動荷載作用下路基沉降規律試驗研究

李利飛，謝方媛，許道軍，張立釗

(河北工程大學 資源學院，河北 邯鄲056038)

在動荷載作用下，路基的變形特性已不能用靜力學的概念和指標來表征，而表現為動態的應力應變的關系［1]。路基的動應力特性是路基結構動力設計的重要參數，高速運行的車輛對路基產生動力沖擊作用，直接影響其使用及耐久性能，而道路結構的振動又對運行車輛的平穩性和安全性產生影響［2－4]。金雷［5]結合河南省嶺南高速公路路基施工工程，采用有限元分析軟件，研究了逐級填筑作用下路基沉降變形數值仿真技術，獲得了路基在各級荷載作用下的應力、沉降數值圖形;王智猛［6]結合達成線的建設項目修建了埋設測試元件路基試驗段，采用新型ZSS50循環加載設備，進行了不同軸重列車動力作用下的循環加載試驗，總結了路基的動態特性及沉降規律，并指出線路中線處路基動力響應最小，總體上呈馬鞍形分布，這對路基設計參數的選取具有現實意義。本文以京－化高速公路二期路基施工工程為研究對象，借助有限元數值分析軟件ANSYS建立車－路耦合動力學模型，采用半正弦脈沖荷載模100 km/h、150 km/h兩種不同車速的汽車荷載，研究在不同車速荷載作用下路基的動力學特性及其工后沉降規律，以期為高速公路路基工程設計及施工提供有益參考。

1 工程概況

京化高速公路二期工程起于張家口市土木鎮，與一期工程順接，向西依次途經懷來縣、涿鹿縣、下花園區、宣化縣，在膠泥灣處接張石高速公路，路線全長71.281 km，項目采用雙向六車道高速公路標準建設，設計行車速度100 km/h。

2 路基填料工程特性

2.1 路基填料的基本物理性質

在京化高速公路沿線4個標段分別取樣，編號分別為A、B、C、D，經試驗測定，各樣本均能滿足工程的使用要求［7－8]。其基本物理性質如表1所示。

表1 土樣基本物理性質指標Tab.1 Indicators of the basic physical properties of soil samples

2.2 路基填料回彈模量試驗

選取具有代表性的的土樣C進行試驗，根據擊實試驗得到的最大干密度和最佳含水量用壓力機成型試樣，再進行回彈模量的測定。試樣中粗顆粒含量分別為30%、50%、70%、90%。試驗結果如圖1所示。

由圖1可以看出，隨粗粒含量的增加，填料的回彈模量值增加。分析認為，這是由于當路基填料中粗顆粒含量小于30%時，顆粒含量都在0.2～5 mm范圍內，以細顆粒為主，粗顆粒僅能懸浮于細料中，未能起到骨架作用，經壓縮成型后強度較小;而當粗顆粒含量大于30%時，5 mm以上粗顆粒能形成骨架作用，經壓縮成型，強度較大。

3 動荷載作用下路基沉降規律研究

3.1 路基有限元模型

根據京化高速公路的設計，首先建立路基的有限元離散模型［9－10]，將路基視為三維實體，沿行車方向取22 m，取橫斷面一半進行建模分析，路基采用SOLID45實體單元。在計算模型中xy平面為橫斷面，x軸為橫向，y軸為豎向，z軸為縱向(即行車方向)。材料計算參數如表2所示，路基斷面三維模型見圖2。

表2 材料計算參數Tab.2 The properties of material

3.2 動荷載作用下路基沉降數值模擬計算

基于建立的路基路面三維有限元分析模型，采用半正弦脈沖荷載來模擬汽車動荷載。根據路面設計規范，以雙輪組單軸載100 kN為標準軸載進行分析計算，即P0=100 kN，在100 km/h和150 km/h兩種速度、三車道三輛車作用下，對京化高速公路一典型路段進行計算分析。

100次循環峰值后路基等效動應力如圖3所示。可以看出，在相同的車輛循環荷載作用次數下，模擬試驗車速不同，路基動應力也存在明顯的差異。

車輛循環荷載作用下地基不同位置沉降見圖4。可以看出，路基沉降受速度效應與加載循環效應雙重因素的影響。首先，速度增加相當于動荷載的加載峰值增加，動強度加大，故相應的位移也增加;另外，在同一種車速荷載的作用下，隨著加載次數的增加，路基的豎向沉降同樣呈增大的趨勢，可知車輛循環次數也是影響路基沉降重要因素。

為表征不同車速下路基位移隨深度的變化趨勢，沿路基深度方向選擇5 個點 a(5.50，5.50，－10.00)、b(5.50，2.50，－10.00)、c(5.50，0.00，－10.00)、d(5.50，4.50，－10.00)、e(5.50，3.50，－10.00)分析各點隨加載時間的位移變化(圖5)。

由圖5中a－e各點的位移變化可以看出，在本試驗加載條件下，沿深度方向，路基沉降值呈減少的趨勢，沉降量極值點為a點，最大沉降量為9.624 cm，另外，c點的沉降量最小，為 0.697 cm，與a點沉降量的比值已很小，約為0.07。

4 結論

1)路基沉降受速度效應與加載循環效應雙重因素的影響。

2)動荷載作用下，沿深度方向路基的沉降呈減小的趨勢。

3)本循環荷載試驗加載條件下，路基沉降量極值點位于循環荷載加載點正下方，最大沉降量約為9.624 cm。

［1] 趙明階.土力學與地基基礎［M] .北京:人民交通出版社，2010.

［2] 王南，平恩順，岳龍山，等.基于車輛相互作用的動態特征分析［J] .河北工程大學學報:自然科學版，2009，26(3):63 －66.

［3] 陳國周，張建勛，賈金青.高速公路邊坡支護的安全監測［J] .四川理工學院學報:自然科學版，2010，23(1):7－9.

［4] 楊成學，楊文禮.河南高速公路的質量和安全控制［J] .四川理工學院學報:自然科學版，2010，23(2):125－127.

［5] 金雷.高速公路路堤逐級填筑下路基沉降變形數值仿真分析［J] .中外公路，2009，29(6):34－37.

［6] 王智猛.高速鐵路基床現場循環加載試驗研究［J] .巖土力學，2010，31(3):760－764.

［7] GB50021－2001.巖土工程勘查規范［S] .

［8] JTGB01－2003.公路工程技術標準［S] .

［9] 張樂樂.ANSYS輔助分析應用教程［M] .北京:清華大學出版社，北京交通大學出版社，2006.

［10] 張 波.ANSYS有限元數值分析原理與工程應用［M] .北京:清華大學出版社，2005.