车辆行驶荷载作用下路基形变分析

2022-08-10丁胤

交通科技与管理 2022年15期

丁胤

（贵州路桥集团有限公司,贵州贵阳 550001）

0 引言

近年来，随着我国高速公路建设技术的愈加成熟，对路基结构的耐久性提出了更高的要求。如何确保路基在行车荷载的持续影响下仍满足正常通行要求十分关键[1]。根据调查显示，路基病害部位会严重侵蚀路基结构，随着时间推移持续进行不利作用，大大降低其使用性能，影响行车安全，缩短使用年限。该文结合某高速公路实际工况，通过计算机模拟技术进行路基形变因素分析[2]。对质量缺陷路基在各种速度和轴向荷载影响下产生的纵、横向形变情况进行了全面探讨，得出病害要因及发展趋势，为类似工程提供参考。

1 工程概况

某高速公路采用双向四车道，各车道宽约3.5 m。路面层自上而下依次为面层、基层和底基层，总体厚度为0.8 m。路面层下方为路堤，坡度为1∶1.5，厚1.5 m，路堤表面存在厚0.7 m的缺陷层，为研究缺陷层对路堤的具体影响，运用数值法对其进行分析。路堤模型如图1所示。

图1 路堤模型示意图

2 数值建模

利用数值模拟手段对路基形变响应进行分析，首先通过室内试验可以获取路基土的关键参数，利用现场测试传感器可以获得路基动态形变响应，并作为数值模拟基准[3]。该文主要通过采用现场测试的方法，获得车辆荷载下的路基形变响应，为数值模拟计算提供参考。

2.1 网格划分

汽车通行荷载是典型的动荷载，文章选择ABAQUS系统中的EXPLICIT功能对其实施分析。图2为路基模拟图，为保证运算速度，选择前半部分参与模拟。模型规格为：28 m（x轴）×35 m（y轴）×23 m（z轴），由上而下分别是路面层、路堤、缺陷层、基层，相关力学指标和土层厚度见表1。选用摩尔－库伦理论进行模拟，为能够科学有效地研究质量缺陷造成的危害，对缺陷部位实施网格化加密处理，缺陷部位在y轴的长度为14.5 m。共建立网格25 568个，采用六面体单元网格。

表1 土体物理力学指标

图2 数值模拟图

选择ABAQUS软件，用AMPLITUDE模块来完成交通荷载的变化，利用DLOAD程序完成荷载移动。为研究各种荷载的作用，结合文献，分别选取100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 4种荷载参与研究，具体如表2所示。

表2 车辆荷载形式

2.2 模拟工况

为对各种速度和行车荷载作用下路基的沉降形变情况进行分析，如表3所示，选取行车速度为40 km/h、60 km/h、80 km/h三种状况，车辆轴向荷载为100 kN、125 kN、160 kN、185 kN四种状况，施加荷载5 000次，共计12种情况。

表3 模拟工况

3 车辆速度和轴向荷载对路基形变分析

3.1 车辆沿行驶方向的路基沉降分析

行车速度达到40 km/h、60 km/h、80 km/h时，车辆轴向荷载在100 kN、125 kN、160 kN、185 kN时，沿车辆行进方向的路基沉降分布情况如图3所示，通过对图中185 kN轴向荷载影响下正常部位和缺陷部位路基的形变量比较分析，图3a）能看出行车速度保持40 km/h匀速状态下，路基形变量随轴向荷载的增大而逐步增大，在不同轴向荷载作用下，水平4 m位置处所产生的形变量最大，当轴向荷载分别施加至100 kN、125 kN、160 kN、185 kN时，所产生的沉降值依次为13.2 mm、17.1 mm、21.9 mm、25.1 mm。而正常部位路基产生的最大形变量为12.6 mm，和相同状况下缺陷部位路基相比，其形变量降低了49.8%。

通过图3b）能够看出，车辆以60 km/h的速度匀速行驶时，路基形变量随轴向荷载的增大而逐步增大，在不同轴向荷载作用下，水平4 m位置处所产生的形变量最大，当轴向荷载分别施加至100 kN、125 kN、160 kN、185 kN时，所产生的形变量依次为12.8 mm、15.7 mm、19.6 mm、24.2 mm。而正常部位路基产生的最大形变量为11.7 mm，和相同状况下缺陷部位路基相比，其形变量降低了51.7%。

通过图3c）可以看出，车辆以80 km/h的速度匀速行驶时，路基形变量随轴向荷载的增大而逐步增大，在不同轴向荷载作用下，水平4 m位置处所产生的形变量最大，当轴向荷载分别施加至100 kN、125 kN、160 kN、185 kN时，所产生的形变量依次为10.1 mm、12.6 mm、15.8 mm、18.8 mm。而正常部位路基产生的最大形变量为8.5 mm，和相同状况下缺陷部位路基相比，其形变量降低了55%。

图3 沿行驶方向路基沉降图

需要特别强调的是，汽车匀速前进时，各种轴向荷载作用下的路基形变量曲线相同，而当速度发生改变时，该曲线产生差异性变化[4]。当速度达到40 km/h时，其曲线呈“W”形；当车速达到60 km/h和80 km/h时，曲线呈“V”形[5]。同时，相同状况下，路基沉降随着速度的增加而降低。

3.2 道路横断面路基沉降分析

行车速度达到40 km/h、60 km/h、80 km/h时，车辆轴向荷载在100 kN、125 kN、160 kN、185 kN时，沿公路横断面的路基沉降分布情况如图4所示，同时，在图中对185 kN轴向荷载影响下正常部位和缺陷部位路基的形变量比较分析。通过图4a）能够看出，在距道路中心线6.5 m位置处，路基沉降曲线两端总体呈现对称状态，在车轮位置处的沉降值最大，且车轮外围300~600 mm范围内产生了凸起，而车辆下部的路基和车轮处相比沉降量较小[6]。行车速度保持40 km/h匀速状态下，路基形变量随轴向荷载的增大而逐步增大，在轴向荷载为100 kN、125 kN、160 kN、185 kN时，所产生的沉降值依次为13.8 mm、14.3 mm、22.1 mm、25.5 mm。而正常部位路基产生的最大形变量为12.5 mm，和相同状况下缺陷部位路基相比，其形变量降低了51.0%。

图4b）为车辆以60 km/h的速度匀速行驶时公路横断面路基形变量变化曲线，它和速度为40 km/h时曲线状态相同。当车辆保持60 km/h的速度匀速行驶时，路基沉降值随轴向荷载的增大而逐步增大，在轴向荷载为100 kN、125 kN、160 kN、185 kN时，所产生的沉降值依次为12.6 mm、16.2 mm、20.7 mm、23.9 mm。而正常部位路基产生的最大形变量为11.5 mm，和相同状况下缺陷部位路基相比，其形变量降低了51.9%[7]。

图4c）为行车速度在80 km/h时公路横断面路基沉降形变曲线，它和速度为40 km/h、60 km/h时曲线状态相同。当车辆保持80 km/h的速度不变时，路基沉降值随轴向荷载的增加而逐步增大，在轴向荷载为100 kN、125 kN、160 kN、185 kN时，所产生的沉降值依次为10.8 mm、13.0 mm、16.9 mm、19.1 mm。而正常部位路基产生的最大形变量为8.8 mm，和相同状况下缺陷部位路基相比，其形变量降低了53.9%[8-9]。