王延忠，劉長(zhǎng)瑞，孔振中，趙志樸，馮柏人

(1.山東省公路橋梁建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 2500001；2.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引 言

京滬高速改擴(kuò)建萊蕪新泰段第二標(biāo)段位于丘陵地區(qū)，廣泛分布著大粒徑塊石和土石混合料。為便于因地制宜、就地取材，需研究大粒徑土石混合料填筑路堤的沉降特性。由于大粒徑塊石的尺寸較大，難以直接進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，隨著有限元軟件的日漸成熟，越來(lái)越多的學(xué)者[1-3]利用Abaqus軟件對(duì)大粒徑土石混合料進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

本文從京滬高速改擴(kuò)建大粒徑土石混合料填筑路堤出發(fā)，采用有限元計(jì)算來(lái)研究交通荷載作用下大粒徑土石混合料路堤沉降特性。

1 工程概況

京滬高速公路改擴(kuò)建萊(蕪)新(泰)段第二標(biāo)段起點(diǎn)樁號(hào)為YK507+460(ZK507+469)，終點(diǎn)樁號(hào)為K540+580，全長(zhǎng)33.12 km，途經(jīng)泰安新泰市龍廷鎮(zhèn)、汶南鎮(zhèn)，至臨沂市蒙陰縣常路鎮(zhèn)。其中起點(diǎn)至K525+700為分離式路基，長(zhǎng)18.24 km；K525+700至終點(diǎn)為整體式拼寬路基，長(zhǎng)14.88 km。

本次模擬大粒徑土石混合料填筑于京滬高速公路改擴(kuò)建萊(蕪)新(泰)段第二標(biāo)段分離增建路基。路基標(biāo)準(zhǔn)寬度20.75 m，雙向四車(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速120 km/h，坡度1∶1.5，路面結(jié)構(gòu)厚度0.84 m，路堤高度為6 m，土基高度為10 m。

2 模擬方案

考慮車(chē)輛荷載作用，通過(guò)有限元軟件Abaqus建立三維道路模型，模擬塊石在路堤內(nèi)部不同深度和粒徑條件下路堤的沉降特性。

2.1 塊石布放方案

將各粒徑塊石分別布放于路基內(nèi)部距頂面1.9 m、3 m、4 m處，塊石布放凈距為2倍粒徑長(zhǎng)度，具體填筑方案如表1所示。

表1 塊石填筑方案

2.2 參數(shù)選取

使用Abaqus軟件建立道路三維模型(見(jiàn)圖1)，模擬時(shí)固定下部地基的底面和4個(gè)側(cè)面的邊界條件，同時(shí)固定地基前后兩側(cè)面的邊界條件(即垂直于道路方向的兩個(gè)側(cè)面)，設(shè)置路面、兩側(cè)坡面以及地基的上表面為自由邊界。通過(guò)土石混合料基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)及其他施工設(shè)計(jì)資料，確定路面結(jié)構(gòu)及路基的各項(xiàng)參數(shù)如表2所示，土體本構(gòu)采用Mohr-Coulomb(摩爾庫(kù)侖)模型，三維有限元模型如圖1所示。參考《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)[4]中車(chē)輛荷載有關(guān)規(guī)定，選用公路-I級(jí)荷載后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值2×140 kN，著地面積寬度0.6 m×長(zhǎng)度0.2 m，換算成均布荷載為1 167 kPa，按車(chē)輛荷載作用頻率較高情況考慮，假定荷載沿高速公路程帶狀連續(xù)分布，荷載作用寬度為0.2 m。

表2 模型參數(shù)選取

圖1 模型建立

3 模擬結(jié)果及分析

取路基中線處及其左右兩側(cè)各一個(gè)塊石分析，塊石從左往右依次編號(hào)1～3。

3.1 塊石粒徑對(duì)沉降影響結(jié)果及分析

在Abaqus中提取塊石及路基頂部沉降，并對(duì)各塊石進(jìn)行編號(hào)繪制塊石粒徑-沉降曲線(見(jiàn)圖2)及塊石布放各深度下路面單元沉降變形量路徑曲線(見(jiàn)圖3)，定性分析粒徑對(duì)路基豎向穩(wěn)定性影響規(guī)律。以編號(hào)“1.9-1”為例，“1.9”為塊石埋深距路基頂面1.9 m，“1”為路基中心左側(cè)塊石編號(hào)。

圖2 塊石粒徑-沉降曲線圖

由圖2可以看出，隨著粒徑的增加，各埋深塊石的沉降均逐漸減??；由圖3可以看出，路面沉降量由兩側(cè)路肩向路面中心逐漸遞增，最大值和最小值之差極小，幾乎無(wú)沉降變形，且同一埋深下塊石粒徑越大，路面沉降量越小，豎向穩(wěn)定性較好。

圖3 塊石布放各深度下路面單元沉降變形量路徑曲線圖

3.2 塊石埋深對(duì)沉降影響結(jié)果及分析

在Abaqus提取各工況路基中心及周?chē)鷥蓚€(gè)塊石沉降數(shù)據(jù)，并由左到右依次對(duì)各塊石進(jìn)行編號(hào)繪制埋深-沉降曲線(見(jiàn)圖4)及各粒徑塊石布放路面單元沉降變形量路徑曲線圖(見(jiàn)圖5)，定性分析粒徑對(duì)路基豎向穩(wěn)定性的影響。以編號(hào)“0.4-1”為例，“0.4”為塊石粒徑0.4 m，“1”為路基中心左側(cè)塊石編號(hào)。

由圖4～圖5可以看出，隨著各粒徑塊石埋深增加，塊石沉降量逐漸變小，二者基本呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，路面沉降量也隨埋深的增大而減小，且兩側(cè)路肩沉降量小于路面中心。

圖4 塊石埋深-沉降曲線圖

圖5 各粒徑塊石布放路面單元沉降變形量路徑曲線圖

4 結(jié) 論

綜合以上數(shù)值模擬的結(jié)果，得到如下結(jié)論。

(1)塊石的粒徑越大，塊石對(duì)其周?chē)盍蟼?cè)限作用范圍越大，塊石及路面沉降越小，路基豎向穩(wěn)定性越好。

(2)塊石埋深越大，由路基上部傳遞下來(lái)的能量衰減越多，對(duì)塊石的作用越弱，使其沉降減小，同時(shí)塊石埋置深度越大，對(duì)底部填料的側(cè)限作用越強(qiáng)，填料更加密實(shí)， 使得路基上部沉降也越小，穩(wěn)定性越好。