围垦区内湿度场变化对道路横向应力的影响

2021-09-23申启华

山西建筑 2021年19期

张博谢路申启华

(1.天津大学建筑工程学院，天津 300350; 2.苏州市公路事业发展中心，江苏苏州 215000; 3.东南大学ITS中心，江苏南京 210096)

0 引言

为了解决沿海地区用地紧缺这一问题，沿海地区均在广泛地进行围垦造地。各研究者对膨胀土，路基湿度场变化对路基强度等做了相应的研究。谢路[1]通过研究围垦区湿度场变化对路基土的力学性能的影响，得到路基的横向位移在湿度场的作用下有较大的变化且竖向位移不能很好的表明湿度场变化对路基的影响。唐朝生等[2]在室内对饱和的膨胀土进行了控制温度的干燥试验，得出了膨胀土的体积收缩特性与开裂之间的关系。K.L.KWONG等[3]分析了路基在强降雨条件下湿度场的变化，并进而得到了在此条件下路基的强度特性以及路基的整体性能均有所下降，道路的使用品质也有明显的降低。由于湿度应力场与温度应力场的相似性，在有限元软件中用温度场替代湿度场，尚云东等[4]对湿软路基进行了研究，得出土路基在水作用后的变形以及应力的分布特点。缪协兴[5]通过分析温度应力场与湿度应力场的相似性，从而将湿度应力场转化为温度应力场进行研究。虽然前人已做了众多的研究，但是对围垦区土体湿度变化对路基的影响的研究还很少，对沉积软土在失水收缩作用下的湿度应力场分析的研究也还不够。本文结合工程实例，针对沿海围垦区内道路路面出现湿线裂纹状况，考虑土基湿度场梯度变化特点，研究湿度场随时间变化的路基土内部出现的缩裂情况，分析其对路面应力的影响，以期对围垦区高湿度软土路基设计、施工及后期维养提供理论依据与施工指导。

1 温度场与湿度场的转化

由于湿度应力场与温度应力场具有相似性[5]。单位土体所储存的热量和所增加的热量相等，而土壤中水分的运动具有同样的规律，即：单位体积内水分流入量与单位体积内水分储存变化量相等。由于上述特性，物体在温度场作用下产生的热传导偏微分方程与物体在渗流作用下产生的土壤水分运动的偏微分方程形式相似。故可以对湿度应力和温度应力进行相应的转化。

由热量平衡方程以及热传导方程可以推得热传导的微分方程为：

(1)

其中，CV为材料的比热容；T为热力学温度；λ为热传导系数。

在对温度应力和湿度应力进行转化时，可以用土体的比水容代替物体的比热容，同时将渗透系数k代替热传导系数λ即可。

2 工程状况简介

本文以东南沿海某围垦区软土路基为对象。围垦区上部有一层素填土、黏土，大约1.0 m～2.4 m厚，其下为20 m～35 m的淤泥质软土，再往下即为厚度为50 m左右的粉质黏土层。由于软土具有含水量高的特性，且土基在近海一侧有渗流水分补充，远海一侧为硬土山地地质，少有水分补充，自然条件下，由于围垦区内不断发生的蒸发和渗流作用，土体内部湿度场由近海到山地存在较大差异，围垦区内土基存在不均匀收缩，导致区内道路发生同围垦边界相近的裂缝。此外，为了方便计算模拟，将最上层厚度较小的素填土和黏土忽略，不予考虑。

3 有限元模拟分析

3.1 有限元分析模型及相关参数

地基土和路基土均采用摩尔库仑弹塑性模型。道路面层、基层、底基层均采用线弹性模型。具体参数如表1所示。

表1 材料参数

3.2 结果分析

3.2.1 土基的横向位移分析

有限元分析得到了有无湿度场变化的道路土基的横向位移云纹图，如图2所示。

由图2a)可知，在未施加湿度应力场时，土路基的中层和上层部分由于受到上部路堤的重力而向路堤两侧移动，在路堤两侧距地面约为5 m的土基中的x向位移最大，约为17.88 mm。由图2b)可知，在经过5年的变湿度场作用后，土基的位移状态发生了改变，由原来的对称状态变为沿路堤轴线左侧位移减小，沿路堤轴线右侧位移量增大，且最大位移的位置不变，数值变为95.23 mm。

在路基与土基之间的衔接处位移是连续的，随着湿度的变化，路基底部位移也有不均匀位移，其各点的横向位移如图3所示。

由图3可知，由于在土基内的湿度分布不均匀，由失水作用产生的收缩变形也不相同。且在路基底部的最右侧产生的横向位移最大，约为0.035 m，在路基底部最左侧产生的横向位移最小，约为0.015 m，且自左向右横向位移先增大后减小，在过了路基中部后继续增大，方向同向。又由于土基两侧的约束作用，这种不均匀的位移可能会导致在土基中产生裂缝。

3.2.2 路基横向应力分析

由于土基表面的不均匀变形，在路基底部会产生附加应力。根据在变湿度应力场下确定的土基结构表面的横向位移曲线并以此为边界条件编制子程序，在ABAQUS有限元软件中可以计算出路面的横向附加应力。图4为路基路面结构的横断面二维有限元模型。

将计算得到的土基变形施加到路基底层，作为路基受下部土基作用，进而分析路基路面结构各层的应力变形，得到了路基路面结构有无湿度变化的应力场，如图5所示。

从图5a)中可以看出，在无湿度应力场时，路基的横向应力沿着路基中心线轴对称分布。横向应力在路基内部为水平方向上的拉应力，并且在路基底部中心位置取得最大值，最大值为19 kPa;路面底基层中点有最大拉应力，拉应力为181.1 kPa。从图5b)可以看出，在有湿度场时，道路路基的横向附加应力在路基两侧的局部区域有明显的提高。并且最大附加拉应力为57 kPa,最大附加压应力为59 kPa。

由图6可以看出对于无湿度应力场条件下，在路基各层底的位移图像相似且沿道路中心线对称分布，均为先增加到最大值，然后保持不变，最后有所减小。但是其在路基底部坡脚位置的应力以及过渡到的最大应力是不同的。图6a)中所表示的路基底部各点的最大应力约为20 kPa，图6b)中所表示的路面底基层层底的最大应力约为200 kPa，图6c)中所表示的路面基层层底的最大应力约为100 kPa。

由图6中可以看出在有湿度应力场的作用下，层底应力在路基各层层底表现为不均匀，且应力曲线为“双驼峰”状，且左侧峰值明显大于右侧峰值。在图6a)所示的路基底部各点的应力图中，可以看出：在路基左侧边缘拉应力值由20 kPa急速增加到65 kPa左右，在维持一段距离后又急速地降低，变为压应力，压应力的最大值于道路中心取得约为4.6 kPa，后在距离道路中心5 m左右急速增加，由压应力变为拉应力，此时的峰值约为45 kPa。图6b)和图6c)的应力曲线相似，并且其初始应力也相同，唯一有区别的是路面底基层层底的拉应力以及压应力的峰值大于路面基层层底的峰值。

道路路基土的抗拉强度在压实度一定时，当路基土的含水率越大，抗拉强度越小[6]。根据上面得到的数据以及公路设计规范所确定的各材料结构层的容许拉应力可知：由于湿度应力场的存在，道路路基基底的最大拉应力接近土体的抗拉强度，一旦土基的湿度场增加，土基失稳，危及交通安全。另外，根据图6中所呈现的“双驼峰曲线”可知：道路路面基层以及底基层层底将可能产生疲劳开裂。