移动荷载作用下环氧树脂固化砂土路面力学行为特征分析

2021-12-21王广政白林越

装备制造技术 2021年8期

刘枢，王广政，白林越

（陆军工程大学野战工程学院，南京 210007）

0 引言

松软海滩多以砂土为主，由于海砂结构松散，黏聚力低，含水率高，往往抗剪强度低，承载能力极差，严重制约车辆装备的快速通行。在开展交通应急保障和抢通抢修时，若想在海滩上构筑急造通路，必须妥善处置砂土，克服松软泥泞障碍。松软海滩传统工程处置方法如强夯法、换土垫层法、加筋加桩法等[1]由于需要耗费大量的人力、物力和时间，并不适用。若采用就便路面器材如木材、竹子等需要大量采集，运输成本高，且多数只能人工铺设，本身承载能力也较低。因此采用土壤固化剂快速固化道路成为国内外研究热点。

目前许多学者利用不同种类的固化剂对土壤进行固化，并通过理论计算、室内试验、数值分析等对固化土力学和路用性能进行了大量研究[2-4]。而固化材料应用于道路路基、基层、底基层等的工程案例也多有实践而且取得了良好效果[5]。但多数研究或试验多集中于粘土、淤泥质土等，针对砂土的研究很少[6]，而且固化道路强度形成周期很长，无法满足交通应急保障需求。

本研究利用自主研发的环氧树脂复合固化材料对海滩砂土进行固化，通过有限元数值模拟，研究分析了移动荷载下固化砂土路面结构的力学行为特征，并结合海滩试验路铺设验证其固化效果。

1 固化道路路面板数值模拟

1.1 理论基础与基本假定

环氧树脂固化材料固化砂土，主要是在沙滩表层铺浇环氧树脂固化材料，与砂土混合同时发生固化反应，从而交联聚合，于砂层表面形成一硬化层[7]。鉴于急造道路及交通应急保障时效性要求，所用固化材料必须短时间内即可对海砂进行固化并且所形成固化道路具备基本通行能力。本次试验所用环氧树脂固化材料为自主研发，经前期室内试验研究发现，在含水量为0%～ 30%范围内，常低温条件下固化2 h 后海砂抗压强度可达到1.8 MPa，抗折强度为0.83 MPa，劈裂抗拉强度为1.1 MPa，理论上能够满足道路最低通行要求。

根据国内对沥青、水泥混凝土等路面结构的研究分析[8-10]，结合固化砂土的力学性能表现，把固化道路路面结构视作弹性地基上的薄板，并采用弹性层状体系设定。

1.2 道路结构各层参数设定

根据上述理论，利用ABAQUS 软件建立三层式典型道路结构模型，从上到下依次为路面层，基层和路基，分别对应于固化砂土层，典型砂土基层和弹性半空间地基，其中弹性地基采用软件自带设定“Elastic Foundation”来定义。各层参数设定如表1 所示。

表1 路面结构参数

1.3 模型尺寸及网格划分

通常在实际的计算过程中假设路面结构层为平面无限大的弹性体，路基为平面半空间体，但由于在车轮荷载作用下，路面各层的拉应力、剪应力会集中出现在荷载接触面附近一定范围内，因此在充分考虑车轮接地尺寸和垂直应力等特征后，本文采用的三维有限元模型长、宽分别为10 m×3 m，厚度为各层厚度之和。

在对三维有限元模型进行网格划分时，通常采用非均匀的网格划分方法，在离荷载作用较近的区域采用较细的网格划分，在离荷载作用较远的区域则采用相对较粗的网格，在荷载作用区域加密网格，即固化砂土路面层采用较细的网格划分，基层则选取一般状态的网格进行划分即可。采用这种网格划分技术，能够很有效的缩短有限元计算的时间，提高计算结果的精确度，从而提高有限元工作的效率与质量。采用单元为C3D8R，整体模型如图1 所示。

图1 路面结构模型

1.4 荷载施加和边界条件

根据现行公路相关规范的要求，采用标准轴载100 kN，即轮胎接地压强（轮压）为0.7 MPa，由文献可得矩形均布荷载模拟轮胎与路面的接触更接近实际情况，本文采用双矩形均布移动荷载，单个矩形尺寸为23 cm×16 cm（L为16cm），两矩形中心间距为32 cm，如图2 所示。荷载加载需调用ABAQUS 用户子程序编写DLOAD 语句。

图2 双矩形均布移动荷载

模型底面为全约束，路面横向左右两面为U1=UR2=UR3=0，其他表面无任何约束。路面层与基层层间接触方式为硬接触，即假定两个接触面不会分离，一直处于粘结状态，保证接触面处的竖向应力和位移能够连续传递。

1.5 结果与分析

道路结构的稳定性对于急造道路构筑和后续通行保障至关重要，在这其中路面承载能力、竖向沉降及道路抗剪能力是我们关心的三个方面。承载能力关系到道路是否具备最基本的车辆装备通行能力，路面因行车荷载或其他荷载产生的不均匀沉降会极大地影响行车的速度、舒适性和安全性；而在连续通行条件下，一般道路抗压、抗折等能力指标均能满足，而道路抗剪能力很多时候就成为了制约因素，抗剪能力的不足会导致如路面车辙和层间滑移变形等危害。基于砂土地基天然含水率高，孔隙比大，承载能力以及抗剪能力比较差等特性，如果不加以考虑和控制，会进一步导致道路结构的破坏，影响后续通行。

图3 为车辆荷载施加在道路中段以及道路一端时固化道路的弯沉位移云图。由图3（a）可以看出，车辆行驶在道路中段时，从荷载分布区域来讲，弯沉主要分布在轮迹带正下方，在轮迹带中间区域的弯沉略小于荷载正下方，其后随着与轮迹距离的增加，弯沉值逐渐减小，向外扩散，最大弯沉值为0.044 cm。在较远的非荷载分布地区，路面则有轻微的向上翘的趋势，这与弹性板受横向荷载的受力特性相符，在实际中路面层受基层的摩擦牵拉和周围土层的约束，该位移会更小甚至不会发生。图3（b）则说明车辆荷载加载在路面板一端时，对路面层远处产生的向上位移会更大，这一段通常为固化道路与其他道路接驳段，可见移动荷载施加于固化道路其中一端时对路面板产生危害的更大。

图3 弯沉位移云图

图4 为基层在车辆荷载作用下沿道路横向和纵向（行车方向）的竖向位移分布云图，可以看出最大位移值均为车轮轮迹正下方，且呈现出边向外扩散位移值边减小的波浪纹图。弯沉值沿着道路横向距离的变化情况如图所示，左右轮迹中间弯沉值相对要小一些。对比可以看出，固化道路弯沉值随着离路面深度的增加逐渐减小，路面板整体竖向位移要大一些，但基层由于是砂土层，虽然深度已经增加了，产生的竖向位移并不比路面层小多少。

图4 基层竖向位移分布云图

行车荷载作用下固化道路结构层沿道路横向和纵向的竖向应力云图见图5。图6 则为竖向应力值随着道路横向距离变化的曲线。可以看出，横向上竖向应力在轮隙两侧呈对称分布，最大压应力发生在轮胎正下方，轮胎中间应力变化幅度最大，轮胎中心下方应力最大值为0.73 MPa，是轮胎边缘处的2.18 倍，左右两轮中间区域则受影响比较小，只有轻微拉应力存在。纵向方向上竖向压应力由轮迹中心向轮迹带范围以外随着距离的增大逐渐减小，且影响范围只有0.5 m，再往外则是拉应力。固化道路所受剪力与竖向应力相比具有相似的对称性，但影响范围要大得多，横向上横跨整个路段，在纵向上以轮胎中心为圆心0.7 m 内均有剪力存在，最大剪应力为0.63 MPa。具体剪力分布云图如图7 所示。

图5 竖向应力云图

图6 竖向应力值

图7 剪力分布云图

2 试验路铺设

2.1 铺设总体方案

结合有限元分析的结果，选择福建某地海滩开展试验路铺设，以验证环氧复合固化材料固化砂土道路的路用性能。本次试验铺设试验道路为10 m×3 m 道路段，固化砂土层设计厚度为20 cm，砂土含水率不超过10%，主要通过机械设备和人员配合，经配胶、拌合、回填、压实等措施进行铺设。试验路铺设完成两个小时后进行通车试验。

2.2 具体施工过程

准备下承层。首先划分出所需铺设场地并进行清理，将贝壳、渔网、碎石等杂质清除，提前把厚度约为15 cm 的海砂挖取出来放置于固定区域，便于下一步与固化材料拌合。用整平机平整所划定场地，形成适宜工作面，施工前用洒水壶将地面适当湿润，避免因暴晒导致地面温度过高，导致固化砂土过快硬化，保证层间良好结合。

配料。根据填筑道路长、宽、厚度以及现场砂土密度，计算需加固海砂质量。根据混合料的配合比计算相应固化材料的用量，提前分配好环氧复合固化材料A、B 组分，作业时迅速把A、B 组分混合并用搅拌机搅拌2 min 左右至充分混合无色差。

拌合。在拌合前取部分现场试验砂土，便于进行含水量测试。拌合采用的机械设备是小型拌合机，容量约为1 m3，采用分批次拌合作业。拌合时将配好的固化材料缓慢倒入拌合机中，尽可能确保均匀，整体拌合时间不超过3 min，并对全过程进行观测，防止部分区域因固化材料过多产生爆聚现象，提前形成硬块，失去流动性。

摊铺。将经拌合的固化砂土及时运至铺设场地，分3 次铺设完成。部分缺料地方及时补填，使外观上无明显凹陷或接缝。

整平。用铁锹等对铺设路段进行拍打稍微压实，并用整平机进行路面整平，其后等待固化2 h 后进行通车试验。

通车。待试验路段固化2 h 后进行车辆通行，所用车辆为通用运输车，经装载后总重约为10 t。通车时车辆反复来回碾压道路，以来回碾压算一次，共碾压1 h180 余次，其中每20 min 测一次路面弯沉变化值。

2.3 试验结果

图8（a）为试验道路通车试验后整体状况。经1 h车辆反复碾压后，路面整体仍保持结构完整，表观无裂缝或者凹陷出现。图8（b）所示为固化道路与原砂土路接驳路段区域，可以看出，未经固化的砂土路段由于无法承受车辆的来回碾压，已经产生明显车辙，经测量其厚度可达到16.3 cm，而在接驳区域，所用固化材料原本就不多，经试验后也产生了部分车辙以及明显破碎损坏。而后续铺设路段仍保持良好外观和路用性能。

图8 通车试验状况

这是由于固化路段和砂土路段承载能力、刚度、弹性模量等差异过大，车辆在固化道路与砂土路段过渡时产生了一定的跳台效应，车辆动能极短时间内传递到固化道路上，对路面板产生较大伤害，这与数值模拟中行车荷载加载在路面一端时的受力特性较为相似，而且现场观测时可发现路面板靠近接驳一端约30 cm 范围在通车后半段时间内车辆驶近和驶离时虽然能够保持结构完整无损，但有明显的弯沉及回弹现象，说明固化砂土道路具有一定的弹性和韧性，其原因可能是固化砂土路面板底下的砂土层经碾压后密实度增大，伴随着一定的沉降发生，从而反映到固化砂土路面板上来，导致路面板的近似弹性变形发生。