交通荷载作用低路堤路基沉降特性研究

2017-11-15李增光

黑龙江交通科技 2017年9期

关键词：路堤路基交通

李增光

(1.高速公路养护技术交通行业重点实验室，山东济南 250102；2.山东省道路结构与材料重点实验室，山东济南 250102)

交通荷载作用低路堤路基沉降特性研究

李增光1，2

(1.高速公路养护技术交通行业重点实验室，山东济南 250102；2.山东省道路结构与材料重点实验室，山东济南 250102)

依托我国某高速公路低路堤工程背景，借助有限元分析软件ABAQUS建立有限元模型，首先结合路基不同深度动位移和动应力计算数据，分析了交通荷载作用下路基的响应特征及影响范围；然后，结合不同路基填土高度与路基动力响应相关性进行分析，依此为基础计算不同填土高度下路基累积沉降特性。研究结果表明：低路堤易受交通荷载影响，竖向影响深度达3.0 m左右；填土高度降低，会迅速增加路基累积沉降；结合实际工况，计算路基填土高度1.5 m时地基累积20年最大沉降达375 mm。同时，对保障低路堤长期动载作用下稳定的技术措施进行了探讨，能够为类似工程实践提供参考依据。

高速公路；低路堤；交通荷载；沉降

1 高速公路低路堤路基工程概况

某高速公路DK1+152～DK1+208区间采用低路堤设计，路基最低填土高度1.3 m，最高填土高度2.4 m，平均填土高度1.35 m。路面为采用沥青混凝土结构，双向四车道，中间为绿化带。

DK1+152～DK1+208区间位于平原地区，场地相对平整，周边为农田。区间地层杂填土以下主要为粉质黏土。地基土从上至下依次为：(1)杂填土：厚度0.30～0.80 m，平均厚0.55 m。松散、力学性质不稳定。(2)粉质黏土：厚度15～18 m，平均厚11.5 m。土呈棕褐色，可塑，局部含铁锰质结核。(3)黏土：厚度>15 m。黄褐色，硬塑～坚硬，含铁锰质结核。借助现场原位测试和室内土工试验，整理土层主要物理力学指标详见表1所示。

表1 土层主要物理力学参数

2 低路堤路基动力特性数值模拟分析

2.1 数值模型建立

计算选取DK1+158断面，该断面路基填土高度为0.92 m。我国梅英宝等在不考虑路基结构情况下认为交通荷载对地基的有效影响深度>5 m，为尽可能降低路基模型尺寸对计算精度的影响，选取地基深度25 m。由于交通荷载主要影响路基的竖向区域，而对于横向影响较小，为节约计算资源，提高计算效率和精度，路堤与地基接触面两侧模型尺寸各取10 m。模型纵向取20 m。其他区域尺寸参考图1所示。模型网格采用structure划分技术划分，单元类型为C3D8R(六面体八节点实体缩减积分单元)。地基土采用摩尔-库伦本构模型模拟，其它采用等效线弹性本构模型模拟。数值模型中，地基四周限制法向位移，底端采用固定约束。

2.2 计算结果及分析

交通荷载对路基的影响受路基结构层刚度和阻尼不同而呈现差异，通常在刚度较大部位动力响应相对集中。同时，交通合作对路基影响沿深度发展逐渐衰减，距离地标越近路基结构，与交通荷载振源接触更近，振动响应的幅值也越大。由交通荷载作用低路堤路基计算结果云图可知：交通荷载影响路基主要沿竖向区域发展；距离路基面越近动力响应越明显，响应的值越大。

考虑交通合作作用路基动力特性的复杂性，可借助图1进一步分析。

图1 交通荷载作用路基计算结果云图

图2 动位移及动应力变化曲线

由3(1)可知：路表面的位移值最大，随着路面深度的增加而减小。由3(2)可知：动应力沿深度逐渐衰减，约在深度3.0 m处车辆荷载引起的动应力值已经较小，侧面验证高速公路低路堤交通荷载影响范围约3.0 m。

3 交通荷载作用低路堤路基沉降特性

路堤填土高度是高速公路面临的一个主要课题之一。结合上述数值模型，仅改变路堤填土高度(1 m、1.5 m、2 m和2.5 m)，分别计算循环交通荷载作用5年后路基的沉降，计算结果详图3所示。

图3 不同填土高度路堤路基沉降柱状图

由图3可知：路堤填土高度对路基沉降影响较大；路堤填土高度为1 m、1.5 m、2 m和2.5 m时，路基累计20年最大沉降依次为880 mm、375 mm、145 mm和140 mm；随填土高度降低，路基累计沉降降低幅值依次为425 mm、655 mm和650 mm。由计算结果侧面验证，填土高度降低会增加路基沉降；仅从本项目而言，填土高度1.5 m降至1 m时，沉降增加值达425 mm，约为1.5 m填高路基沉降的1.13倍，增幅高达100%以上。

综上可知：交通荷载对低路堤路基动力响应更加剧烈，且考虑南方降雨较多实际情况，低路堤干湿循环会加剧交通荷载影响的程度。因此，为保障低路堤路基长期稳定性，建议从以下角度进行改进：(1)路基填料进行改良，确保路基填料能够满足交通荷载作用下的强度满足要求；(2)因地制宜，适当对软土地基进行处理，以提高地基承载力，降低路基累积沉降；(3)完善排水系统，降低降雨环境对路基影响。