基于Geostudio的路基加宽变形分析

2019-07-19单雨

四川建筑 2019年3期

单雨

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

气泡轻质土的出现对工程建设有了很大的帮助。1986年[2]日本东北公用气泡轻质土应用于道路填土中，从而达到减载目的，对道路滑坡进行了有效的治理，随着气泡轻质土技术逐渐成熟，我国同时也引进了气泡轻质土的应用，并对其进行了大量的研发。气泡轻质填土路基对解决路基不均匀沉降、旧路拓宽改建等问题具有良好效果。2015年[3]彭惠在青藏公路普通填土路基长期变形特征与路基病害调查分析中，基于长期监测系统2004～2011年现场监测数据，研究了路基填土变形的特征分析，有利于路基后期维护。

目前，气泡轻质土广泛地运用在我国基础设施建设中，轻质性、环保性、易于施工和抗震性、造价低等优良特性，在老路基加宽工程上工艺施工已经比较完善，但是如何定性定量地研究气泡轻质土在路基加宽上的沉降变形破坏和分析，却仍被忽视。基于此背景下，本文依托某公路老路基加宽工程，针对研究了气泡轻质土填土时的受力分析，更好的提出路基加宽施工方案。

1 路基受力理论分析

由气泡轻质土自重和铺装荷载共同作用式进行分析(取单位长度分析)[4]。

(1)

式中：Fs为滑动安全系数，安全条件：平常时Fs≥3.0；地震时Fs≥2.0；qa为地基容许承载力(MPa)；q为气泡轻质土自重及铺装荷载共同作用基底的应力(MPa)；当山体背面(或既有填土)产生土压力时，根据下图的地基应力分布形式可以得出[5](图1)。

(1) 当共同力作用点在基地1/3宽度内时(e≤L/6)：

(2)

(3)

(2)当共同力作用点在基地2/3宽度内时(e>L/6)：

(4)

式中：q1、q2为两端压应力(MPa)；V1为作用于基底的垂直荷载(kN/m)；L为基底宽度(m);e为合力的作用点至底面中心的距离(m);PV为背面土压的垂直分量(kN/m)；W1为气泡轻质土自重及上部施加荷载(kN/m)。

(a) 力作用点在基地1/3宽度

(b) 力作用点在基地2/3宽度

2 路基模型建立

模型尺寸与原型尺寸为1∶1，模型宽高为10m×12m，模型分为四个模块：路基基床、老路基、气泡轻质土路基、路面垫层。气泡轻质土通过分层浇筑，每次浇筑1m，最后一层0.4m,下一层浇筑时间为上一层浇筑达到初凝强度时间，通过参数的时间延续设置达到要求。模型右侧根据实际情况设置x为固定边界，左侧为临空状态，设置为自由边界，模型底部为x-y固定边界[6]。模型考虑老路基已经沉降完成，为了研究新路基的变形情况，在填筑气泡轻质土前，清除老路基自重应力的累积变形。计算采用弹塑性本构模型，气泡轻质土填筑土及老路基视为均质各向同性弹塑性体[7]，划分网格一共1 292个节点，489个单元，采用初始状态和逐级加载的方式。模型如图2。对加宽的新路基分级加载，分别为50kPa、100kPa、200kP、250kPa、300kPa、400kPa等。为了研究新老路基交界处的路基变形破坏，取有限元模型A、B、C、D四个点，对这四个点的应力变化和沉降变形具体分析。

图2 有限元路基模型

2.1 模型参数选取

根据公路材料规范规定以及气泡轻质填土公路运用规范[8]，老路基和气泡轻质土等材料参数选取如表1。

表1 材料物理参数

2.2 路基应力特征分析

路基主要承受自重应力和路面移动荷载，气泡轻质土分层填筑后上部分级加载，新路基产生竖向变形和沉降。路基应力云图如图3所示，当路基表面施加荷载到50kPa时，气泡轻质土填土路基受弹性变形，上部路基表面应力变化较小，路基中部新老路基交界处受到侧向压力作用，交界处左侧出现应力集中现象，应力相对路基其他部位较大。随着上部荷载的增加气泡轻质土由外层向新老路基交界应力逐渐增大。气泡轻质土逐渐发生塑性变形，新老路基交界处附近应力影响范围扩大，交界处附近最大达到470kPa，荷载达到400kPa后，模型失效发生破坏。