交通荷載作用下低填道路軟土地基的動(dòng)力響應(yīng)分析

張 浩，楊 玲，郭院成

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.鄭州市市政設(shè)施維修建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450000)

交通荷載作用下低填道路軟土地基的動(dòng)力響應(yīng)分析

張 浩1，楊 玲2，郭院成1

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.鄭州市市政設(shè)施維修建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450000)

為了揭示交通荷載對(duì)低填道路下臥軟土地基的動(dòng)力影響規(guī)律，對(duì)軟土地基的動(dòng)孔隙水壓力進(jìn)行了現(xiàn)場測(cè)試，分析了不同上部路堤厚度和行車速度工況下地基孔隙水壓力的分布規(guī)律，并據(jù)此借助數(shù)值模擬對(duì)長期交通荷載作用下軟土地基的附加沉降進(jìn)行計(jì)算分析.結(jié)果表明：上部路堤結(jié)構(gòu)對(duì)交通荷載的動(dòng)力激勵(lì)具有消減作用，填筑厚度越小，下臥軟土地基的動(dòng)力響應(yīng)越明顯，且隨著深度的增加動(dòng)孔隙水壓力呈衰減趨勢(shì)，長期交通荷載作用下軟土地基的附加沉降呈近似指數(shù)型非線性增長.

低填路堤；交通荷載；動(dòng)力響應(yīng)；動(dòng)孔隙水壓力；軟土地基

0 引言

道路建設(shè)中高填方路堤往往存在用地緊張問題，伴隨節(jié)能省地型建設(shè)政策的不斷深化，我國部分城市和地區(qū)已在道路工程中采取低填路堤設(shè)計(jì)方案，如江蘇連鹽高速連云港段即采用了低路堤結(jié)構(gòu)，路堤填土高度為1.56～1.68 m[1].路堤高度的降低客觀上降低了結(jié)構(gòu)自重荷載，有利于工程建設(shè)中對(duì)路基穩(wěn)定與沉降的控制，但下臥地基中一部分軟土層將位于車輛荷載作用的深度范圍內(nèi)，受車載附加荷載影響將產(chǎn)生新沉降變形，且伴隨運(yùn)營時(shí)間的增長，勢(shì)必出現(xiàn)較大工后沉降問題，造成安全隱患.例如：日本道路協(xié)會(huì)對(duì)交通荷載作用下低路堤軟土地基的沉降實(shí)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，開放交通后附加沉降達(dá)10～15 cm，約為建設(shè)期沉降量的一半[2]；另一條建在靈敏性軟土上的高速公路開放交通4 a后產(chǎn)生70 cm的附加沉降[3].由此可見，交通荷載作用下低填路堤軟土地基的動(dòng)力響應(yīng)與長期累積變形效應(yīng)顯著，且嚴(yán)重影響交通設(shè)施的耐久性和線路的安全運(yùn)營.

交通循環(huán)荷載作用下路基的動(dòng)力特性，是引起道路運(yùn)行條件惡化的關(guān)鍵因素.因此，有必要對(duì)交通循環(huán)荷載作用下路基(尤其是軟黏土路基)的動(dòng)力特性開展研究.目前，該方面研究多采用室內(nèi)試驗(yàn)[4-5]、理論解析計(jì)算[6-7]、數(shù)值模擬[8-10]和現(xiàn)場實(shí)測(cè)[11-13]等方法.其中，室內(nèi)試驗(yàn)多采用動(dòng)三軸或循環(huán)剪切試驗(yàn)?zāi)M軟土的循環(huán)受荷效應(yīng)，便于揭示循環(huán)荷載作用下軟土的變形特性和軟化效應(yīng)，但仍存在材料相似性和尺寸效應(yīng)等問題；理論解析計(jì)算則往往需要一定的簡化假定，其表達(dá)式亦相對(duì)復(fù)雜，求解往往需要專業(yè)的計(jì)算軟件，故而不利于工程人員應(yīng)用；數(shù)值模擬可以較全面地考慮各因素的影響，是工程分析與理論計(jì)算的常用方法；現(xiàn)場實(shí)測(cè)能直觀地反映交通荷載的作用情況，且較真實(shí)地揭示土體動(dòng)力響應(yīng)的演化規(guī)律[1,14]，但往往受到實(shí)驗(yàn)工況與條件限制，相關(guān)的現(xiàn)場監(jiān)測(cè)實(shí)例并不多見.

據(jù)此，筆者以江蘇某沿江城市道路為背景，通過對(duì)低填路段下臥軟土層中動(dòng)孔隙水壓力的現(xiàn)場監(jiān)測(cè)，揭示行車荷載作用下低填路堤軟土地基的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律.并在此基礎(chǔ)之上，考慮運(yùn)營期交通荷載的長期作用，對(duì)路基附加沉降變形進(jìn)行了計(jì)算分析，為工后沉降控制提供依據(jù).

1 現(xiàn)場試驗(yàn)分析

1.1 工程概況

江蘇某沿江城市道路受城區(qū)高程整體控制，局部采用低填路堤結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h.考慮線路區(qū)域淺表層有軟弱地基土層露出，設(shè)計(jì)采用60 cm碎石土一次拋填的基底處置方案，低填路段在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行路堤、路床和路面結(jié)構(gòu)層施工，典型斷面如圖1所示.

圖1 路堤斷面示意圖(單位：cm)Fig.1 Road embankment sectional drawing

考慮到路堤結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與穩(wěn)定性要求，路堤與路床采用5%～8%的石灰改良土填筑，路面結(jié)構(gòu)層分別為15 cm瀝青面層、32 cm水泥穩(wěn)定碎石基層和18 cm二灰底基層.下部地基土層主要為淤泥質(zhì)亞黏土層、亞砂土和粉砂，局部呈現(xiàn)淤泥質(zhì)黏土層與粉砂的交互分布.其中淤泥質(zhì)亞黏土層上覆較薄硬殼層(0.8～3.2 m)，呈流塑狀，力學(xué)性能較差，為道路沿線主要不良土層，其物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示.

表1 淤泥質(zhì)亞黏土物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical indexes of silt clay

1.2 試驗(yàn)方案

為了直觀揭示路堤軟土地基在交通荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，現(xiàn)場通過埋設(shè)動(dòng)孔隙水壓力對(duì)3個(gè)典型斷面基底軟土地基的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè).其中，斷面A、斷面B和斷面C軟基上覆路堤結(jié)構(gòu)整體厚度(路面結(jié)構(gòu)+路床+路基填筑+基底碎石層)分別為2.05、2.45、3.55 m，其相應(yīng)動(dòng)孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)如圖2和表2所示，主要分布于路堤基底以下7 m范圍內(nèi)軟土層中.

為了提高測(cè)試精度，地基淺層(<4 m)采用微型動(dòng)孔隙水壓力計(jì)，如圖3所示.試驗(yàn)采用了DH-3817動(dòng)靜應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)試行駛車輛采用標(biāo)準(zhǔn)配重車(后軸重100 kN，寬1.8 m)，測(cè)試速度分別為60、80 km/h，以考慮行車速度對(duì)軟基動(dòng)力響應(yīng)的影響.

圖2 孔壓力計(jì)埋設(shè)示意圖Fig.2 Burying position of piezometers

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圖3 現(xiàn)場動(dòng)孔隙水壓力計(jì)Fig.3 Pictures of piezometers

1.3 測(cè)試結(jié)果分析

行車速度分別為60和80 km/h時(shí)3個(gè)測(cè)試斷面的動(dòng)孔隙水壓力濾波時(shí)程曲線如圖4和圖5所示.其中，斷面A中10 m埋深處的動(dòng)孔隙水壓力計(jì)由于導(dǎo)線受施工影響損壞，而無法正常采集數(shù)據(jù)，其它斷面各孔壓計(jì)測(cè)試正常.從測(cè)試結(jié)果可以看出，在行車荷載作用下,路堤下臥軟土地基淺層處動(dòng)力響應(yīng)比較明顯，且動(dòng)孔隙水壓力出現(xiàn)雙峰值的現(xiàn)象，通過分析認(rèn)為,這應(yīng)該是由測(cè)試車輛前、后軸逐次通過引起的.

考慮軟土地基上部路堤結(jié)構(gòu)整體厚度的影響，從圖4和圖5可以看出：隨著路堤結(jié)構(gòu)整體厚度的增加，動(dòng)孔隙水壓力峰值逐漸減小，且峰值曲線由較為明顯逐漸變得平滑，動(dòng)孔壓的消散速度也逐漸變慢，相對(duì)荷載具有一定的滯后性；隨著距離路面深度的增加，前軸軸載作用產(chǎn)生的第一峰值逐漸減小，直至與后軸對(duì)應(yīng)的第二峰值共同形成一個(gè)平滑峰值曲線，這說明車輛對(duì)下臥軟土地基產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力隨著深度的增加而迅速衰減，且較深處的土體表現(xiàn)出一定的滯后效應(yīng).

圖4 行車速度60 km/h時(shí)各斷面測(cè)試結(jié)果

圖5 行車速度80 km/h時(shí)各斷面測(cè)試結(jié)果

考慮不同行車速度的影響，從圖4和圖5中可以看出：行車速度60 km/h時(shí)的動(dòng)孔隙水壓力濾波時(shí)程曲線與80 km/h時(shí)的分布特點(diǎn)基本一致，僅動(dòng)孔壓峰值略有降低.這主要是由于路面平整度良好，車速變化對(duì)車輛所受動(dòng)力激勵(lì)的影響不明顯，從而使其施加于路基的動(dòng)力變化不顯著.

2 長期附加沉降的計(jì)算分析

長期交通循環(huán)荷載作用下軟土地基的附加沉降是其動(dòng)力響應(yīng)的宏觀表征，直接影響著道路運(yùn)營時(shí)的舒適度和可靠性.據(jù)此，為了進(jìn)一步揭示長期交通循環(huán)荷載對(duì)路堤下臥軟土地基的動(dòng)力影響，采用數(shù)值分析的方法對(duì)地基附加沉降進(jìn)行計(jì)算分析.

以斷面B為基礎(chǔ)，采用ABAQUS有限元軟件建立簡化平面計(jì)算模型，考慮交通荷載影響，模型寬度30 m，深度15 m；車輛荷載取設(shè)計(jì)規(guī)范中單軸雙輪100 kN，軸長1.8 m，車速60 km/h.為更好地反映交通荷載對(duì)下臥軟土地基的影響，根據(jù)上述現(xiàn)場實(shí)測(cè)結(jié)果，采用半正弦波形近似模擬行車荷載作用，即僅考慮行車荷載的時(shí)間效應(yīng).根據(jù)勘察土工試驗(yàn)結(jié)果，各結(jié)構(gòu)層計(jì)算參數(shù)如表3所示.其中，為建模網(wǎng)格劃分方便，將瀝青混凝土面層、水泥穩(wěn)定碎石基層和二灰土底基層簡化為一層等效彈性材料作為路面結(jié)構(gòu)層.

圖6為單次行車荷載作用時(shí)路基應(yīng)力與位移云圖，當(dāng)作用荷載達(dá)到最大時(shí)，沿深度提取車軸中心對(duì)應(yīng)位置不同深度處的豎向應(yīng)力如圖7所示.綜合圖6和圖7可以看出，交通荷載影響較明顯的區(qū)域約為3～5 m.其中，在路面下約5.25 m處的豎向應(yīng)力約為路面頂豎向應(yīng)力的5%，且豎向位移的分布亦呈衰減的分布特征.

表3 各結(jié)構(gòu)層計(jì)算參數(shù)Tab.3 Calculation parameters of each layer

圖6 單次行車作用計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results after once traffic load

圖7 豎向應(yīng)力與深度的關(guān)系Fig.7 Relationship between vertical stress and depth

考慮荷載循環(huán)次數(shù)對(duì)軟土地基附加沉降的影響，分別對(duì)循環(huán)次數(shù)為3 000、300 000、600 000、1 000 000時(shí)的附加沉降變形進(jìn)行計(jì)算，如圖8所示.從圖8可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，附加沉降隨之增大.交通循環(huán)次數(shù)不同，沉降量增大的速度不同，即開始階段累計(jì)附加沉降量增大較快，但隨著循環(huán)作用次數(shù)的增加，累計(jì)附加沉降量增大幅度趨勢(shì)逐漸減緩.據(jù)此，根據(jù)道路設(shè)計(jì)交通量、車輛組成、交通增長率，結(jié)合設(shè)計(jì)使用年限，通過換算車道累計(jì)當(dāng)量軸次，即可對(duì)道路運(yùn)營期的附加沉降變形進(jìn)行估算，從而為工后沉降控制提供依據(jù).

圖8 循環(huán)次數(shù)與軟土地基累積沉降關(guān)系Fig.8 Relationship between cycle numbers and accumulated settlement

3 結(jié)論

1)上部路堤結(jié)構(gòu)對(duì)交通荷載動(dòng)力激勵(lì)具有一定的消減作用，下臥軟土地基動(dòng)孔隙水壓力隨路堤結(jié)構(gòu)整體厚度的降低而增大，低填路堤軟土地基的交通動(dòng)力響應(yīng)不容忽視.

2)相同路堤結(jié)構(gòu)層工況下，下臥軟土地基動(dòng)孔隙水壓力隨深度增加呈衰減變化趨勢(shì)，且動(dòng)孔隙水壓力時(shí)程曲線越來越平滑，由雙峰曲線逐漸均化為平滑曲線.

3)長期交通荷載作用下，軟土地基附加沉降隨行車荷載作用次數(shù)的增加呈近似指數(shù)型非線性增長.

[1] 趙俊明,劉松玉,石名磊,等. 交通荷載作用下低路堤動(dòng)力特性試驗(yàn)研究[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007,37(5):921-925.

[2] 日本道路協(xié)會(huì).道路土工軟土地基處理技術(shù)指南[M].蔡思捷，譯.北京:人民交通出版社,1989.

[3] TASHIRO M, NODA T, INAGAKI M, et al. Prediction of settlement in natural deposited clay ground with risk of large residual settlement due to embankment loading [J].Soils and foundations, 2011,51(1):133-149.

[4] 霍海峰,雷華陽. 靜動(dòng)應(yīng)力下正常固結(jié)黏土循環(huán)特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015,34(6):1288-1294.

[5] HSU C C, VUCETIC M. Threshold shear strain for cyclic pore-water pressure in cohesive soils[J].Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, 2006,132(10):1 325-1 335.

[6] JING N, BUDDHIMA I, XUE Y G, et al. Model of soft soils under cyclic loading[J].International journal of geomechanics, 2015, 15(4):1-10.

[7] 李興照,黃茂松. 循環(huán)荷載作用下流變性軟黏土的邊界面模型[J].巖土工程學(xué)報(bào), 2007,29(2):249-254.

[8] 牛力強(qiáng). 交通荷載作用下港區(qū)道路受力特性研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2014,35(6): 95-99.

[9] 陳劍,蘇躍宏. 交通荷載作用下公路路基動(dòng)力特性的數(shù)值模擬研究[J].公路交通科技, 2011, 28(5):44-48.

[10]SUIKER A S J, BORST R D E. A numerical model for the cyclic deterioration of railway tracks[J].International journal for numerical methods in engineering, 2003,57(4): 441-470.

[11]SAMANG L, MIURA N, SAKAI A. Long-term measurements of traffic load induced settlement of pavement surface in Saga airport highway, Japan[J].Journal teknik sipil, 2005, 12(4):275-286.

[12]FUJIKAWA K, MIURA N,BEPPU I. Field investigation on the settlement of low embankment road due to traffic load and its prediction[J].Soils and foundations, 1996, 36(4):147-153.

[13]崔新壯. 交通荷載作用下黃河三角洲低液限粉土地基累積沉降規(guī)律研究[J].土木工程學(xué)報(bào), 2012, 45(1): 154-162.

[14]CHAI J C, MIURA N. Traffic-load-induced permanent deformation of road on soft subsoil[J].Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, 2002, 128(11):907-916.

Analysis of Dynamic Response of Soft Soil Foundation Beneath Low Embankment under Traffic Load

ZHANG Hao1, YANG Ling2, GUO Yuancheng1

(1.School of Civil Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2.Zhengzhou Municipal Facilities Maintenance and Construction Co.,Ltd, Zhengzhou 450000, China)

In order to reveal the dynamic response rules of soft soil foundation beneath low embankment under traffic load, the in-situ tests for the dynamic pore water pressure in soft soil stratum were conducted. The distribution laws of pore water pressure under different embankment thickness and different running speed were analyzed. In addition, the additional settlement of soft soil stratum under long-term traffic load was analyzed by numerical simulation. The results showed that embankment fills could reduce the dynamic effect of traffic load. The dynamic response of underling soft soil foundation increased with the decrease of the embankment thickness, and the dynamic pore water pressure declined with the depth increases. Moreover, the long-term addition settlement of soft soil foundation could be expressed as exponential function of time under traffic load.

low embankment; traffic load; dynamic response; dynamic pore water pressure; soft soil foundation

1671-6833(2017)01-0011-05

2015-09-06；

2015-10-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272132)；南京市交通科技資助項(xiàng)目(寧交安2009-22-18)

張浩(1985— )，男，河南永城人，鄭州大學(xué)講師，博士，主要從事地基與基礎(chǔ)工程研究，E-mail:tmzhanghao@zzu.edu.cn.

TU413.6

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.04.027