限元離散模型［9－10]，將路基視為三維實(shí)體，沿行車方向取22 m，取橫斷面一半進(jìn)行建模分析，路基采用SOLID45實(shí)體單元。在計(jì)算模型中xy平面為橫斷面，x軸為橫向，y軸為豎向，z軸為縱向(即行車方向)。材料計(jì)算參數(shù)如表2所示，路基斷面三維模型見圖2。

表2 材料計(jì)算參數(shù)Tab.2 The properties of material

3.2 動荷載作用下路基沉降數(shù)值模擬計(jì)算

基于建立的路基路面三維有限元分析模型，采用半正弦脈沖荷載來模擬汽車動荷載。根據(jù)路面設(shè)計(jì)規(guī)范，以雙輪組單軸載100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載進(jìn)行分析計(jì)算，即P0=100 kN，在100 km/h和150 km/h兩種速度、三車道三輛車作用下，對京化高速公路一典型路段進(jìn)行計(jì)算分析。

100次循環(huán)峰值后路基等效動應(yīng)力如圖3所示。可以看出，在相同的車輛循環(huán)荷載作用次數(shù)下，模擬試驗(yàn)車速不同，路基動應(yīng)力也存在明顯的差異。

車輛循環(huán)荷載作用下地基不同位置沉降見圖4。可以看出，路基沉降受速度效應(yīng)與加載循環(huán)效應(yīng)雙重因素的影響。首先，速度增加相當(dāng)于動荷載的加載峰值增加，動強(qiáng)度加大，故相應(yīng)的位移也增加;另外，在同一種車速荷載的作用下，隨著加載次數(shù)的增加，路基的豎向沉降同樣呈增大的趨勢，可知車輛循環(huán)次數(shù)也是影響路基沉降重要因素。

為表征不同車速下路基位移隨深度的變化趨勢，沿路基深度方向選擇5 個(gè)點(diǎn) a(5.50，5.50，－10.00)、b(5.50，2.50，－10.00)、c(5.50，0.00，－10.00)、d(5.50，4.50，－10.00)、e(5.50，3.50，－10.00)分析各點(diǎn)隨加載時(shí)間的位移變化(圖5)。

由圖5中a－e各點(diǎn)的位移變化可以看出，在本試驗(yàn)加載條件下，沿深度方向，路基沉降值呈減少的趨勢，沉降量極值點(diǎn)為a點(diǎn)，最大沉降量為9.624 cm，另外，c點(diǎn)的沉降量最小，為 0.697 cm，與a點(diǎn)沉降量的比值已很小，約為0.07。

4 結(jié)論

1)路基沉降受速度效應(yīng)與加載循環(huán)效應(yīng)雙重因素的影響。

2)動荷載作用下，沿深度方向路基的沉降呈減小的趨勢。

3)本循環(huán)荷載試驗(yàn)加載條件下，路基沉降量極值點(diǎn)位于循環(huán)荷載加載點(diǎn)正下方，最大沉降量約為9.624 cm。

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