青藏公路路基路面不均勻變形有限元計(jì)算分析★

李洪蛟 吳婷婷

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 100022)

1 不均勻變形的影響因素

凍土融沉引起的青藏公路的不均勻變形主要受以下四方面的因素影響。

1.1 路基

1)填土高度。

青藏公路是瀝青路面，瀝青路面有很強(qiáng)的吸熱作用，路基高度越高，路基內(nèi)部吸收的熱量就越多，而且填土高度越高，熱量越不容易散失，因此就導(dǎo)致部分熱量常年聚集在高填土路基內(nèi)部，如果不及時(shí)處治就會(huì)引起多年凍土的熱融下沉，路基內(nèi)部聚集的熱量會(huì)使凍土產(chǎn)生融化區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致路基的不均勻沉降變形[1]。

2)土體容重。

土體的自重和容重成正比關(guān)系，土體的自重隨容重的增減而增減。在高填土路堤段，土體的容重越大就會(huì)越增加天然地基土體的承重，尤其在季節(jié)活動(dòng)層軟弱，路基內(nèi)部存在融化夾層的路段，很容易引起路基的不均勻沉降變形。

3)填土力學(xué)性質(zhì)。

青藏公路無(wú)論是在新建還是在改建過(guò)程中，一直處在經(jīng)濟(jì)條件與施工條件貧乏的情況下，施工機(jī)械不夠完備，環(huán)境條件影響大，都會(huì)導(dǎo)致路基填筑不均勻，壓實(shí)度指標(biāo)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)，造成施工過(guò)程中壓實(shí)不均勻;青藏公路一直以來(lái)路基防護(hù)工程不完善，很多路段甚至沒有路基防護(hù)工程。因此，在特殊的地理位置和環(huán)境條件下造成路基和路面的損壞。

1.2 季節(jié)活動(dòng)層

青藏公路路基基底的季節(jié)活動(dòng)層大部分為亞粘土，這種土質(zhì)受水的影響很大，含水率是影響季節(jié)活動(dòng)層性質(zhì)的關(guān)鍵因素。青藏公路的路基、路面防水和排水設(shè)施不完善，路基兩側(cè)常年積水，其季節(jié)活動(dòng)層含水率過(guò)大，土體變得異常松軟，其模量也大幅度下降，最終影響了原天然地基的承載能力，此時(shí)的土質(zhì)具有更大的變形性和可壓縮性，導(dǎo)致路基產(chǎn)生不均勻沉降變形，到冬季嚴(yán)寒季節(jié)，含水率大的土質(zhì)產(chǎn)生凍脹，導(dǎo)致土體膨脹，經(jīng)過(guò)凍脹融沉的反復(fù)作用，路基路面最終產(chǎn)生不均勻變形。

1.3 多年凍土融化區(qū)

根據(jù)前期的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，在楚瑪爾河地段多年凍土融化區(qū)的融化深度為2 m～3.6 m，近些年年平均地溫逐漸升高，多年凍土層普遍存在著上限下移的現(xiàn)象，尤其再加上水的影響，就產(chǎn)生了以融沉為主的公路路基病害，其融化深度越深，融化范圍越大，對(duì)不均勻變形的影響就越大。

1.4 多年凍土層狀態(tài)

隨著年平均地溫的升高，多年凍土就變得十分脆弱，再加之在建設(shè)過(guò)程中人為的擾動(dòng)，就會(huì)加速凍土的融化速率。所以，多年凍土的年平均地溫是地質(zhì)條件劃分時(shí)最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[2，3]。

多年凍土的分布類型、年平均地溫、水文地質(zhì)等因素造成了青藏公路路基路面錯(cuò)綜復(fù)雜，為此預(yù)防處治路基路面的不均勻變形要綜合考慮[4]。

2 有限元模型的建立

本文主要針對(duì)青藏公路路基兩側(cè)坡腳積水，路基填土高度不一，原天然地表呈現(xiàn)波浪起伏，存在融化夾層的特殊路段進(jìn)行分析。

2.1 不均勻變形計(jì)算模型

針對(duì)存在融化夾層情況的路基路面建立模型，其主要模型參數(shù)為:路基頂面寬度為10 m，邊坡坡率為1∶1.5，路基高度范圍采用0.5 m～3 m進(jìn)行分析，季節(jié)活動(dòng)層厚度為2 m;融化夾層深度范圍為凍土上限下2 m～3.6 m，其融化夾層半徑為4.5 m，地基寬度取路基兩側(cè)坡腳外10 m[5]，在進(jìn)行有限元模型計(jì)算時(shí)，融沉區(qū)形狀設(shè)為矩形，路基單元采用平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析，建立對(duì)稱的二維有限元模型，如圖1所示。

2.2 模型參數(shù)

在進(jìn)行有限元的模型計(jì)算過(guò)程中需要分析的參數(shù)及各參數(shù)取值如表1所示[6]。

表1 參數(shù)取值表

由于土體模量受水和溫度等的影響，會(huì)產(chǎn)生一定范圍的變化，此值為一定范圍的值。

3 計(jì)算方案

在保證正確、全面分析的前提下，為精簡(jiǎn)計(jì)算工作量，首先采用正交試驗(yàn)對(duì)各模型計(jì)算參數(shù)進(jìn)行組合分析。根據(jù)JTG D50-2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范以及經(jīng)驗(yàn)取值得出各影響因素的參數(shù)范圍。采用五因素五水平進(jìn)行分析，如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)分析表

根據(jù)上述計(jì)算方案的分析，分別得到25種工況下，在橫向不均勻變形情況下的基層層底附加應(yīng)力以及在縱向不均勻變形情況下不均勻變形波幅的情況。

通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果中車輛荷載作用下的基層層底荷載應(yīng)力與不均勻變形引起的附加應(yīng)力之和，分別與不同年限下基層層底容許彎拉應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比分析，可最終得出，在設(shè)計(jì)年限內(nèi)路面基層層底幾乎都會(huì)產(chǎn)生拉裂破壞，有的甚至在運(yùn)營(yíng)的前兩年就產(chǎn)生破壞。

把計(jì)算結(jié)果通過(guò)Origin進(jìn)行回歸分析后，可得出各因素之間的關(guān)系式:

其中，H為路基填土高度，m;h為融化深度，m;E1為路基填土模量，MPa;Ej為季節(jié)活動(dòng)層模量，MPa;Er為融化區(qū)模量，MPa。

通過(guò)計(jì)算可得，青藏公路路基路面縱向不均勻變形波幅的范圍為0.6 cm ～7.2 cm。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)青藏公路路基路面不均勻變形的特點(diǎn)、產(chǎn)生原因及影響因素，建立有限元模型，并通過(guò)ABAQUS有限元計(jì)算得出了縱向不均勻變形波幅與各模型參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系式，并通過(guò)以上分析可得基層層底大部分在第六年就會(huì)產(chǎn)生拉裂破壞。

[1] 王紹令，趙 林，李述訓(xùn)，等.青藏公路多年凍土段瀝青路面熱量平衡及路基穩(wěn)定性研究[J].冰川凍土，2001，23(2):111-118.

[2] 吳紫汪，程國(guó)棟，朱林楠，等.凍土路基工程[M].蘭州:蘭州大學(xué)出版社，1988.

[3] 竇明健，胡長(zhǎng)順.多年凍土地區(qū)路基設(shè)計(jì)原則及其應(yīng)用[J].冰川凍土，2001，23(4):402-406.

[4] 溫 智，盛 煜.退化性多年凍土地區(qū)公路路基地溫和變形規(guī)律[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(7):1477-1483.

[5] 楊蓓蓓.多年凍土地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文，2005.

[6] 裴建中.多年凍土地區(qū)路基縱向裂縫形成機(jī)理及處治對(duì)策研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)博士論文，2004.