高速公路拓寬段路基填土參數(shù)變化下的力學(xué)行為分析

陳 超

（新疆交通科學(xué)研究院，烏魯木齊 830001）

1 引言

近些年隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 高速公路原有的設(shè)計通行能力已經(jīng)不能滿足日益增長的交通需求。為了滿足交通量的需求和提高高速公路服務(wù)水平, 亟需對原有高速公路進(jìn)行拓寬改建。 高速公路改擴(kuò)建工程由于新老路基填土固結(jié)程度不同, 將會導(dǎo)致新老路基產(chǎn)生差異沉降和損傷應(yīng)力, 繼而反映在路基頂面造成路面的病害,嚴(yán)重影響道路的使用性能。 尤其當(dāng)拓寬路基直接修筑于未經(jīng)處治的天然地基上時, 新老路基差異沉降與損傷應(yīng)力更加明顯。 相關(guān)文獻(xiàn)對新老路 基拼接中差異沉降的機(jī)理和影響因素進(jìn)行了研究。 范紅英等利用有限元研究了高速公路加寬方式對沉降的影響[1]；陳磊,章定文等對高速公路加寬過程中的沉降規(guī)律、 變形特點進(jìn)行了分析[2-4]；傅珍、閆強(qiáng)等對高速公路路基差異沉降標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究[5-7]。以上學(xué)者對高速公路差異沉降的拓寬方式、影響因素、沉降規(guī)律、沉降標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,但對于高速公路改擴(kuò)建工程中不同路基填土參數(shù)下的力學(xué)行為缺乏深入研究。 因此,本文針對不同路基填土參數(shù)下的拓寬路基,采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析,研究總結(jié)了不同路基填土參數(shù)下拓寬路基的豎向位移、水平位移、豎向應(yīng)力與剪應(yīng)力的變化規(guī)律, 以期為高速公路拓寬路基的研究與施工提供參考。

2 模型建立

采用有限元計算分析軟件對高速公路拓寬路基進(jìn)行數(shù)值模擬分析時,不需要取結(jié)構(gòu)無限大尺寸,在實際處理這類問題時,通常是在保證計算精度的前提下,對結(jié)構(gòu)取其有限合理尺寸。本模型設(shè)計計算中所取的結(jié)構(gòu)尺寸為：原道路寬度為26m,邊坡坡率1:1.5,土基高度30m,兩側(cè)對稱拓寬, 新路基與老路基結(jié)合處采用臺階咬合的方式進(jìn)行搭接,臺階寬1m,高度0.6m。 本文建立模型時選取實際道路模型的一半進(jìn)行分析計算, 拓寬前后路基計算模型及網(wǎng)格劃分如圖1、圖2 所示。

圖1 拓寬路基幾何尺寸圖

圖2 計算模型網(wǎng)格劃分

2.1 基本假定

(1)路基土與地基土均為理想彈塑性體,各向同性且均勻分布。

(2)老路與地基固結(jié)變形已經(jīng)完成,老路與拓寬新路結(jié)合處不發(fā)生相對脫離和滑移。

(3)路基與地基各結(jié)構(gòu)層界面處置良好,為完全連續(xù)接觸狀態(tài),不考慮溫度對路基路面應(yīng)力分布的影響。

(4)對模型進(jìn)行建立、劃分單元時采用板體SOLID-45單元, 空間8 節(jié)點等參元, 本構(gòu)模型選用擴(kuò)展的線性Drucker-Prager 模型。

(5)采用雙側(cè)拓寬方式拓寬,新拓寬部分以原路中心線為中心,對稱布置在原路兩側(cè),根據(jù)道路結(jié)構(gòu)的對稱性,取半幅道路作為研究對象。

2.2 計算參數(shù)

路基材料的性質(zhì)直接影響路基力學(xué)計算分析結(jié)果,通過對高速公路天然地基改擴(kuò)建工程上新老地基土的勘探、室內(nèi)試驗的結(jié)果以及參照相關(guān)工程地質(zhì)文獻(xiàn),最后選取路基參數(shù)包括重度、模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角和泊松比等,具體參數(shù)如表1 所示。

表1 計算參數(shù)

3 不同土基填土參數(shù)下力學(xué)行為分析

考慮到高速公路改擴(kuò)建工程中沿線路基填土的土質(zhì)彈性模量差異較大,從最小的20MPa 到最高的50MPa 左右, 為了準(zhǔn)確的模擬路基填土彈性模量對高速公路改擴(kuò)建過程中差異沉降的影響, 現(xiàn)分別取20MPa、30MPa、40MPa 和50MPa 等4 種彈性模量的路基填土進(jìn)行計算分析。 表2 為不同路基填土參數(shù)變化下拓寬段的位移與應(yīng)力值。

3.1 不同路基填土參數(shù)下路基豎向位移分析

由表2 和圖3～圖4 可以看出, 在拓寬路基高度和寬度為定值時,隨著路基填土彈性模量的增加,新舊路基豎向沉降在逐漸減小。 當(dāng)路基填土彈性模量從20MPa 增加到30MPa, 最大豎向沉降從51.11mm 減小到48.20mm,減小幅度為5.7%；從30MPa 增加到40MPa,最大豎向沉降從48.20mm 減小到46.54mm,減小幅度為3.4%；從40MPa增加到50MPa, 最大豎向沉降從46.54mm 減小到45.43mm,減小幅度為2.4%,表明隨著路基填土本身彈性模量的增加,豎向沉降在逐漸減小,且減小幅度越來越小。即隨著路基填土彈性模量的增加, 路基填土彈性模量控制豎向沉降的功能在減弱并趨近一個定值。

3.2 不同路基填土參數(shù)下路基水平位移分析

從表2 和圖5～圖6 中可以看出, 隨著路基填土彈性模量的增加, 水平位移的分布與影響深度在逐漸減小,舊路基部分水平位移較小,而新路基水平位移相對較大。 在新舊路基搭接處水平位移要比新路基與舊路基大, 而且隨著路基彈性模量的增加這種變化規(guī)律更加明顯。 當(dāng)路基填土彈性模量從20MPa 增加到30MPa, 最大水平位移從4.5mm 減小到3.8mm,減小幅度為15.6%；路基填土彈性模量從30MPa 增加到40MPa, 最大水平位移從3.8mm減小到3.4mm,減小幅度為10.5%；路基填土彈性模量從40MPa 增加到50MPa, 最大水平位移從3.4mm 減小到3.1mm,減小幅度為9.7%。 說明隨著路基填土彈性模量的增加,水平位移增加的幅度在逐漸減小,且減小的幅度越來越大, 說明路基填土彈性模量控制水平位移的功能在不斷的減弱。

3.3 不同路基填土參數(shù)下路基豎向應(yīng)力分析

從表2 和圖7～圖8 中可以看出, 在原路基與新拓寬路基采用臺階搭接的方式結(jié)合后, 改變了路基中豎向應(yīng)力的分布, 豎向應(yīng)力隨著路基填土彈性模量的增加而逐漸減小,且其對路基與地基的影響范圍也逐漸減小,最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)在新老路基搭接處及其下方地基處。 從圖8 中可以看出在路基填土彈性模量為20MPa 時, 最大豎向應(yīng)力值為157.11kPa； 在路基填土彈性模量為30MPa豎向應(yīng)力影響范圍在拓寬路基正下方及其下方地基,最大豎向應(yīng)力值為157.06kPa； 在路基填土彈性模量為40MPa 豎向應(yīng)力影響范圍開始減小, 作用深度也比30MPa 時要淺,最大豎向應(yīng)力值為157.01kPa；在路基填土彈性模量為50MPa 最大豎向應(yīng)力為156.96kPa,減小幅度為0.03%。 即隨著路基填土彈性模量的增加,豎向應(yīng)力在逐漸減小,豎向應(yīng)力影響的范圍也在同步的減弱。

表2 不同路基填土參數(shù)變化下拓寬段位移與應(yīng)力值

圖3 路基填土E=30MPa 時的豎向位移云圖

圖4 不同彈性模量填土對豎向位移的影響

圖5 路基填土E=30MPa 時的水平位移云圖

圖6 不同彈性模量填土對水平位移的影響

圖7 路基填土E=30MPa 時的豎向應(yīng)力云圖

圖8 不同彈性模量填土對豎向應(yīng)力的影響

3.4 不同路基填土參數(shù)下路基剪應(yīng)力分析

圖9 路基填土E=30MPa 時的剪應(yīng)力云圖

圖10 不同彈性模量填土對豎向位移的影響

從圖9～圖10 中可以看出,隨著拓寬路基填土彈性模量的增加,剪應(yīng)力分布在逐漸變化,其對路基以及地基的影響范圍也在逐漸增大。 最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在新老路基搭接處及其下方地基的位置, 同時在新路基坡腳處存在一個正向最大剪應(yīng)力。從圖10 可以看出在新舊路基與土基結(jié)合部出現(xiàn)應(yīng)力變化不連續(xù)現(xiàn)象, 原因在于新舊路基與土基的材料性質(zhì)差異、不同步沉降造成的。

4 結(jié)論

(1)隨著路基填土彈性模量的增加,新舊路基豎向沉降與豎向應(yīng)力在逐漸減小,且減小的幅度越來越小,但新路基沉降大于舊路基沉降, 沉降峰值出現(xiàn)在新路基路肩附近,而舊路基中心線處沉降量最小。

(2)最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)在新路基附近,同時在新舊路基搭接處存在一個較大的豎向應(yīng)力值。 水平位移隨著新路基填土回彈模量的增加, 其分布范圍也逐漸發(fā)生變化,新舊路基內(nèi)的水平位移均逐漸減小。

(3)選用彈性模量較高的路基填土能較好地改善路基不均勻沉降, 包括路基頂面最大沉降值和豎向沉降值,但當(dāng)路基土模量提高到一定程度后, 對改善路基不均勻沉降的效果十分有限。