基于有限元软件对超软土道路地基的研究

邵李珉华,张 艳

(1.江西省交通投资集团有限责任公司宜春管理中心,江西 宜春 336000;2.黑龙江省公路建设中心,黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

在道路建设的过程中遇到需在软土地基上修建道路时,影响道路质量及正常使用的关键在于对变形的控制,道路的变形主要是因为软土下沉导致的。超软土地基在路面荷载和交通荷载的长期作用下,容易造成不均匀沉降,包括瞬时沉降、主固结沉降及次固结沉降等。

对不均匀沉降有关人员进行了系列研究,其中李云峰等[1]对路基的不均匀沉降机理及相关的整治措施进行研究,研究提出具体的相关对策措施; 张嘉凡等[2]对道路工程中软土地基的不均匀沉降进行研究,研究表明:沥青面层模量和底基层模量对面层底面的附加应力影响明显,基层模量对附加应力的影响不太明显;凌建明等[3]对湿软地基在行车荷载作用下的变形进行研究,提出了行车荷载作用下湿软路基残余变形的预估方法;耿大新等[4]对软土路基在长期交通荷载作用下的残余变形进行研究,建立了交通荷载作用下软土地基残余变形的计算方法,并对不同类型的交通荷载引起的软土路基的残余变形量进行计算;王鹏飞等[5-7]对在软土地基道路中加宽路堤产生的变形进行理论计算并分析其成因,研究表明:荷载瞬时作用后,地基中有明显的有效应力变化,这是地基产生初始沉降的原因,不同的拓宽路段应结合实际的情况采取不同的加固措施;徐远杰等[8-12]通过有限元软件对本构模型进行模拟分析,研究结果表明:在 Abaqus中增加Duncan-Chang材料本构模型后,能够提高计算的速度、计算的精度,还能充分地利用该软件强大的非线性求解平台完成复杂土工应力应变的有限元数值分析问题,同时还能极大地降低土工分析程序开发的难度,并减少维护工作量。

为此在现有研究成果基础上,通过理论研究与数值模拟相结合的方法,借助PLAXIS及Abaqus有限元软件对超软土道路地基的变形进行研究,并对路基路面破坏的原因进行分析。

1 超软土道路地基的变形机理分析

(1)瞬时沉降:瞬时沉降主要是由于在加载的瞬间土中的水来不及排出,导致在不排水和恒体积的情况下,剪应变引起侧向的变形而产生沉降;这种沉降与加载的速率及加载的方式有很大的关系。

(2)主固结沉降:主固结沉降主要是由于超静水压力的消散,应力增量转移到土体的骨架上,导致土骨架产生变形而产生的沉降;这种沉降是地表沉降的主要部分,主要与时间有关,沉降主要表现在体积变化上。

(3)次固结沉降:次固结沉降主要是在主固结沉降基本完成后,在有效应力基本保持不变的情况先,土骨架随时间的推移继续产生的沉降;这种沉降主要是在长期荷载作用下而形成的,一般沉降值较小。

(4)残余沉降:残余沉降主要是在车辆行驶荷载的作用下,将该荷载传至软土地基中,导致地基中的孔隙水压力累积升高,削弱了地基原本抵抗变形的能力,同时又随着累积孔隙水压力的消散,地基在此产生固结变形,从而产生累积的残余变形。这种主要是受车辆行驶荷载的影响。

在实际工程中道路的沉降是由主固结沉降、次固结沉降和瞬时固结沉降共同作用而产生的,在某个时间段内以其中的一种沉降变形为主,在不同的状态下三种沉降产生的大小也不相同。在较厚的软土中,当路基填筑完后所产生的沉降主要是由于主固结沉降产生的;在道路通车后,在往返车辆交通荷载的作用下,会导致地基中的孔隙水压力累积升高,不仅会削弱地基抵抗变形的能力,还会导致累积空隙水压力逐渐消散,此时会导致路基产生沉降,这种沉降称为累积残余沉降。

2 超软土地基的设计思路

在超软土道路地基中,瞬时沉降、主固结沉降及次固结沉降一般都是同时发生的,针对超软土地基沉降量大、主固结时间较长,受车辆荷载作用的影响大及不均匀沉降大的沉降特点,在这种不良的地基上进行道路的建设时,需对地基进行加固来减小不均匀沉降和总沉降量,使道路能够正常的使用;其次在道路荷载作用下地基已经完成较高固结度后,应适当的增加维护,对路面形成保护效果。

3 有限元分析

3.1 有限元模型分析

在有限元模型分析中所采用的土体分析模型为弹塑性模型(Mohr-Coulomb),弹塑性模型在进行分析时其屈服面是固定的,塑性应变不会影响屈服面,屈服面可以通过模型的参数来进行设定,屈服面范围内的点就代表着材料应力模型的弹性,其变形可以自由恢复。弹塑性模型由弹性应变、塑性应变、弹性应变增量、塑性应变增量组成,具体可见公式(1)、公式(2)。

ε=εe+εp

(1)

ξ=ξe+ξp

(2)

式中:ε为应变;ξ表示应变增量;εe为弹性应变;εp为塑性应变;ξe为弹性应变增量;ξp为塑性应变增量。

3.2 模型及相关参数设置

为研究超软土地基的变形沉降问题,借助有限元软件PLAXIS对在超软土地基上建设道路进行仿真模拟分析,本次模型中所采用的土体本构关系为摩尔—库伦弹性理想塑性本构关系,模型中关于土体的相关参数设置如表1所示,表1中参数根据工程中的地质勘探报告所得。

表1 模型参数设置

3.3 有限元仿真结果分析

(1)瞬时固结沉降分析。

根据模拟的结果对瞬时固结沉降进行分析,具体的结果如图1所示。

图1 瞬时沉降结果图

从图1中(a)沉降的网格变形图中可以看出,在模型中有软土地基部分,在左上角的网格变形最为严重,说明在此处的沉降最大,从(b)位移图中也看出此现象,在左上角的位移变形最大,并且发现本次模拟的瞬时固结沉降最大值约为13.75 cm。

(2)主固结沉降分析。

根据模拟的结果对主固结沉降进行分析,本次对主固结沉降的分析是模拟在道路建成900 d后的沉降结果,具体的结果如图2所示。

图2 主固结沉降结果图

从图2中(a)沉降的网格变形图中可以看出,在模型中有软土地基部分,在左上角的网格变形最为严重,说明在此处的沉降最大,从(b)位移图中也看出此现象,在左上角的位移变形最大,并且发现本次模拟的瞬时固结沉降最大值约为27.2 cm。

(3)累积残余沉降分析。

根据模拟的结果对累积残余沉降进行分析,本次对累积残余沉降的分析主要是借助有限元软件Abaqus,在Abaqus有限元模型的参数设置与在PLAXIS模型中的参数相同,通过Abaqus软件结合总塑性变形的计算公式,结果如图3所示。总塑性变形计算公式

(3)

式中:Sp为塑性残余变形,εpi为第i层土体的塑性应变,Hi为第i层土体的厚度。

可以看出,在对超软土进行塑性应变区范围的模拟中发现,在模拟车辆荷载作用下软土的塑性应变主要发生在6 m左右的范围,通过上述的公式计算,可得其残余应变的沉降值约为15.5 cm。

通过对超软土道路地基的模拟结果发现,本次超软土地基的沉降为瞬时沉降、固结沉降及累计残余应变沉降,通过三者的累加可得到本次超软土的总沉降值约为56.45 cm。

4 结 论

在现有研究成果基础上,通过理论研究与数值模拟相结合的方法,借助PLAXIS有限元软件对超软土道路地基的变形进行研究,并对路基路面破坏的原因进行分析,研究结果表明:在超软土道路地基中主要会产生瞬时沉降、主固结沉降及累积残余沉降等,通过模拟计算,发现本次的模拟结果与常见的实际沉降结果相近,说明本次的模拟结果可靠,有一定的参考价值。