降雨作用下非飽和土路基動載影響因素分析

宋 磊

(山西省交通科學(xué)研究院 太原 030006)

非飽和土路基的穩(wěn)定一直為公路工程界研究的熱點(diǎn)問題，而行車荷載和降雨入滲是影響路基穩(wěn)定的重要因素。近年來，國內(nèi)學(xué)者針對路基穩(wěn)定方面進(jìn)行了大量研究，但關(guān)于降雨入滲與行車荷載對路基穩(wěn)定影響的研究較少[1-2]?；诖?，本文以某高速公路的路基斷面為研究對象，運(yùn)用Geodtudio軟件建立二維數(shù)值模型，模擬了不同降雨強(qiáng)度、行車軸載和行車速度對壓實(shí)不足非飽和土路基的影響規(guī)律，以期為同類路基工程的防護(hù)工作提供參考與借鑒。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 工程算例及建立模型

依托某高速公路K25+160路基斷面為算例。該高速公路路堤填土高度為1.3 m，路堤邊坡為1∶1.5，地下水處于坡腳4.7 m以下，路基屬于黏土路基，頂部寬度為26 m，不考慮邊坡上骨架的防護(hù)作用。為了便于數(shù)值計(jì)算，試驗(yàn)采用有限元軟件Geodtudio建立軸對稱二維模型，結(jié)合文獻(xiàn)[3]用黏彈性模型來模擬路基土體的動力特性，計(jì)算不同條件下路基沉降和應(yīng)力變化情況，以表征路基承力性能。模型尺寸選取為30 m×30 m，該尺寸已明顯大于路基工作區(qū)范圍，故認(rèn)為模型為半無限空間體，具體情況如圖1所示。模擬計(jì)算的初始條件假定路面完全彈性，地層分界線與地下水位線水平，降雨全部入滲但未達(dá)到土壤允許入滲容量限值，通過降雨強(qiáng)度表示降雨邊界函數(shù)，不考慮降雨過程的地表積水現(xiàn)象，降雨入滲作用整個路基頂部。

圖1 路基有限元模型(單位：m)

由于文中研究對象為路基土的性狀，因此，將路面結(jié)構(gòu)中的面層、基層及底基層簡化為1層，同時進(jìn)行厚度加權(quán)處理。考慮到實(shí)際行車道存有壓實(shí)不足的現(xiàn)象，試驗(yàn)根據(jù)文獻(xiàn)[4]將病害區(qū)域的參數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)降低。通過實(shí)地勘測地質(zhì)情況，得到試驗(yàn)段模擬參數(shù)見表1。

表1 模擬參數(shù)

為真實(shí)模擬高速公路試驗(yàn)段的交通荷載情況，試驗(yàn)根據(jù)文獻(xiàn)[5]將行車荷載簡化為100(標(biāo)準(zhǔn)軸載)，128,157,185 kN 4種類型。考慮到重型軸載一般均采用高壓輪胎，故試驗(yàn)中將胎壓作為接地壓力。為便于計(jì)算并真實(shí)模擬車載的影響，試驗(yàn)過程中僅考慮后軸輪胎作用，選取雙輪單圓的接地形式，根據(jù)JTG D50-2017 《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》 中相關(guān)公式計(jì)算出單圓荷載的當(dāng)量圓直徑，并參考文獻(xiàn)[6-7]選取適合路況及行駛速度車輛放大系數(shù)。

2 路基動載影響因素分析

為研究降雨入滲作用下非飽和土路基的動載影響因素，試驗(yàn)擬定了不同工況，其主要參數(shù)如表2所示。其中降雨持續(xù)時間均設(shè)定為12 h，行車軸載加載次數(shù)均為5 000次，針對不同降雨強(qiáng)度、軸載和行車速度條件下的壓實(shí)不足路基進(jìn)行動載影響分析。

表2 模擬工況主要參數(shù)

2.1 降雨強(qiáng)度

以行車軸載100 kN、行駛車速80 km/h為例，通過對不同降雨強(qiáng)度作用下的非飽和土路基進(jìn)行數(shù)值分析，得到路基沉降與豎向應(yīng)力變化規(guī)律分別見圖2、圖3。

圖2 不同降雨強(qiáng)度下的路基沉降變化曲線

圖3 不同降雨強(qiáng)度下的路基豎向應(yīng)力變化曲線

由圖2可見，相同行車荷載和行駛車速共同作用下非飽和土路基的沉降隨著降雨強(qiáng)度的增大逐漸增大，路基沉降表現(xiàn)最為明顯的區(qū)域?yàn)閴簩?shí)不足病害處，其中病害兩端的最大沉降值為11 mm左右，而病害中心的最大沉降值約為5.1 mm；降雨強(qiáng)度0.4 mm/h與16 mm/h作用下路基的沉降差值僅為2.2 mm，表明相同行車軸載和行車速度情形下，降雨強(qiáng)度對非飽和土路基沉降影響較小。

由圖3可見，軸載作用下路基的豎向應(yīng)力均隨著降雨強(qiáng)度的增大逐漸增大，其中路基壓實(shí)不足病害處的豎向應(yīng)力也最為明顯，降雨強(qiáng)度0.4 mm/h與16 mm/h作用下路基的豎向應(yīng)力差值僅為8 kPa，表明相同行車軸載和行車速度情形下，降雨強(qiáng)度對非飽和土路基的豎向應(yīng)力影響也不明顯。

2.2 行車軸載

以降雨強(qiáng)度16 mm/h、行駛車速80 km/h為例，通過對不同行車軸載作用下的非飽和土路基進(jìn)行數(shù)值分析，得到最不利工況下路基沉降與豎向應(yīng)力變化規(guī)律分別見圖4、圖5。

圖4 不同行車軸載下的路基沉降變化曲線

圖5 不同行車軸載下的路基豎向應(yīng)力變化曲線

由圖4可見，相同降雨強(qiáng)度和行駛車速共同作用下非飽和土路基的沉降隨著行車軸載的增大逐漸增大，其中重載185 kN作用下病害兩側(cè)處的路基沉降值最為明顯，沉降值約達(dá)21 mm，而病害中心位置的路基沉降為10 mm；重載185 kN和標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN作用下路基沉降差值約為10 mm，說明行車軸載對非飽和土路基沉降影響比較明顯。

由圖5可見，非飽和土路基的豎向應(yīng)力均隨行車軸載的增大而增大，存在病害區(qū)域的豎向應(yīng)力表現(xiàn)最為明顯，重載185 kN和標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN作用下路基豎向應(yīng)力最大差值約40 kPa，說明行車軸載對路基豎向應(yīng)力影響顯著。

2.3 行車速度

以降雨強(qiáng)度16 mm/h、行車軸載100 kN為例，通過對不同行駛車速情形下的非飽和土路基進(jìn)行數(shù)值分析，得到最不利工況下路基沉降與豎向應(yīng)力變化規(guī)律見圖6、圖7。

圖6 不同行車速度下的路基沉降變化曲線

圖7 不同行車速度下的路基豎向應(yīng)力變化曲線

由圖6可見，相同降雨強(qiáng)度和行車軸載作用下非飽和土路基的沉降隨行車速度增大逐漸減小，路基沉降表現(xiàn)最明顯區(qū)域同樣為壓實(shí)不足病害處，各車速作用下路基的沉降值差較小，表明行車速度對非飽和土路基沉降基本沒有影響。

由圖7可見，路基豎向壓應(yīng)力隨著車速增大逐漸減小，且病害處路基豎向應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，各車速作用下路基的豎向應(yīng)力值差較小，說明行車速度對路基豎向應(yīng)力影響較小。

綜合上述分析可知，由于路基存在壓實(shí)不足病害，不同模擬工況中車輪處的路基沉降均最為明顯，車輪外側(cè)附近的路基都存在隆起現(xiàn)象，且車輪內(nèi)外兩側(cè)的路基沉降差較大，表明在重載作用下路基壓實(shí)不足區(qū)域易產(chǎn)生車轍病害；各工況中車輪外側(cè)附近路基均出現(xiàn)拉應(yīng)力，車輪處豎向應(yīng)力表現(xiàn)最為明顯。

3 結(jié)論

1) 隨著降雨強(qiáng)度、行車軸載的增大，非飽和土路基的沉降與豎向應(yīng)力均逐漸增大，降雨強(qiáng)度對路基影響減小，行車軸載對路基影響較為明顯，故對于超載現(xiàn)象嚴(yán)重的高速公路，應(yīng)適當(dāng)提高路基設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

2) 非飽和土路基的沉降和豎向應(yīng)力隨著行車速度增大逐漸減小，但行車速度的影響較小。

3) 由于路基存在壓實(shí)不足病害，不同工況中路基沉降和豎向應(yīng)力最大值均發(fā)生在車輪處，車輪內(nèi)外側(cè)沉降和豎向應(yīng)力差異明顯，表明重載下路基壓實(shí)不足區(qū)域易產(chǎn)生車轍病害，故施工中應(yīng)注重路基壓實(shí)質(zhì)量均勻性。