剛度補償層對運營期花崗巖殘積土路基位移的影響分析

摘要：為研究路基花崗巖殘積土長期使用過程中的位移情況，文章采用有限元方法對廣佛肇高速公路花崗巖殘積土進行模擬分析：建立填土路基尺寸有限元位移場模型，對模型內(nèi)的各層位材料賦予計算參數(shù)；對路基模型進行位移邊界條件、行車荷載條件、荷載作用方式設(shè)置；路基長期使用過程按照15年運營期考慮。研究表明：根據(jù)有限元軟件計算模型結(jié)果，未設(shè)置補償層路基在運營期沉降值較大；對路基頂面選用兩種材料進行剛度補償設(shè)置，分別是級配碎石和5%水泥改良土，設(shè)置剛度補償層后路基沉降值減少，說明剛度補償層有利于路基剛度提升，其中級配碎石更優(yōu)于5%水泥改良土。

關(guān)鍵詞：路基工程；花崗巖殘積土；有限元模擬；剛度補償層；位移場

中文分類號：U416.1+1A270863

0引言

花崗巖殘積土風(fēng)化程度高、遇水易崩塌、孔隙比大，當(dāng)土體受到雨水、地下水、干濕循環(huán)等影響易發(fā)生坍塌、滑坡等情況。當(dāng)花崗巖殘積土作為路基填土?xí)r需要對土體進行改良處理、補償處理或者嚴格控制水分進入等，從而提高殘積土路基的整體穩(wěn)定性和變形量。安然等［1］從宏觀、細觀、微觀角度對干濕循環(huán)下花崗巖殘積土的損傷機理進行研究，分析了環(huán)境效應(yīng)作用下粘聚力、內(nèi)摩擦角、裂隙變化等特性；王志兵等［2］對花崗巖殘積土采用摻入纖維和納米材料來研究抗剪強度并研究微觀機理，發(fā)現(xiàn)纖維和納米材料有助于提高土體抗剪強度；劉洪波等［3］采用直剪試驗研究不同含水率花崗巖殘積土強度，采用有限差分法研究不同地震加速度下土體位移場、加速度場等變化情況。由此可知，花崗巖殘積土在行車荷載和環(huán)境變化作用下導(dǎo)致的變形、沉降等是研究的重要課題。

1工程背景

廣佛肇高速公路K83～K120段存在較多嚴重風(fēng)化花崗巖，經(jīng)篩分試驗，這些花崗巖屬于砂類土，可用于路基填筑，但由于花崗巖殘積土強度低、遇水崩塌等特性，對路基長期使用構(gòu)成隱患。基于以上難點和已有研究經(jīng)驗［4-14］，本文采用有限元方法對花崗巖殘積土進行模擬分析，建立以路基中心線為界的半側(cè)有限元位移場模型；對模型進行材料參數(shù)賦予，包括土體粘聚力、內(nèi)摩擦角及路面、地基參數(shù)；設(shè)置半側(cè)模型的位移邊界條件、行車荷載條件、荷載作用方式?？紤]15年運營期內(nèi)路基位移場變化情況，對未設(shè)置補償層的路基沉降值進行計算；同時選用級配碎石和5%水泥改良土作為路基頂面剛度補償層材料，對運營期內(nèi)的位移場進行研究。

2花崗巖殘積土路基位移場模型分析

有限元填方路基模型以廣佛肇高速公路K116+100 km處斷面為例。該路段是雙向四車道，路堤填方高度為10.5 m，其中93區(qū)9 m、94區(qū)0.7 m、96區(qū)0.8 m；路基頂面寬度為26 m，其中中央分隔帶寬2 m。邊坡坡度為1∶1.5，路面從中心線向兩邊有2%的坡度。地下水位于坡腳下2 m處。為簡化模型計算量，本文取路基中心線右側(cè)建立二維有限元模型，模型計算范圍如圖1所示。本文使用ABAQUS軟件對花崗巖殘積土路基長期使用性能的位移場進行分析。

3路基位移場模型參數(shù)及邊界條件

3.1位移場模型參數(shù)

使用ABAQUS軟件分析前，需要獲取各路基材料的力學(xué)參數(shù)，包括花崗巖殘積土的粘聚力及內(nèi)摩擦角，將試驗測得的不同含水率花崗巖殘積土的參數(shù)結(jié)果匯總于表1；查閱廣佛肇高速公路相關(guān)資料可得到瀝青混凝土路面以及地基的相關(guān)參數(shù)見表2。

3.2位移場模型邊界條件

路基模型在計算時需要設(shè)置三個邊界，分別是位移邊界條件、行車荷載條件、荷載作用方式。

（1）位移邊界條件：二維有限元模型的地基底部為固定約束，模型左右兩側(cè)約束其水平方向位移，不約束豎向位移。

（2）行車荷載條件：車輛荷載是一個隨時間變化的變量，取設(shè)計速度為100 km/h，得出單次荷載作用時間約為0.046 s。在其設(shè)計年限內(nèi)，一個車道的累積當(dāng)量軸次為2.3×107次。

（3）荷載作用方式：按照現(xiàn)行公路設(shè)計規(guī)范，路面設(shè)計使用雙輪組單軸軸載BZZ-100作為標準軸載。標準軸載計算參數(shù)見表3。

4花崗巖殘積土路基剛度補償分析

剛度補償材料是在路基頂面上設(shè)置的一層抗變形能力強、水穩(wěn)性好的材料。剛度補償層施工完成后再進行基層、面層的施工。車輛荷載直接作用在路面面層然后向下傳遞，當(dāng)傳遞至補償層時荷載能夠分散傳遞至花崗巖殘積土路基，其在干濕循環(huán)的環(huán)境下保持長期的使用性能，有利于保護路基土。因此在考慮剛度補償層對路基作用時常把路基的位移情況作為評定路基長期使用效果的方法?；诖耍疚难芯课醋鰟偠妊a償時的路基變形情況主要依據(jù)路基沉降值，再選取兩種補償材料即級配碎石和5%水泥改良土的路基沉降情況。主要考慮運營期15年內(nèi)3個月、6個月、1年、2年、3年、5年、10年、15年的路基變形情況，路基運營期時間的累積是根據(jù)行車荷載條件的作用時間為參考，時間越長相應(yīng)的行車荷載作用時間越長。

4.1未做剛度補償路基的豎向位移變化

根據(jù)前文模型和材料參數(shù)，采用有限元軟件模擬分析未做剛度補償?shù)幕◢弾r殘積土路基在運營期的豎向位移變化，列舉部分計算云圖，分別為運營期3個月、1年、3年、15年（見圖2）。

由圖2可知，在路基使用過程中，隨著時間增長，路基沉降值累積越來越大，其中靠近中央分隔帶的路基土較路基兩側(cè)的沉降值大，呈現(xiàn)中部路基土向路基邊坡推動的傾向。導(dǎo)出路面頂面沉降量（見圖3）可知，未設(shè)置補償層的花崗巖殘積土路基在運營期各個時間段都呈現(xiàn)了不同沉降值，累積沉降值最大可達到200 mm。分析原因為花崗巖殘積土強度低、抗沖刷能力差，在長期使用過程中干濕循環(huán)交替和荷載作用，土體變形產(chǎn)生較多不均勻沉降。因此，需對花崗巖殘積土路基進行剛度補償，減少土體的荷載及水分對土體影響。

4.2剛度補償層材料的選取

根據(jù)未設(shè)置剛度補償層路基的變形情況，需要對路基進行剛度補償以減少路基變形的影響。選取剛度補償材料的重點在于具有良好的荷載分布能力和水穩(wěn)定性好。當(dāng)車輛荷載作用時，能分散車輛荷載，使荷載均勻傳遞至路基土，起到緩沖效果；同時，材料水穩(wěn)定性好，具有防水和抗水損效果，減少長期使用過程中水分的侵入。本文選取級配碎石和5%水泥改良土材料如表4所示，用于研究材料對花崗巖殘積土路基剛度補償?shù)挠绊憽?/p>

模型尺寸及參數(shù)與前文一致，補償層設(shè)置在路基頂面，補償層厚度按照25 cm布置，補償層上設(shè)置基層及瀝青面層，計算級配碎石和5%水泥改良土剛度補償層的路基豎向累積沉降，得到其豎向位移和路基頂面累積沉降情況云圖，如圖4～7所示。

由圖4和圖5可知，當(dāng)設(shè)置剛度補償層后，在長期使用過程中路基累積沉降有效減少，說明剛度補償層有效分散了荷載對路基土的不均勻荷載，使路基荷載分布呈現(xiàn)均勻狀態(tài)。同時，花崗巖殘積土作為路基填土對荷載的敏感程度高，當(dāng)出現(xiàn)不均勻荷載和干濕循環(huán)時易發(fā)生較大變形，設(shè)置補償層后有利于路基整體穩(wěn)定性提高。在運營期中，干濕循環(huán)過程使路基發(fā)生沉降，但剛度補償層的加入有效減少了沉降量值。

從圖6和圖7對比兩種補償材料的效果可知，級配碎石補償層運營期累積沉降值為55.4 mm，而5%水泥改良土補償層累積沉降值為123.4 mm，二者相差68 mm。從路基沉降數(shù)據(jù)表明，級配碎石補償層在各個使用階段的沉降值都優(yōu)于5%水泥改良土補償層，級配碎石補償層路基沉降均勻性更好。在花崗巖殘積土分布廣泛的區(qū)域以及換填優(yōu)良土質(zhì)困難情況下，采用就地取材的原則使用花崗巖殘積土作為路基填土材料，同時配合使用剛度補償層，可取得良好效果。

5結(jié)語

（1）采用有限元方法對花崗巖殘積土進行建模，選取半側(cè)路基作為模型外形尺寸，賦予各層位材料計算參數(shù)并進行位移邊界條件、行車荷載條件、荷載作用方式的設(shè)置，模型計算考慮15年運營期累積位移場變化情況。

（2）研究未做剛度補償?shù)幕◢弾r殘積土路基變形情況，在運營期15年內(nèi)，路基沉降隨著時間增長不斷累積，累積沉降值最大可達到200 mm，路基中央分隔帶處沉降值較路基兩側(cè)大，表明花崗巖殘積土抵抗變形能力差，剛度難以滿足路基填土要求，需要對路基進行剛度補償。

（3）選取級配碎石和5%水泥改良土作為花崗巖殘積土剛度補償層，計算結(jié)果表明采用水穩(wěn)定性好、強度高的補償材料能夠有效減少運營期路基沉降值，經(jīng)計算顯示，選用級配碎石補償效果優(yōu)于5%水泥改良土。

參考文獻：

［1］安然，孔令偉，張先偉.干濕循環(huán)效應(yīng)下花崗巖殘積土結(jié)構(gòu)損傷的多尺度研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2023，42（3）：758-767.

［2］王志兵，劉金明，顧翔.纖維和納米材料改良花崗巖殘積土的力學(xué)試驗及機理研究［J］.水資源與水工程學(xué)報，2022，33（4）：185-191.

［3］劉洪波，梁崇旭，劉飛禹.考慮含水率影響的花崗巖殘積土邊坡地震響應(yīng)分析［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2023，43（2）：342-350.

［4］張鵬.花崗巖殘積路基土力學(xué)性能衰減規(guī)律及路基補償層設(shè)計［D］.長沙：長沙理工大學(xué)，2017.

［5］汪華斌，周宇，余剛.結(jié)構(gòu)性花崗巖殘積土三軸試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2021，42（4）：991-1 002.

［6］楊雪菲，陳東霞，劉越.干濕循環(huán)下花崗巖殘積土裂隙演化及邊坡穩(wěn)定性［J］.廈門大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，61（4）：591-599.

［7］張瑞，劉文歡，張浩.廢棄磚粉協(xié)同固硫灰制備新型路基穩(wěn)定材料的性能研究［J］.材料導(dǎo)報，2023，36（12）：116-122.

［8］王德詠，周樹津，韓雨薇.干濕循環(huán)下花崗巖殘積土路塹邊坡穩(wěn)定性研究［J］.公路，2021，66（1）：1-6.

［9］馬學(xué)寧，陳玉燕，王旭.高速鐵路車站岔區(qū)高填方路基沉降組合預(yù)測研究［J］.鐵道學(xué)報，2023，45（1）：105-113.

［10］趙秀紹，饒江龍，陳子溪.全風(fēng)化千枚巖復(fù)合改良土試驗研究及路基沉降數(shù)值分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2023，20（2）：554-564.

［11］崔宏環(huán)，朱超杰，張立群.干濕循環(huán)對路基改良土加州承載比與回彈模量的研究［J］.森林工程，2023，20（2）：554-564.

［12］尹紫紅，朱仁政，邱泓滔.彈射沖擊荷載下重載鐵路路基動位移空間分布特征［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2021，56（4）：777-786.

［13］楊生，曹洋，張二望.濱海軟土地區(qū)隔離樁用于控制側(cè)向堆載引起的鐵路路基位移的研究［J］.鐵道建筑，2018，58（8）：88-92.

［14］袁剛烈，車愛蘭.高速公路路基濕度場空間分布快速測試及評價方法研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，41（9）：100-107.

作者簡介：張鵬（1990—），碩士，工程師，主要從事公路設(shè)計、咨詢工作。