羅麗香
(湖南高速華達(dá)工程有限公司,湖南 長(zhǎng)沙)
隨著我國(guó)高速公路施工技術(shù)的不斷完善,對(duì)路基耐久性的要求也越來越高。在行車荷載的作用下,如何保證路基能夠適應(yīng)正常的通行需求至關(guān)重要。結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的運(yùn)用,通過分析某高速路的具體狀況,對(duì)高速公路的各種影響因素進(jìn)行了研究。通過對(duì)不同速度、軸向荷載作用下路基質(zhì)量缺陷形成的縱、橫向變形開展綜合分析,總結(jié)出病害發(fā)生的原因、發(fā)展趨勢(shì),期望為這類工程的建設(shè)提供借鑒。
某高公路雙向共有四車道,每條車道的寬度為3.5 m。路面厚度為0.8 m,共分為3 層,最上面是面層,中間是基層,最下面的是底基層,再往下是路堤,厚度約為1.5 m,坡度是1:1.5,路堤表面缺陷層的厚度為0.7 m。通過使用數(shù)值法,具體分析了缺陷層對(duì)路堤的影響。路堤模型見圖1。
圖1 路堤模型示意
準(zhǔn)確獲得路基土的關(guān)鍵參數(shù),在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用數(shù)值模擬方法有效分析路基變形響應(yīng)。獲得這些數(shù)據(jù),主要是開展室內(nèi)試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn),通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試傳感器,能捕捉到路基動(dòng)態(tài)變形響應(yīng),將其當(dāng)作數(shù)值模擬基準(zhǔn)[1]。
汽車通過荷載屬于常見的動(dòng)荷載,文中選取了ABAQUS 的EXPLICIT 功能,對(duì)其進(jìn)行了分析。圖2 為路基模擬圖,模擬環(huán)節(jié)采用了摩爾- 庫倫理論,通過網(wǎng)格化手段來加密處理缺陷部位,y 軸上的缺陷部位長(zhǎng)度為14.5 m。網(wǎng)格共計(jì)25 568 個(gè),網(wǎng)格單元為六面體。
圖2 數(shù)值模擬
使用ABAQUS 軟件中的AMPLITUDE 模塊來調(diào)整交通荷載,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料,合理設(shè)置移動(dòng)帶,移動(dòng)荷載主要是通過DLOAD 程序?qū)崿F(xiàn)。根據(jù)各種參考文獻(xiàn),選擇100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 四種荷載開展研究[2]。
路基在不同車速及行車荷載的作用下,會(huì)發(fā)生沉降變形。為準(zhǔn)確分析各種具體情況,文中選取了40 km/h、60 km/h、80 km/h 三種行車速度進(jìn)行研究,設(shè)定四種車軸向荷載,分別為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN,通過施加5 000 次荷載,共有12 種情形,模擬工況見表1。
表1 模擬工況
圖3 顯示了行車速度為40 km/h、60 km/h、80 km/h,車輛軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時(shí),行車方向的路基沉降分布狀況。
分析圖3a 可知,當(dāng)車輛維持在40 km/h 速度前行,軸向荷載上升時(shí),則路基形變量會(huì)變大。受各種軸向荷載影響,在平行方向上4 m 處的形變最為明顯。在軸向荷載依次增大到100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時(shí),對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的沉降值分別是13.2 mm、17.1 mm、21.9 mm、25.1 mm。正常部位路基的形變量最大為12.6 mm,相較于同等條件下缺陷部位的路基形變量,下降了49.8%。
分析圖3b 可知,當(dāng)車輛維持在60 km/h 速度前行時(shí),軸向荷載上升,則路基形變量會(huì)變大。受各種軸向荷載影響,在平行方向上4 m 處的形變最為明顯。在軸向荷載依次增大到100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時(shí),對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的沉降值分別是12.8 mm、15.7 mm、19.6 mm、24.2 mm。正常部位路基的形變量最大是11.7 mm,相較于同等條件下缺陷部位的路基形變量,下降了51.7%。
分析圖3c 可知,當(dāng)車輛維持在80 km/h 速度前行時(shí),軸向荷載上升,則路基形變量會(huì)變大。受各種軸向荷載影響,在平行方向上4 m 處的形變最為明顯。在軸向荷載依次增大到100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時(shí),對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的沉降值分別是10.1 mm、12.6 mm、15.8 mm、18.8 mm。正常部位路基的形變量最大是8.5 mm,相較于同等條件下缺陷部位的路基形變量,下降了55%。
圖3 沿行駛方向路基沉降
需特別注意的是,汽車勻速行駛時(shí),在不同軸向荷載下,路基形變量曲線一致,汽車調(diào)速后,形變量會(huì)出現(xiàn)改變。車速增至40 公里/小時(shí),其曲線為“w”形;在速度為60 公里/小時(shí)和80 公里/小時(shí),曲線呈現(xiàn)“V”形,在同一條件下,地基沉降隨車速的增大而減小[3]。
圖4 顯示行車速度為40 km/h、60 km/h、80 km/h時(shí),車輛軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時(shí),公路橫斷面方向的路基沉降分布狀況。
分析圖4a 可知,距道路中心線6.5 m 的地方,路基沉降曲線的兩端是對(duì)稱的,沉降值在車輪處最大,其周邊300~600 mm 之內(nèi)會(huì)出現(xiàn)凸起。汽車保持40 km/h 的速度行駛時(shí),當(dāng)軸向荷載變大時(shí),路基形變量會(huì)不斷變大。軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時(shí),對(duì)應(yīng)的沉降值分別為13.8 mm、14.3 mm、22.1 mm、25.5 mm。對(duì)正常部位的路基而言,其形變量最大值為12.5 mm,相比較于缺陷部位路基的形變量,下降了51%。
圖4b 表示汽車保持60 km/h 的速度前進(jìn)時(shí),分析公路橫斷面路基形變量變化趨勢(shì)圖,其狀態(tài)與車速為40 km/h 的曲線一致。汽車保持40 km/h 的速度行駛,當(dāng)軸向荷載變大時(shí),路基沉降值會(huì)不斷變大。軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時(shí),對(duì)應(yīng)的沉降值分別為12.6 mm、16.2 mm、20.7 mm、23.9 mm,正常部位路基的形變量最大為12.5 mm,相比較于缺陷部位路基的形變量,下降了51.9%。
圖4c 表示汽車保持80 km/h 的速度前進(jìn)時(shí),公路橫斷面路基沉降變化趨勢(shì)圖,它與車速為40 km/h、60 km/h 的曲線一致。汽車保持80 km/h 的速度行駛,當(dāng)軸向荷載變大時(shí),路基沉降值會(huì)不斷變大。軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時(shí),對(duì)應(yīng)的沉降值分別為10.8 mm、13.0 mm、16.9 mm、19.1 mm。正常部位路基的形變量最大為8.8 mm,相比較于缺陷部位路基的形變量,下降了53.9%。
圖4 沿道路橫斷面路基沉降
綜合對(duì)比分析圖4a、圖4b、圖4c 可知,公路橫斷面路基形變量不會(huì)因車速的改變而改變。當(dāng)軸向荷載增至185 kN 時(shí),正常路基較于同等條件的缺陷路基,其沉降值會(huì)下降約50%。在其他條件一致的情況下,當(dāng)汽車加速時(shí),路基沉降量會(huì)慢慢變小。
文中以某高速公路工程項(xiàng)目為案例,針對(duì)于質(zhì)量存在缺陷的路基,運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù),綜合分析了受不同車速及軸向荷載影響的縱、橫向變形狀況,所得結(jié)論如下:
(1)在行車方向上,當(dāng)行車荷載變大時(shí),路基沉降值會(huì)隨之變大。與此同時(shí),當(dāng)車速增加時(shí),其形變量會(huì)慢慢變小。
(2)當(dāng)汽車車速保持不變時(shí),受不同的軸向荷載的影響,路基在行車方向上的沉降變化曲線一致。如果車速變化,曲線會(huì)隨時(shí)發(fā)生改變。車速為40 km/h時(shí),該曲線表現(xiàn)為“w”形;車速增至60 km/h、80 km/h時(shí),曲線會(huì)變?yōu)椤癡”形。
(3)當(dāng)車輛軸向荷載變大時(shí),公路橫斷面方向的路基形變量會(huì)隨之變大,而車速增加時(shí),形變量會(huì)隨之變小。