交通荷载作用下大粒径土石混合料路堤沉降特性分析

王延忠，刘长瑞，孔振中，赵志朴，冯柏人

(1.山东省公路桥梁建设有限公司，山东 济南 2500001；2.山东建筑大学交通工程学院，山东 济南 250101)

0 引 言

京沪高速改扩建莱芜新泰段第二标段位于丘陵地区，广泛分布着大粒径块石和土石混合料。为便于因地制宜、就地取材，需研究大粒径土石混合料填筑路堤的沉降特性。由于大粒径块石的尺寸较大，难以直接进行室内试验，随着有限元软件的日渐成熟，越来越多的学者[1-3]利用Abaqus软件对大粒径土石混合料进行数值模拟研究。

本文从京沪高速改扩建大粒径土石混合料填筑路堤出发，采用有限元计算来研究交通荷载作用下大粒径土石混合料路堤沉降特性。

1 工程概况

京沪高速公路改扩建莱(芜)新(泰)段第二标段起点桩号为YK507+460(ZK507+469)，终点桩号为K540+580，全长33.12 km，途经泰安新泰市龙廷镇、汶南镇，至临沂市蒙阴县常路镇。其中起点至K525+700为分离式路基，长18.24 km；K525+700至终点为整体式拼宽路基，长14.88 km。

本次模拟大粒径土石混合料填筑于京沪高速公路改扩建莱(芜)新(泰)段第二标段分离增建路基。路基标准宽度20.75 m，双向四车道，设计车速120 km/h，坡度1∶1.5，路面结构厚度0.84 m，路堤高度为6 m，土基高度为10 m。

2 模拟方案

考虑车辆荷载作用，通过有限元软件Abaqus建立三维道路模型，模拟块石在路堤内部不同深度和粒径条件下路堤的沉降特性。

2.1 块石布放方案

将各粒径块石分别布放于路基内部距顶面1.9 m、3 m、4 m处，块石布放净距为2倍粒径长度，具体填筑方案如表1所示。

表1 块石填筑方案

2.2 参数选取

使用Abaqus软件建立道路三维模型(见图1)，模拟时固定下部地基的底面和4个侧面的边界条件，同时固定地基前后两侧面的边界条件(即垂直于道路方向的两个侧面)，设置路面、两侧坡面以及地基的上表面为自由边界。通过土石混合料基本物理力学性质试验及其他施工设计资料，确定路面结构及路基的各项参数如表2所示，土体本构采用Mohr-Coulomb(摩尔库仑)模型，三维有限元模型如图1所示。参考《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)[4]中车辆荷载有关规定，选用公路-I级荷载后轴重力标准值2×140 kN，着地面积宽度0.6 m×长度0.2 m，换算成均布荷载为1 167 kPa，按车辆荷载作用频率较高情况考虑，假定荷载沿高速公路程带状连续分布，荷载作用宽度为0.2 m。

表2 模型参数选取

图1 模型建立

3 模拟结果及分析

取路基中线处及其左右两侧各一个块石分析，块石从左往右依次编号1～3。

3.1 块石粒径对沉降影响结果及分析

在Abaqus中提取块石及路基顶部沉降，并对各块石进行编号绘制块石粒径-沉降曲线(见图2)及块石布放各深度下路面单元沉降变形量路径曲线(见图3)，定性分析粒径对路基竖向稳定性影响规律。以编号“1.9-1”为例，“1.9”为块石埋深距路基顶面1.9 m，“1”为路基中心左侧块石编号。

图2 块石粒径-沉降曲线图

由图2可以看出，随着粒径的增加，各埋深块石的沉降均逐渐减小；由图3可以看出，路面沉降量由两侧路肩向路面中心逐渐递增，最大值和最小值之差极小，几乎无沉降变形，且同一埋深下块石粒径越大，路面沉降量越小，竖向稳定性较好。

图3 块石布放各深度下路面单元沉降变形量路径曲线图

3.2 块石埋深对沉降影响结果及分析

在Abaqus提取各工况路基中心及周围两个块石沉降数据，并由左到右依次对各块石进行编号绘制埋深-沉降曲线(见图4)及各粒径块石布放路面单元沉降变形量路径曲线图(见图5)，定性分析粒径对路基竖向稳定性的影响。以编号“0.4-1”为例，“0.4”为块石粒径0.4 m，“1”为路基中心左侧块石编号。

由图4～图5可以看出，随着各粒径块石埋深增加，块石沉降量逐渐变小，二者基本呈线性负相关关系，路面沉降量也随埋深的增大而减小，且两侧路肩沉降量小于路面中心。

图4 块石埋深-沉降曲线图

图5 各粒径块石布放路面单元沉降变形量路径曲线图

4 结 论

综合以上数值模拟的结果，得到如下结论。

(1)块石的粒径越大，块石对其周围填料侧限作用范围越大，块石及路面沉降越小，路基竖向稳定性越好。

(2)块石埋深越大，由路基上部传递下来的能量衰减越多，对块石的作用越弱，使其沉降减小，同时块石埋置深度越大，对底部填料的侧限作用越强，填料更加密实， 使得路基上部沉降也越小，稳定性越好。