摘要：為研究路基花崗巖殘積土長(zhǎng)期使用過(guò)程中的位移情況，文章采用有限元方法對(duì)廣佛肇高速公路花崗巖殘積土進(jìn)行模擬分析：建立填土路基尺寸有限元位移場(chǎng)模型，對(duì)模型內(nèi)的各層位材料賦予計(jì)算參數(shù)；對(duì)路基模型進(jìn)行位移邊界條件、行車荷載條件、荷載作用方式設(shè)置；路基長(zhǎng)期使用過(guò)程按照15年運(yùn)營(yíng)期考慮。研究表明：根據(jù)有限元軟件計(jì)算模型結(jié)果，未設(shè)置補(bǔ)償層路基在運(yùn)營(yíng)期沉降值較大；對(duì)路基頂面選用兩種材料進(jìn)行剛度補(bǔ)償設(shè)置，分別是級(jí)配碎石和5%水泥改良土，設(shè)置剛度補(bǔ)償層后路基沉降值減少，說(shuō)明剛度補(bǔ)償層有利于路基剛度提升，其中級(jí)配碎石更優(yōu)于5%水泥改良土。

關(guān)鍵詞：路基工程；花崗巖殘積土；有限元模擬；剛度補(bǔ)償層；位移場(chǎng)

中文分類號(hào)：U416.1+1A270863

0引言

花崗巖殘積土風(fēng)化程度高、遇水易崩塌、孔隙比大，當(dāng)土體受到雨水、地下水、干濕循環(huán)等影響易發(fā)生坍塌、滑坡等情況。當(dāng)花崗巖殘積土作為路基填土?xí)r需要對(duì)土體進(jìn)行改良處理、補(bǔ)償處理或者嚴(yán)格控制水分進(jìn)入等，從而提高殘積土路基的整體穩(wěn)定性和變形量。安然等［1］從宏觀、細(xì)觀、微觀角度對(duì)干濕循環(huán)下花崗巖殘積土的損傷機(jī)理進(jìn)行研究，分析了環(huán)境效應(yīng)作用下粘聚力、內(nèi)摩擦角、裂隙變化等特性；王志兵等［2］對(duì)花崗巖殘積土采用摻入纖維和納米材料來(lái)研究抗剪強(qiáng)度并研究微觀機(jī)理，發(fā)現(xiàn)纖維和納米材料有助于提高土體抗剪強(qiáng)度；劉洪波等［3］采用直剪試驗(yàn)研究不同含水率花崗巖殘積土強(qiáng)度，采用有限差分法研究不同地震加速度下土體位移場(chǎng)、加速度場(chǎng)等變化情況。由此可知，花崗巖殘積土在行車荷載和環(huán)境變化作用下導(dǎo)致的變形、沉降等是研究的重要課題。

1工程背景

廣佛肇高速公路K83～K120段存在較多嚴(yán)重風(fēng)化花崗巖，經(jīng)篩分試驗(yàn)，這些花崗巖屬于砂類土，可用于路基填筑，但由于花崗巖殘積土強(qiáng)度低、遇水崩塌等特性，對(duì)路基長(zhǎng)期使用構(gòu)成隱患。基于以上難點(diǎn)和已有研究經(jīng)驗(yàn)［4-14］，本文采用有限元方法對(duì)花崗巖殘積土進(jìn)行模擬分析，建立以路基中心線為界的半側(cè)有限元位移場(chǎng)模型；對(duì)模型進(jìn)行材料參數(shù)賦予，包括土體粘聚力、內(nèi)摩擦角及路面、地基參數(shù)；設(shè)置半側(cè)模型的位移邊界條件、行車荷載條件、荷載作用方式?？紤]15年運(yùn)營(yíng)期內(nèi)路基位移場(chǎng)變化情況，對(duì)未設(shè)置補(bǔ)償層的路基沉降值進(jìn)行計(jì)算；同時(shí)選用級(jí)配碎石和5%水泥改良土作為路基頂面剛度補(bǔ)償層材料，對(duì)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的位移場(chǎng)進(jìn)行研究。

2花崗巖殘積土路基位移場(chǎng)模型分析

有限元填方路基模型以廣佛肇高速公路K116+100 km處斷面為例。該路段是雙向四車道，路堤填方高度為10.5 m，其中93區(qū)9 m、94區(qū)0.7 m、96區(qū)0.8 m；路基頂面寬度為26 m，其中中央分隔帶寬2 m。邊坡坡度為1∶1.5，路面從中心線向兩邊有2%的坡度。地下水位于坡腳下2 m處。為簡(jiǎn)化模型計(jì)算量，本文取路基中心線右側(cè)建立二維有限元模型，模型計(jì)算范圍如圖1所示。本文使用ABAQUS軟件對(duì)花崗巖殘積土路基長(zhǎng)期使用性能的位移場(chǎng)進(jìn)行分析。

3路基位移場(chǎng)模型參數(shù)及邊界條件

3.1位移場(chǎng)模型參數(shù)

使用ABAQUS軟件分析前，需要獲取各路基材料的力學(xué)參數(shù)，包括花崗巖殘積土的粘聚力及內(nèi)摩擦角，將試驗(yàn)測(cè)得的不同含水率花崗巖殘積土的參數(shù)結(jié)果匯總于表1；查閱廣佛肇高速公路相關(guān)資料可得到瀝青混凝土路面以及地基的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

3.2位移場(chǎng)模型邊界條件

路基模型在計(jì)算時(shí)需要設(shè)置三個(gè)邊界，分別是位移邊界條件、行車荷載條件、荷載作用方式。

（1）位移邊界條件：二維有限元模型的地基底部為固定約束，模型左右兩側(cè)約束其水平方向位移，不約束豎向位移。

（2）行車荷載條件：車輛荷載是一個(gè)隨時(shí)間變化的變量，取設(shè)計(jì)速度為100 km/h，得出單次荷載作用時(shí)間約為0.046 s。在其設(shè)計(jì)年限內(nèi)，一個(gè)車道的累積當(dāng)量軸次為2.3×107次。

（3）荷載作用方式：按照現(xiàn)行公路設(shè)計(jì)規(guī)范，路面設(shè)計(jì)使用雙輪組單軸軸載BZZ-100作為標(biāo)準(zhǔn)軸載。標(biāo)準(zhǔn)軸載計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

4花崗巖殘積土路基剛度補(bǔ)償分析

剛度補(bǔ)償材料是在路基頂面上設(shè)置的一層抗變形能力強(qiáng)、水穩(wěn)性好的材料。剛度補(bǔ)償層施工完成后再進(jìn)行基層、面層的施工。車輛荷載直接作用在路面面層然后向下傳遞，當(dāng)傳遞至補(bǔ)償層時(shí)荷載能夠分散傳遞至花崗巖殘積土路基，其在干濕循環(huán)的環(huán)境下保持長(zhǎng)期的使用性能，有利于保護(hù)路基土。因此在考慮剛度補(bǔ)償層對(duì)路基作用時(shí)常把路基的位移情況作為評(píng)定路基長(zhǎng)期使用效果的方法。基于此，本文研究未做剛度補(bǔ)償時(shí)的路基變形情況主要依據(jù)路基沉降值，再選取兩種補(bǔ)償材料即級(jí)配碎石和5%水泥改良土的路基沉降情況。主要考慮運(yùn)營(yíng)期15年內(nèi)3個(gè)月、6個(gè)月、1年、2年、3年、5年、10年、15年的路基變形情況，路基運(yùn)營(yíng)期時(shí)間的累積是根據(jù)行車荷載條件的作用時(shí)間為參考，時(shí)間越長(zhǎng)相應(yīng)的行車荷載作用時(shí)間越長(zhǎng)。

4.1未做剛度補(bǔ)償路基的豎向位移變化

根據(jù)前文模型和材料參數(shù)，采用有限元軟件模擬分析未做剛度補(bǔ)償?shù)幕◢弾r殘積土路基在運(yùn)營(yíng)期的豎向位移變化，列舉部分計(jì)算云圖，分別為運(yùn)營(yíng)期3個(gè)月、1年、3年、15年（見(jiàn)圖2）。

由圖2可知，在路基使用過(guò)程中，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，路基沉降值累積越來(lái)越大，其中靠近中央分隔帶的路基土較路基兩側(cè)的沉降值大，呈現(xiàn)中部路基土向路基邊坡推動(dòng)的傾向。導(dǎo)出路面頂面沉降量（見(jiàn)圖3）可知，未設(shè)置補(bǔ)償層的花崗巖殘積土路基在運(yùn)營(yíng)期各個(gè)時(shí)間段都呈現(xiàn)了不同沉降值，累積沉降值最大可達(dá)到200 mm。分析原因?yàn)榛◢弾r殘積土強(qiáng)度低、抗沖刷能力差，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中干濕循環(huán)交替和荷載作用，土體變形產(chǎn)生較多不均勻沉降。因此，需對(duì)花崗巖殘積土路基進(jìn)行剛度補(bǔ)償，減少土體的荷載及水分對(duì)土體影響。

4.2剛度補(bǔ)償層材料的選取

根據(jù)未設(shè)置剛度補(bǔ)償層路基的變形情況，需要對(duì)路基進(jìn)行剛度補(bǔ)償以減少路基變形的影響。選取剛度補(bǔ)償材料的重點(diǎn)在于具有良好的荷載分布能力和水穩(wěn)定性好。當(dāng)車輛荷載作用時(shí)，能分散車輛荷載，使荷載均勻傳遞至路基土，起到緩沖效果；同時(shí)，材料水穩(wěn)定性好，具有防水和抗水損效果，減少長(zhǎng)期使用過(guò)程中水分的侵入。本文選取級(jí)配碎石和5%水泥改良土材料如表4所示，用于研究材料對(duì)花崗巖殘積土路基剛度補(bǔ)償?shù)挠绊憽?/p>

模型尺寸及參數(shù)與前文一致，補(bǔ)償層設(shè)置在路基頂面，補(bǔ)償層厚度按照25 cm布置，補(bǔ)償層上設(shè)置基層及瀝青面層，計(jì)算級(jí)配碎石和5%水泥改良土剛度補(bǔ)償層的路基豎向累積沉降，得到其豎向位移和路基頂面累積沉降情況云圖，如圖4～7所示。

由圖4和圖5可知，當(dāng)設(shè)置剛度補(bǔ)償層后，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中路基累積沉降有效減少，說(shuō)明剛度補(bǔ)償層有效分散了荷載對(duì)路基土的不均勻荷載，使路基荷載分布呈現(xiàn)均勻狀態(tài)。同時(shí)，花崗巖殘積土作為路基填土對(duì)荷載的敏感程度高，當(dāng)出現(xiàn)不均勻荷載和干濕循環(huán)時(shí)易發(fā)生較大變形，設(shè)置補(bǔ)償層后有利于路基整體穩(wěn)定性提高。在運(yùn)營(yíng)期中，干濕循環(huán)過(guò)程使路基發(fā)生沉降，但剛度補(bǔ)償層的加入有效減少了沉降量值。

從圖6和圖7對(duì)比兩種補(bǔ)償材料的效果可知，級(jí)配碎石補(bǔ)償層運(yùn)營(yíng)期累積沉降值為55.4 mm，而5%水泥改良土補(bǔ)償層累積沉降值為123.4 mm，二者相差68 mm。從路基沉降數(shù)據(jù)表明，級(jí)配碎石補(bǔ)償層在各個(gè)使用階段的沉降值都優(yōu)于5%水泥改良土補(bǔ)償層，級(jí)配碎石補(bǔ)償層路基沉降均勻性更好。在花崗巖殘積土分布廣泛的區(qū)域以及換填優(yōu)良土質(zhì)困難情況下，采用就地取材的原則使用花崗巖殘積土作為路基填土材料，同時(shí)配合使用剛度補(bǔ)償層，可取得良好效果。

5結(jié)語(yǔ)

（1）采用有限元方法對(duì)花崗巖殘積土進(jìn)行建模，選取半側(cè)路基作為模型外形尺寸，賦予各層位材料計(jì)算參數(shù)并進(jìn)行位移邊界條件、行車荷載條件、荷載作用方式的設(shè)置，模型計(jì)算考慮15年運(yùn)營(yíng)期累積位移場(chǎng)變化情況。

（2）研究未做剛度補(bǔ)償?shù)幕◢弾r殘積土路基變形情況，在運(yùn)營(yíng)期15年內(nèi)，路基沉降隨著時(shí)間增長(zhǎng)不斷累積，累積沉降值最大可達(dá)到200 mm，路基中央分隔帶處沉降值較路基兩側(cè)大，表明花崗巖殘積土抵抗變形能力差，剛度難以滿足路基填土要求，需要對(duì)路基進(jìn)行剛度補(bǔ)償。

（3）選取級(jí)配碎石和5%水泥改良土作為花崗巖殘積土剛度補(bǔ)償層，計(jì)算結(jié)果表明采用水穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高的補(bǔ)償材料能夠有效減少運(yùn)營(yíng)期路基沉降值，經(jīng)計(jì)算顯示，選用級(jí)配碎石補(bǔ)償效果優(yōu)于5%水泥改良土。

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作者簡(jiǎn)介：張鵬（1990—），碩士，工程師，主要從事公路設(shè)計(jì)、咨詢工作。