山區(qū)土石混合料全填方路堤應(yīng)力形變特征分析

徐琨武

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

1 前 言

公路建設(shè)因地理環(huán)境不同，使得路堤取材有很大差異。在我國東部平原地區(qū)，路堤用料主要為細粒黏土;西部地區(qū)多山，路堤多用土石混合的粗粒土填筑。基于節(jié)省工程量和經(jīng)濟利益考慮，路堤需充分利用自然地理條件就地取材，在巖石地基上按要求分層填筑。為了充分揭示土石混填路堤在分層填筑過程中的沉降和水平形變位移、應(yīng)力和破壞區(qū)的分布特征及其變化規(guī)律，本次研究從實際在建工程出發(fā)，通過大型三軸試驗和必要的系列試驗獲取路堤填筑料的物理力學(xué)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，開展了典型路堤斷面形式有限元數(shù)值模擬分析研究，獲得了對其應(yīng)力形變場的認識。

2 路堤計算參數(shù)的確定

由于數(shù)值模擬必須獲得準確的介質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)，著重是密度、變形特征和強度特征方面的參數(shù)，因此采用了大型三軸試驗的手段。

2.1 試 樣

本次研究的路堤土石混合料是廣泛分布于我國西南地區(qū)，特別是四川盆地及其周邊地區(qū)的由中生界碎屑巖形成的無粘性粗粒土，顏色呈暗紫紅色，形狀極不規(guī)則呈棱角狀，母巖巖性為淺紫紅色鈣泥質(zhì)膠結(jié)細粒砂巖，偶見方解石脈。

試樣配制采用相似級配法確定相似級配。對相似級配中的超粒徑顆粒，按規(guī)程要求采用等質(zhì)量代換法予以處理。試樣試驗級配特征值見表1。

表1 試樣試驗級配特征值

2.2 室內(nèi)試驗

按照JTJ051－93《公路土工試驗規(guī)程》，對路堤土石混合料試樣在不飽水、不固結(jié)和不排水情況下進行大三軸剪切試驗。試樣的試驗條件及根據(jù)其在各級圍壓(100 kPa、150 kPa、200 kPa、250kPa)下莫爾應(yīng)力圓強度外包線求得的強度參數(shù)(總應(yīng)力法)見表2。Ei與μi為各級圍壓下得到的初始切線模量與初始泊松比的平均值。

表2 試樣的試驗條件和強度參數(shù)

2.3 有限元計算參數(shù)的確定

在進行有限元計算時，土石混填路堤采用鄧肯—張非線性彈性模型，按照SL237－1999《土工試驗規(guī)程》鄧肯－張模型方法整理試驗資料。為了更好地模擬工程實際情況，將路堤下部視為巖石地基，采用線彈性模型。計算采用的物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 有限元計算模型物理力學(xué)參數(shù)

3 路堤的有限元計算分析

3.1 計算思路

有限元計算按平面應(yīng)變問題考慮(即路堤斷面的厚度取單寬厚度1m)。建立有限元計算模型時，坐標(biāo)系原點定于路堤中心線最底處(見圖1)。

計算模型位移邊界條件:路堤邊界為自由邊界(對稱斷面加以適當(dāng)?shù)膶ΨQ邊界條件)，巖石地基兩側(cè)邊界為法向約束，底部邊界為固定支座約束。

進行單元離散時，為了比較真實地反映實際路堤施工中的逐層碾壓的施工工序，在計算模型中路堤填筑按照0.3m一層進行分層模擬計算。路堤填料高度為20m，共分為67層。

荷載僅考慮自重作用。為了真實地反映路堤填筑過程中的位移和應(yīng)力規(guī)律，在模擬分層填筑前，將巖石地基重力作用下產(chǎn)生的自重應(yīng)力作為初始應(yīng)力場，其形變場僅考慮后期路堤填筑過程的影響。

3.2 路堤的有限元計算分析

路堤斷面形式見圖1。坐標(biāo)系見圖中。

圖1 全填路堤斷面示意(m)

3.2.1 有限元計算模型

全填方路堤具有對稱性，基底寬度為B=96m。離散的有限元計算網(wǎng)格示意見圖2。計算模型共劃分實體單元總數(shù)2 598個、節(jié)點總數(shù)2 705個，其邊界條件為:

u、v分別代表水平位移和垂直位移。

3.2.2 計算結(jié)果分析

計算的路堤變形圖以及垂直位移(沉降)uy、水平位移ux、最大主應(yīng)力σ1、最小主應(yīng)力σ2等值線圖、最大剪應(yīng)力τmax等值線圖分別見圖3～10。

圖2 全填方路堤計算模型邊界條件

圖3 路堤變形

圖4 路堤沉降uy等值線(m)

圖5 路堤水平位移ux等值線(m)

圖6 路堤表部各點沉降曲線

圖7 路堤坡面各點水平位移曲線

圖8 最大主壓應(yīng)力σ1等值線(kPa)

圖9 最小主壓應(yīng)力(σ2)等值線(kPa)

圖10 最大剪應(yīng)力τmax等值線(kPa)

4 填筑過程中的應(yīng)力形變場特征分析

4.1 位移形變場特征分析

從圖3～7可以得到路堤形變場的如下特征規(guī)律:

(1)由圖3可見，路堤位移總體趨勢是從路面中心線向路堤斜坡臨空方向逐漸偏轉(zhuǎn)，且在路堤的中下部較大，在路堤高度約1/2的斜坡表部，外鼓現(xiàn)象較為顯著。由于路堤下部的巖石地基變形參數(shù)較高，巖石地基的位移受路堤的影響相對很小，與填筑路堤位移相比，巖石地基的位移微小。

(2)由圖4可見，路堤垂直位移(沉降)比較顯著的部位，主要分布在路堤中心線(對稱面)下部靠路堤高度約1/2的位置，最大沉降量約67 mm。受路堤的影響，巖石地基的最大垂直位移主要分布在路堤中心線(對稱面)下部與巖石地基的交界面位置，最大沉降量約1.5mm，與路堤最大沉降量相比，巖石地基的垂直位移很小。

(3)由圖5可見，路堤水平位移比較顯著的部位，主要分布在路堤高度一半靠坡面附近位置，最大水平位移約為44mm。同樣，受路堤的影響，巖石地基的最大水平位移主要分布在路堤與巖石地基的交界面靠路堤底面水平范圍約1/2位置，最大水平位移量小于0.5mm，與路堤最大水平位移相比，巖石地基的水平位移很小。

(4)圖6為路堤表面各點沿橫向方向(x方向)的沉降量(垂直位移分量)分布圖，路堤表面的最大沉降位于路堤中心線(對稱線)位置，量值約 5.1 mm，路堤表面沉降比較顯著的水平寬度約5m，從路堤表面中心線向兩側(cè)逐漸減小，在路堤表面邊界附近的垂直位移降至約2.8 mm。

(5)圖7為路堤坡面各點水平位移沿高度的分布圖，路堤坡面各點向臨空方向的最大水平位移約為38.25mm，位于路堤高度約一半附近位置。

4.2 應(yīng)力場特征分析

從圖8～10可以得到路堤形變場的如下特征規(guī)律:

(1)由圖8(最大主應(yīng)力等值線)和圖9(最小主應(yīng)力等值線)的應(yīng)力分布特征可以看出，路堤內(nèi)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力從路堤表部向深部也呈現(xiàn)逐漸遞增的變化特征。路堤內(nèi)最大主應(yīng)力的最大值約454kPa，位于路堤中心線的底部;路堤內(nèi)最小主應(yīng)力最大值約247kPa，仍位于路堤中心線的底部。上述特征表明位于路堤中心線的底部，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力矢量都沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

(2)由圖9可見，在路堤坡面處出現(xiàn)了不連續(xù)的很小范圍的拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力最大值約4.45kPa，方向和坡面基本垂直。路堤內(nèi)部最大主應(yīng)力由于是由路堤填筑體的自重應(yīng)力引起的，受路堤設(shè)計斷面地形條件的影響，在路堤坡面附近最大主應(yīng)力附近逐漸偏轉(zhuǎn)至與坡面平行;而最小主應(yīng)力則主要受路堤自重應(yīng)力側(cè)壓力效應(yīng)的影響，在路堤表面及坡面附近基本為0(局部有較小的拉應(yīng)力)。另外，由于路堤填筑體和巖石地基材料力學(xué)特性的差異，在巖石地基與路堤填筑體的交界面位置，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布也呈現(xiàn)不連續(xù)變化的特征。

(3)由圖10看出，路堤填筑體的最大剪應(yīng)力為147kPa，位于巖石地基與路堤填筑體的交界面附近，且有一定的集中現(xiàn)象，但最大剪應(yīng)力的集中程度不顯著。計算結(jié)果還表明，路堤填筑體在分層填筑過程中，沒有出現(xiàn)塑性剪切破壞。

5 結(jié) 論

(1)在山區(qū)土石混填路堤分層填筑完成后，最大沉降并不發(fā)生在路堤頂部，而是發(fā)生在填筑高度約1/2的路堤中心位置附近，這與不分層填筑有本質(zhì)區(qū)別。最大水平位移并不發(fā)生在坡面，而是發(fā)生在距離坡面一定距離，填筑高度略低于1/2的位置附近。

(2)路堤內(nèi)表部應(yīng)力水平較小甚至在坡面可能出現(xiàn)一些零星的小范圍的拉應(yīng)力區(qū)，向路堤深部壓應(yīng)力逐漸增大，其最大主壓應(yīng)力值主要由填筑體的實際覆蓋重量決定。同時在路堤填筑體與巖石地基交界面上剪應(yīng)力發(fā)生一定的集中現(xiàn)象，但不至于使填筑體發(fā)生破壞。

(3)實際施工過程中填筑體的總方量可由計算的沉降值進行適當(dāng)增加，對于在坡面處由于外鼓產(chǎn)生的多余方量可以進行削坡處理。

(4)當(dāng)路堤填筑體高度較高時，除應(yīng)對其應(yīng)力形變場的計算分析外，還應(yīng)對路堤進行邊坡穩(wěn)定性分析。

(5)使用土石混合料填筑路堤，在工程技術(shù)指標(biāo)上可以達到要求，具有良好的工程適用性，同時它的推廣使用在西部地區(qū)交通建設(shè)中對節(jié)省工程造價具有非常顯著的作用，對其他西部交通類似工程具有良好的借鑒作用。

［1］GB/T 50123—1999《土工試驗方法標(biāo)準》［S］.北京:中國計劃出版社，1999.

［2］SL 237—1999《土工試驗規(guī)程》［S］.北京:中國水利水電出版社，1999.

［3］JTJ 051—93《公路土工試驗規(guī)程》［S］.北京:人民交通出版社，1993.

［4］JTJ 059—95《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》［S］.北京:人民交通出版社，1995.

［5］張學(xué)言編著.巖土塑性力學(xué)［M］.北京:人民交通出版社，1993.

［6］王勖成，邵敏編著.有限單元法基本原理和數(shù)值方法［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1997.