余云燕, 劉武通, 付艷艷, 羅崇亮, 朱明哲

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

紅層泥巖土作為G6京藏高速蘭州—海石灣段路基的主要填料,具有易風(fēng)化、穩(wěn)定性差、遇水軟化等特點(diǎn),在工程完工后常出現(xiàn)路基變形和不均勻沉降等嚴(yán)重病害。運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究其作為路基填料在荷載作用下的沉降,對(duì)探究其病害形成機(jī)理及后期病害處治有重要意義。

對(duì)公路軟弱路基沉降變形的相關(guān)仿真研究,主要基于ADINA[1]、COMSOL[2-3]、FLAC3D[4-5]及ABAQUS[6-10]等有限元及有限差分法軟件。許多學(xué)者[1-9]對(duì)級(jí)配不良等特殊路基在凍融、交通荷載等因素影響下的沉降和應(yīng)力變化規(guī)律展開(kāi)了研究,嚴(yán)戰(zhàn)友等學(xué)者[10-13]則在交通荷載作用下公路路面的應(yīng)力、位移響應(yīng)的研究領(lǐng)域頗有成果。對(duì)交通荷載作用下路基的累積變形及響應(yīng)等問(wèn)題的理論研究[14-18],大量學(xué)者基于彈性理論解積分、半解析有限元法、以Timoshenko梁理論為基礎(chǔ)的兩階段分析法等方法陸續(xù)展開(kāi)。

因土體具有碎散性、多相性和自然變異性等特點(diǎn),傳統(tǒng)的基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的有限元軟件無(wú)法準(zhǔn)確體現(xiàn)土體作為散體材料在荷載作用下位移不連續(xù)等現(xiàn)象,而基于顆粒離散元理論的PFC在研究土體的碎散特性及細(xì)觀(guān)表現(xiàn)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),能高效求解計(jì)算105數(shù)量級(jí)顆粒間的位移-速度的傳遞方程,能較為直觀(guān)地觀(guān)察模型內(nèi)部力的傳遞情況及顆粒的動(dòng)態(tài)變化,能更真實(shí)地模擬土體的力學(xué)行為。

基于離散元軟件PFC的相關(guān)研究,著眼于滲流模擬[19-21]、邊坡[22-25]和管樁沉樁過(guò)程[26-29]等方面的研究成果頗豐。在道路路基方面,不少學(xué)者運(yùn)用PFC對(duì)道路結(jié)構(gòu)層展開(kāi)相關(guān)研究。賀瑩[11]基于PFC離散元軟件,建立二維瀝青路面結(jié)構(gòu)數(shù)值模型,模擬在沖擊荷載及振動(dòng)荷載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。王朝輝[12]利用PFC構(gòu)建了多層瀝青路面結(jié)構(gòu)模型,分別研究了沖擊荷載、簡(jiǎn)諧激勵(lì)下的瀝青路面力學(xué)響應(yīng)。嚴(yán)戰(zhàn)友[30]運(yùn)用PFC研究了車(chē)輛荷載和不同溫度作用下的瀝青路面結(jié)構(gòu)層細(xì)觀(guān)力學(xué)響應(yīng)及顆粒變化規(guī)律。趙宏偉[31]基于PFC建立滬寧高速地基土模型,進(jìn)行不同荷載工況的路基路面數(shù)值模擬,得出地基土側(cè)向位移規(guī)律。

綜上所述,基于細(xì)觀(guān)力學(xué)理論的離散元法,交通荷載作用下分析路基路面的細(xì)觀(guān)力學(xué)行為研究文獻(xiàn)較少,而且在紅層泥巖土作為路基填料的離散元模擬存在空白。因此,本文基于顆粒流軟件PFC(Particle Flow Code)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),對(duì)G6京藏高速蘭州—海石灣段道路的沉降問(wèn)題展開(kāi)研究,建立二維路基路面模型并采用沖擊荷載與半正弦荷載模擬車(chē)輛荷載對(duì)路基的作用,通過(guò)高階迭代計(jì)算演變,得到各層顆粒的位移和應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn),揭示其內(nèi)部應(yīng)力變化、層間位移變化趨勢(shì),較為真實(shí)模擬實(shí)際工況下道路在交通荷載作用下的力學(xué)行為,對(duì)該路段常年發(fā)生沉降的原因、機(jī)理及后期路基病害整治有積極作用。

1 路基路面模型及加載

1.1 路基路面模型

建立二維路基路面模型,由面層(上面層、下面層)、基層(上基層、下基層和基底層)和紅層填料組成,共分為六層,如圖1所示。由于模型計(jì)算過(guò)程中每個(gè)計(jì)算步都需考慮力與位移的平衡,顆粒數(shù)目過(guò)大,計(jì)算時(shí)間長(zhǎng),為了減少顆粒間計(jì)算量,在保證計(jì)算精度的前提下,根據(jù)以往研究,路床深度80 cm下車(chē)輛載荷影響較小,故本模型高度設(shè)為115 cm。設(shè)定紅層填料的接觸模型為接觸黏結(jié)模型,基層和面層的接觸模型均為平行黏結(jié)模型。顆粒的粘結(jié)性能不同,則土體顆粒的破壞模式不同,接觸黏結(jié)模型和平行黏結(jié)模型在黏結(jié)破壞后退化為線(xiàn)性接觸模型,前者適用于黏結(jié)材料,后者適用于剛性材料。

圖1 路基路面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Subgrade and pavement structure diagram

1.2 加載模型的建立

《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[32]規(guī)定,路面設(shè)計(jì)使用雙輪組單軸載荷100 kN作為標(biāo)準(zhǔn)載荷,以BZZ-100表示。本文將輪胎載荷視為當(dāng)量圓形均布載荷,輪胎壓力均勻分布在接觸面上。瀝青顆粒及土顆粒單元由ball單元模擬,輪胎由clump單元模擬,每個(gè)clump由9個(gè)pebble集結(jié)而成;運(yùn)用ball distribute命令分層生成符合半徑、壓實(shí)度等要求的顆粒,利用property命令賦予其已標(biāo)定好的細(xì)觀(guān)參數(shù),并壓實(shí)、削平至符合模型要求的尺寸;各層顆粒完全生成好后,利用contact model命令賦予各層顆粒間的接觸模式及接觸屬性;利用clump replicate及clump.force.apply命令生成“車(chē)輪”并對(duì)模型施加荷載;利用history命令記錄力學(xué)響應(yīng)。clump與ball之間接觸模型為線(xiàn)性接觸模型;考慮到不同結(jié)構(gòu)層層間的接觸對(duì)象不同,除路基層以外其余各層層間接觸皆為平行黏結(jié)模型,底基層與紅層路基層層間接觸的對(duì)象性質(zhì)差異較大,因此采用線(xiàn)性接觸模型;由于離散元軟件在處理多種屬性顆粒與同一墻體間接觸的局限性,在不影響主要分析對(duì)象結(jié)果的準(zhǔn)確性的情況下,土顆粒與墻體間的接觸簡(jiǎn)化為線(xiàn)性接觸模型。模型顆粒間接觸模型如圖2所示,紅色線(xiàn)條為線(xiàn)性接觸,綠色線(xiàn)條為平行黏結(jié),藍(lán)色線(xiàn)條為接觸黏結(jié)。圖3為設(shè)置重力場(chǎng)且平衡后模型的接觸力鏈分布圖,受拉力鏈為綠色,受壓為藍(lán)色,線(xiàn)條越粗則接觸力越大。由圖3可知,由于瀝青的膠結(jié)作用,模型上部成塊狀,兩側(cè)均為受拉區(qū),瀝青層與碎石砂礫層的接觸部分,以及碎石砂礫層的兩側(cè),都存在少量受拉區(qū);從整體看,整個(gè)路基成拱形,接觸力從上至下遞增。

圖2 接觸模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of contact mode

圖3 接觸力鏈分布圖Fig.3 Distribution diagram of contact force chain

2 模型細(xì)觀(guān)參數(shù)標(biāo)定

路基路面的宏觀(guān)參數(shù)不能直接在離散元軟件中使用,須相應(yīng)調(diào)整各模型對(duì)應(yīng)的細(xì)觀(guān)參數(shù),使其細(xì)觀(guān)參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果一致。基層的細(xì)觀(guān)參數(shù)直接選用王朝輝[12]的標(biāo)定結(jié)果,面層的細(xì)觀(guān)參數(shù)由王朝輝[12]的AK-13瀝青混合料40 mm×80 mm試樣單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果模擬得到,如圖4所示。對(duì)紅層填料,取自G6京藏高速公路蘭州至海石灣方向K1615+100下行線(xiàn)方向維修工程的紅層泥巖路基填料,其最優(yōu)含水率為17.4%,最大干密度為1.769 g/cm3,取最優(yōu)含水率下壓實(shí)度為96%的紅層填料制備高度為120 mm,直徑為61.8 mm的圓柱體試樣,采用意大利產(chǎn)WF非飽和土三軸儀,控制50 kPa、150 kPa和200 kPa三種圍壓,進(jìn)行三軸UU試驗(yàn)。由于離散元軟件無(wú)法直接輸入土體的宏觀(guān)參數(shù),因此,基于試驗(yàn)所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),建立三軸UU試驗(yàn)?zāi)Ｐ?通過(guò)不斷調(diào)整PFC內(nèi)置細(xì)觀(guān)參數(shù),得到相同工況下的模擬應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),使試驗(yàn)結(jié)果與模擬曲線(xiàn)的形態(tài)、應(yīng)力峰值趨近一致,得到的土顆粒細(xì)觀(guān)參數(shù)用以建立模型,試驗(yàn)結(jié)果及模擬曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 圍壓為50 kPa、150 kPa、200 kPa下紅層填料UU試驗(yàn)與模擬曲線(xiàn)對(duì)比Fig.5 Comparison between UU test and simulation curves of red beds filling under confining pressures of 50 kPa,150 kPa,and 200 kPa

由圖4可知,模擬曲線(xiàn)趨勢(shì)與試驗(yàn)曲線(xiàn)基本一致,峰值應(yīng)力相近,說(shuō)明調(diào)試的細(xì)觀(guān)參數(shù)可較好地模擬瀝青混合料的力學(xué)性能。由圖5可知,圍巖為50 kPa的紅層填料三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)為穩(wěn)定型,圍壓為150 kPa、200 kPa的三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)呈硬化型,模擬曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果一致,峰值應(yīng)力也相近,可認(rèn)為標(biāo)定的紅層填料細(xì)觀(guān)參數(shù)合理。路面結(jié)構(gòu)層顆粒的半徑,參照文獻(xiàn)[12]選取。對(duì)紅層填料顆粒的半徑,基于室內(nèi)顆粒篩分試驗(yàn)得到的結(jié)果,并綜合考慮顆粒半徑對(duì)模型運(yùn)算效率的影響,選取質(zhì)量占比60%以上顆粒半徑分布范圍,即6～8 mm。各層顆粒半徑分布服從正態(tài)分布。對(duì)各層顆粒間的阻尼系數(shù),設(shè)置其細(xì)觀(guān)參數(shù)damp,參數(shù)damp在標(biāo)定過(guò)程中影響試樣的破壞模式及形態(tài),對(duì)路基紅層填料顆粒,設(shè)置damp為0.7,對(duì)路面結(jié)構(gòu)層顆粒,設(shè)置damp為0.4。經(jīng)過(guò)一系列迭代運(yùn)算,路面各結(jié)構(gòu)層的基本參數(shù)如表1所列,紅層路基填料的基本參數(shù)如表2所列。

表1 路面各結(jié)構(gòu)層基本參數(shù)

表2 紅層填料基本參數(shù)

3 沖擊荷載及半正弦荷載作用下路基路面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)

3.1 加載過(guò)程模擬

路基路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)考慮兩種荷載作用,分別為沖擊荷載和半正弦荷載。

當(dāng)汽車(chē)位于定點(diǎn)位置正上方時(shí),為最不利工況,為研究該種情形下路基路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng),參照以往的研究[11],可考慮沖擊系數(shù)1.2,設(shè)置作用時(shí)間為0.03 s,對(duì)模型施加如圖6(a)所示30 kN的沖擊荷載,并考慮重力荷載作用。

圖6 沖擊荷載及半正弦荷載與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 Curves of impact load and half-sine load versus time

當(dāng)汽車(chē)以60 km/h的速度行駛時(shí),對(duì)路基路面定點(diǎn)位置的影響作用時(shí)間約為0.05 s。因此,使用y.app.force命令設(shè)置clump車(chē)輪的荷載作用峰值為25 kN,頻率為10 Hz,對(duì)模型施加如圖6(b)所示的半正弦荷載,并考慮重力荷載作用。荷載施加完成后增加0.01 s記錄顆粒加載后力學(xué)行為。

測(cè)量圓是用于測(cè)定一定范圍應(yīng)力水平的工具,尺寸過(guò)大則影響模型初始化平衡的效率,過(guò)小則影響試驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性,參照以往的研究[11],設(shè)定其半徑為2 cm。如圖7所示,共布置5個(gè)測(cè)量圓,其坐標(biāo)如表3所列。

圖7 測(cè)量圓示意圖Fig.7 Schematic diagram of measuring circle

表3 測(cè)量圓坐標(biāo)表

3.2 沖擊荷載作用下路基路面力學(xué)響應(yīng)

從細(xì)觀(guān)角度,研究沖擊荷載作用下路基路面的應(yīng)力和位移隨時(shí)間的變化規(guī)律。

3.2.1 豎向、水平應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)

采集ID為121～125測(cè)量圓的豎向、水平應(yīng)力在加載過(guò)程的時(shí)程曲線(xiàn),如圖8～9所示。由圖8可知,加載初期,豎向應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)波動(dòng)劇烈,這是由于土顆粒發(fā)生錯(cuò)動(dòng)并逐漸壓實(shí),隨著時(shí)間的增長(zhǎng),豎向應(yīng)力保持恒定,模型整體保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài);隨著深度的增加,豎向應(yīng)力逐漸減小。面層的最大壓應(yīng)力為0.139 MPa,加載后期,路基層壓應(yīng)力已衰減至面層的30%。由圖9可知,面層的水平應(yīng)力最大,拉、壓應(yīng)力都存在,處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài),基層和紅層填料中的水平應(yīng)力都較小,基層中的水平應(yīng)力為拉應(yīng)力,紅層填料中的水平應(yīng)力為壓應(yīng)力,基層的水平拉應(yīng)力達(dá)到水泥穩(wěn)定砂礫層的極限抗拉強(qiáng)度后會(huì)出現(xiàn)裂縫,隨著車(chē)載的持續(xù)進(jìn)行,裂縫逐漸擴(kuò)展并延伸至地表。

3.2.2 位移時(shí)程曲線(xiàn)

路基路面整體豎向位移即為沉降量,《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D50—2017)》[32]規(guī)定,在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下,單軸雙輪組單側(cè)兩輪中間位置的豎向位移可作為路面的彎沉量。

圖8 沖擊荷載作用下路基路面豎向應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)圖Fig.8 Time-history curve of vertical stress of subgrade and pavement under impact load

圖9 沖擊荷載作用下路基路面水平應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)圖Fig.9 Time-history curve of horizontal stress of subgrade and pavement under impact load

圖10為荷載作用0.03 s后路基路面豎向位移云圖,最大沉降發(fā)生在兩輪胎作用中心點(diǎn)處,為0.063 mm,在深度1.0 m處,紅層填料的豎向位移趨近于零。由于周?chē)馏w的擠密作用,模型上部?jī)蓚?cè)顆粒有上移趨勢(shì),路基路面整體豎向位移沿荷載作用點(diǎn)向路面以下的土體半空間呈弧形衰減。因基層與紅層填料的材料不同,采用的接觸模型也不同,因此在位移云圖上可以看到基層與紅層填料交界面處有明顯的界限,在該交界面處豎向位移不連續(xù),基層對(duì)紅層填料的擠壓作用非常明顯。

圖10 沖擊荷載作用0.03 s后路基路面豎向位移云圖Fig.10 Vertical displacement cloud diagram of subgrade and pavement after 0.03 seconds of impact load

圖11為荷載作用0.03 s后路基路面水平位移云圖,由圖可知,基層與紅層填料交界面處水平位移不連續(xù),出現(xiàn)位移分層現(xiàn)象,最大水平位移位于基層與紅層填料的交界面上,該位置受橫向約束作用弱于結(jié)構(gòu)層,受上部車(chē)輪荷載的擠壓作用,土顆粒向兩側(cè)滑移作用明顯。由于路面的彎沉作用,使得車(chē)輪兩側(cè)的土顆粒向車(chē)載作用位置靠攏,且靠攏趨勢(shì)沿路面兩側(cè)遞減。紅層填料顆粒的水平位移變化趨勢(shì)與結(jié)構(gòu)層相同,因?yàn)楦郊討?yīng)力的衰減,其數(shù)值較小。

追蹤圖12所示10個(gè)位置的豎向位移和豎向速度,其坐標(biāo)位置如表4所列,并繪制了相應(yīng)位置的時(shí)程曲線(xiàn)圖。

圖11 沖擊荷載作用0.03 s后路基路面水平位移云圖Fig.11 Cloud diagram of horizontal displacement of subgrade and pavement after 0.03 seconds of impact load

圖12 追蹤測(cè)量顆粒位置圖Fig.12 Position of tracking g and measuring particles

表4 追蹤測(cè)量顆粒坐標(biāo)表

圖13為編號(hào)1～5號(hào)追蹤顆粒的豎向位移時(shí)程曲線(xiàn)。由圖可知,與室內(nèi)三軸試驗(yàn)變形規(guī)律相似,土體顆粒經(jīng)歷彈塑性變形,前期位移劇增,隨著時(shí)間的增長(zhǎng),逐漸趨于穩(wěn)定值,土顆粒發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形;隨著深度的增加,豎向位移逐漸減小,路基層位移約衰減至面層的30%。圖13進(jìn)一步揭示了加載過(guò)程中土體顆粒間能量的傳遞規(guī)律,瀝青結(jié)構(gòu)層耗能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于紅層填料路基層。

圖13 沖擊荷載作用編號(hào)1～5號(hào)追蹤顆粒的豎向位移時(shí)程曲線(xiàn)圖Fig.13 Vertical displacement time-history curves of No.1-5 tracking particles under impact load

3.3 半正弦荷載作用下路基路面力學(xué)響應(yīng)

3.3.1 豎向、水平應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)

采集ID為121～125測(cè)量圓的豎向、水平應(yīng)力在加載過(guò)程的時(shí)程曲線(xiàn),如圖14～15所示。

圖14為半正弦荷載作用下路基路面的豎向應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)圖,由圖可知,豎向應(yīng)力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)總體上符合半正弦荷載形式,加載初期,存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,離地表越近,曲線(xiàn)振蕩就越劇烈,這是由于顆粒的擠密作用和應(yīng)力重分布,因路基層中的測(cè)量圓125號(hào)離地表最遠(yuǎn),其豎向應(yīng)力最小,且時(shí)程曲線(xiàn)的振蕩幅度很小,基本保持半正弦荷載形式。

圖14 半正弦荷載作用路基路面豎向應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)圖Fig.14 Time history curve of vertical stress of subgrade and pavement under half-sine load

圖15 半正弦荷載作用路基路面水平應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)圖Fig.15 Time history curve of horizontal stress of subgrade and pavement under half-sine load

圖15為半正弦荷載作用下路基路面的水平應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)圖,可見(jiàn),面層存在拉、壓應(yīng)力,處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),且應(yīng)力數(shù)值很大,加載初期,存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,時(shí)程曲線(xiàn)振蕩;基層主要為拉應(yīng)力,最大值約0.21 MPa,紅層填料層為壓應(yīng)力?；鶎拥睦瓚?yīng)力達(dá)到水泥穩(wěn)定碎石層的極限抗拉強(qiáng)度后會(huì)出現(xiàn)裂縫,隨著車(chē)載的持續(xù)作用,裂縫會(huì)逐漸延伸至地表,這與沖擊荷載作用情況相同。因此,在公路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)定期重點(diǎn)監(jiān)測(cè)該區(qū)域裂縫的發(fā)生,防止進(jìn)一步加劇道路的塌陷沉降。

3.3.2 位移時(shí)程曲線(xiàn)

圖16為半正弦荷載作用0.06 s后路基路面結(jié)構(gòu)豎向位移云圖。由圖可知,最大沉降發(fā)生在車(chē)載中心位置,為6×10-3mm,基層與紅層填料交界面上豎向位移不連續(xù),結(jié)構(gòu)層中車(chē)載中心線(xiàn)附近區(qū)域的位移云圖呈柱狀分布,兩側(cè)呈對(duì)稱(chēng)狀態(tài),路面兩端的土顆粒有上移趨勢(shì);紅層填料層在車(chē)載作用區(qū)域沉降最大,向兩側(cè)逐漸減小,呈盆狀分布;基層與紅層填料交界面兩端的上方,土顆粒有上移趨勢(shì),圖中呈藍(lán)色。

圖17為半正弦荷載作用0.06 s后路基路面結(jié)構(gòu)水平位移云圖,由于基底層剛度比紅層填料的剛度大,且基底層底部與紅層填料層頂部接觸面的側(cè)向約束明顯比其他部位弱,基層與紅層填料交界面處的水平位移不連續(xù),出現(xiàn)水平位移分層現(xiàn)象,在車(chē)載作用位置正下方,紅層填料底層的土顆粒水平位移最大,并向兩側(cè)逐漸遞減;基層底面處,離車(chē)載作用中心線(xiàn)稍遠(yuǎn)位置,發(fā)生最大水平位移,且向地表逐漸衰減;路基部分使用的模型為接觸黏結(jié)模型,故當(dāng)荷載作用在中間位置時(shí),紅層填料有向兩側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì),由于紅層填料顆粒間的拉應(yīng)力強(qiáng)度較低,基層剛度遠(yuǎn)大于紅層填料的剛度,紅層填料層更容易發(fā)生水平位移,因此,紅層填料中的最大水平位移大于基層中的最大水平位移,但從整體上看,二者數(shù)值上的差異較小,均屬于較低水平。

圖16 半正弦荷載作用0.06 s后路基路面結(jié)構(gòu)層顆粒豎向位移云圖Fig.16 Vertical displacement cloud diagram of particles of subgrade and pavement structure layer after 0.06 seconds of half-sine load

圖17 半正弦荷載作用0.06 s后路基路面結(jié)構(gòu)層顆粒水平位移云圖Fig.17 Vertical displacement cloud diagram of particles of subgrade and pavement structure layer after 0.06 seconds of half-sine load

圖18為半正弦荷載作用編號(hào)1～5號(hào)追蹤顆粒的豎向位移時(shí)程曲線(xiàn)圖。豎向位移時(shí)程曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)與半正弦荷載形式基本相同,加載初期,曲線(xiàn)振蕩,隨著深度的增加,曲線(xiàn)振蕩的時(shí)間就越短,位移峰值點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間滯后于半正弦荷載峰值出現(xiàn)的時(shí)間約0.005 s,可見(jiàn)車(chē)輛行駛后顆粒的彈性恢復(fù)變形具有滯后性。因此,在行車(chē)過(guò)程中保持安全車(chē)距對(duì)防止道路沉降變形過(guò)大有積極作用;面層的最大豎向位移值為0.048 mm,基層的最大豎向位移衰減為面層的37%;時(shí)間經(jīng)歷0.05 s后,編號(hào)1～5號(hào)顆粒發(fā)生不同程度的殘余變形,與圖16路面附近位移變化趨勢(shì)相同,這較好地符合圖16車(chē)載作用中心線(xiàn)附近區(qū)域顆粒的位移云圖變化規(guī)律。

圖18 半正弦荷載作用編號(hào)1～5號(hào)追蹤顆粒的豎向位移時(shí)程曲線(xiàn)圖Fig.18 Time-history curves of vertical displacement of No.1-5 tracking particles under half-sine load

4 結(jié)論

建立路基路面二維離散元模型,將室內(nèi)試驗(yàn)標(biāo)定得到的細(xì)觀(guān)參數(shù)嵌入模型,施加沖擊荷載及半正弦荷載,通過(guò)PFC細(xì)觀(guān)模擬,得到以下結(jié)論:

(1) 基層受水平拉應(yīng)力作用,是裂縫發(fā)展的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),在公路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)定期重點(diǎn)監(jiān)測(cè)該區(qū)域裂縫的發(fā)生。

(2) 基層與紅層填料交界面處的位移不連續(xù),出現(xiàn)位移分層現(xiàn)象,在路基與路面結(jié)構(gòu)層交界區(qū)域可適當(dāng)增加側(cè)向約束。

(3) 路面剛性層整體耗能效果優(yōu)于路基紅層填料層,對(duì)軟弱地基區(qū)域的公路,使用高模量瀝青路面能有效減小交通荷載對(duì)道路病害發(fā)生的影響。