打开文本图片集
摘 要:交通动荷载作用下粉土路基具有沉降变形过大等特点,成为公路工程难题。依据工程实例,采用大型有限差分软件FLAC3D对某粉土路基进行了动力响应分析,得到了路基沉降云图、路表沉降时程规律和剪切应变增量云图等。数值分析表明:动荷载幅值为10kPa、20kPa、30kPa和40kPa时,路基表面沉降位移分别为0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm,呈非线性增长;路基沉降分为瞬时沉降和动力固结沉降,其中动力固结沉降约占总沉降的一半左右,在公路工程中应给予重视。
关键词:粉土 路基工程 交通荷载 数值分析
中图分类号:TU441 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2015)03(b)-0083-04
The Analysis on Response Characteristics of Silt Subgrade under Traffic Load
Zhang Wanlong
(China Railway seventeen bureau Group Third Engineering Co Ltd Shijiazhuang,Hebei,050000,China)
Abstract:The large settlement deformation of silt subgrade under traffic loading is a important engineering problems. Based on engineering example,the dynamic response of silt subgrade was analyzed.Subgrade settlement cloud、the road surface settlement process rules and shear strain increment cloud was obtained. Numerical analysis shows that: the dynamic load amplitude of 10kPa, 20kPa,30kPa and 40kPa, the subgrade surface subsidence displacement were 0.52cm,1.09cm, 1.71cm and 2.50cm,is non-linear. Subgrade settlement is divided into immediate settlement and power consolidation settlement and dynamic consolidation settlement accounts for about half of the total settlement.
Key Words:Western Liaoning Silt;Subgrade Engineering;Traffic Load;Numerical Analysis
粉土是指高液限粉土,具有天然密度较小、孔隙率较大等特点,因此是一种不良的路基材料。但随着东北公路事业的发展,使得粉土不得不成为公路、高速公路的路基土,因此研究动荷载作用下粉土路基响应特性是道路工程研究的重要内容之一[1-2]。
在21世纪以前,车辆只在较低速度下运行,行驶过程中产生的动载效应对路基影响有限,可以采用静荷载等效方法进行分析,因此动荷载作用下路基响应特性研究相对于实践较为落后[3]。随着重型汽车、重载列车和提速列车对路基产生越来越大的影响,深入研究路基在动荷载作用下的响应特性成为重要工程问题[4]。文献[5]对移动荷载作用下粉土铁路路基进行了研究,分析了移动荷载速度对路基的影响,结果表明:在速度不大时,路基位移与速度呈正比,但当速度达到一定值时,路基沉降位移会发生突变,因此控制列车速度是十分必要的。文献[6]结合我国列车提速和高铁列车行驶中存在的问题,通过数值分析的方法,研究了高速行车条件下路基动力响应包括横断面位移、加速度、应力随行车速度的突变或双峰现象的变化规律,结果表明:车辆和轨道之间的作用较为复杂,有互补影响。文献[7]首先得到了高速列车振动荷载,然后对路基动力响应进行了分析,得到路基动力响应的横断面分布场图,并与实际监测进行对比,结果大致相符。
重型汽车、重载列车和提速列车成为未来运输业发展的方向,而其引起的动荷载对路基沉降变形和边坡稳定性的影响也成为重要的工程问题。粉土作为一种工程性质不良的路基土,不适宜作为高等级公路或铁路的路基,因此研究动荷载作用下粉土路基响应特性成为十分必要的。文中依据某工程实例,对动荷载作用下粉土路基响应特性进行了数值模拟。
1 工程地质情况
勘察区位于某市向斜北西翼,岩层呈单斜产出,产状136°∠43°。场地未发现断层和次生褶曲,受区域构造的影响,主要发育两组裂隙,其产状为:I组315°∠61°,裂面平整,无充填,张开度2~20mm,间距0.4~3.0m,延伸长0.5~4.5m,贯通性差;II组205°∠82°,裂面平直,无充填,张开度5~15mm,间距0.5~2.5m,延伸长0.8~4.0m,贯通性较差。区内裂隙不甚发育,岩体较完整,结构面结合程度差,属硬性结构面,勘察区地质构造简单。
根据该市气象局提供的资料,勘察区属温带湿润气候区,湿热、凉寒,四季分明,降雨充沛,日照充足。多年年平均气温18.20℃,最高气温44.5℃。最低气温-4.10℃。降雨多集中在5~10月,区内多年年平均降雨量1172.1mm,最大年降雨量1614mm,最小年降雨量886.6mm。日最大降雨量230.8mm,三日以内最大降雨量达355.3mm,降雨量集中于4月下旬至7月下旬,8月下旬至10月下旬。降雨量大于58mm的时间段有5月下旬、6月下旬、7月上旬和9月中旬,降雨量最小时间段为元月上旬,仅3.0~4.5mm。
2 粉土路基响应模拟
2.1 数值模拟过程
FLAC3D拥有多个计算模块,可以进行包括静力分析、渗流分析和动力分析在内的多方面数值模拟。应用FLAC3D进行动力响应分析时,采用的是完全非线性方法,可以考虑结构非线性、几何非线性和荷载非线性等,因此是完全意义上的非线性响应分析。采用FLAC3D进行交通荷载作用下粉土路基响应分析时,可以将命令流按照顺序储存在文本文件中,这样在分析问题时,直接采用call命令调入,即可以分析求解了。FLAC3D的分析流程大致如下:建立有限元分析模型、定义材料模型和参数以及设定边界条件和初始条件。
2.2 模型建立及参数选取
本次数值计算采用某高速公路某段作为工程依托,数值计算采用三维有限元模型,公路原地基高度取15m,路堤高度为2m,模型横向宽度取30m,纵向长度取20m;数值模型的节点总数为11991个,总单元个数为10400个;粉土路基有限差分网格如图1所示。本次数值分析采用摩尔-库伦本构模型,相关物理力学参数见表1所示。
2.3 边界条件
在进行动荷载作用下路基液化动力特性响应分析时,模型边界条件的选择对数值分析有较大影响,这是因为动荷载的本质是一种波,波在传播的过程中遇到边界面会发生反射,这会严重影响动力响应分析结果的可靠性。本文在路基两侧采用变换边界的方法,即采用可以吸收边界界面反射波的自由场边界;路基底部约束法向位移,上部为自由面。
3 结果分析
3.1 位移时程分析
不同车辆动荷载幅值作用下,某粉土路基不同深度沉降位移随时间变化规律如图2所示。由图2可以看出:在车辆荷载作用的瞬时阶段,路基会产生一个相应的瞬时变形,这属于弹性变形范畴,可以由经典弹性力学进行计算;其次,路基沉降变形会随着动荷载作用而持续增长,在荷载作用前期增长速率较大,后期增长速率逐渐减小,路基沉降变形逐渐趋于稳定;动荷载作用下,路基沉降变形成上下波动状态,如果波动振幅较大,将会影响行车的舒适性。动荷载幅值为10kPa、20kPa、30kPa和40kPa时,路基表面最终沉降位移分别为0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm,呈非线性增长;可以看出:路基瞬时变形约占总变形的50%左右,长期变形也约占一半左右,因此瞬时变形和长期变形在工程上都应受到重视。
3.2 位移云图分析
不同车辆动荷载幅值作用下,某粉土路基沉降位移云图如图3所示。由图3(a)可以看出:在车辆动荷载作用下,路基表面沉降变形最大,随着深度的增加,路基沉降变形逐渐减小;图3(a)显示:在路基表面中心处沉降变形最大,向路肩方向路基沉降变形逐渐减小。联合图3(a)(b)(c)和(d)可以看出:随着动荷载幅值的增加,路基沉降变形逐渐增大,并可能发生屈服破坏。
3.3 剪切应变增量分析
不同车辆动荷载幅值作用下,某粉土路基剪切应变增量云图如图4所示。由图4(a)可以看出:在车辆动荷载作用下,路基表面中心处剪切应变增量最大,但并不是最可能发生破坏的位置;路基路肩处剪切应变增量也较大,并且由于处于不利的受力状态,因此最容易发生剪切滑坡破坏,由图(a)可以看出:在路基路肩处形成一定的滑动带,但不是很明显;联合图3(a)(b)(c)和(d)可以看出:随着动荷载幅值的增加,路基路肩处剪切滑动带越来越明显,路基逐渐发生剪切破坏。
3.4 竖向位移分析
不同车辆动荷载幅值作用下,某粉土路基竖向沉降位移云图如图5所示。由图5(a)可以看出:在车辆动荷载作用下,路基表面沉降变形最大,并形成一个类椭圆的等值沉降面,随着沉降面的加深,路基沉降变形越来越小;图5(a)显示:在路基表面中心处沉降变形最大,向路肩方向路基沉降变形逐渐减小。联合图5(a)(b)(c)和(d)可以看出:动荷载幅值的增加,显著改变了路基沉降位移的分布情况,并且路肩也可能发生剪切滑移破坏,因此在路基设计和施工的过程中,应特别加以注意。
3.5 路基中心竖向位移分析
不同车辆动荷载幅值作用下,某粉土路基中心处不同深度沉降位移变化规律如图6所示。由图6可以看出:随着车辆动荷载幅值不断增大,粉土路基表面的沉降位移也不断增大;动荷载幅值为10kPa、20kPa、30kPa和40kPa时,路基表面沉降位移分别为0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm,可以看出路基表面沉降与动荷载幅值并非线性关系而是非线性关系;由图6还可以看出,随着路基深度增加,相应的沉降位移不断减小,在深度为10m处发生转折,说明动荷载对路基的影响一般在10m左右。
4 结论
文章基于有限差分软件FLAC3D对动荷载作用下粉土路基响应特性进行了数值计算,得到了主要结论如下。
(1)通过有限差分软件FLAC3D对路基动力响应进行了分析,结果表明通过数值分析的方法可以有效地分析动荷载作用下粉土路基的响应特性。
(2)粉土路基沉降时程规律表明:动荷载作用下,路基会产生一个瞬时沉降,约占总沉降50%左右,随后路基沉降随时间持续增长,并达到一个稳定值。
(3)路基中心沉降规律表明:动荷载幅值为10kPa、20kPa、30kPa和40kPa时,路基表面沉降位移分别为0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm,呈非线性增长。
(4)路基剪切应变增量规律表明:随着动荷载的不断增加,剪切带越来越明显,动荷载幅值为30kPa时是一个转折点。
参考文献
[1]黄志军,赖远明,李双洋,等.交通荷载作用下冻土路基动力响应分析[J].冰川冻土,2012(2):418-426.
[2]边学成,曾二贤,陈云敏.列车交通荷载作用下软土路基的长期沉降[J].岩土力学,2008(11):2990-2996.
[3]刘雪珠,陈国兴.轨道交通荷载下路基土的动力学行为研究进展[J].防灾减灾工程学报,2008(2):248-255.
[4]聂志红,刘宝琛,李亮,等.移动荷载作用下轨道路基动力响应分析[J].中国铁道科学,2006(2):15-19.
[5]梁波,孙常新.高速铁路路基动力响应中的双峰现象分析[J].土木工程学报,2006(9):117-122.
[6]孙常新,刘桂香,梁波.基于有限元方法的铁路路基动力响应场分析[J].路基工程,2008(2):28-30.