動載荷下過黃河大堤公路路基破壞機理數值模擬分析

李 衛

(中電建路橋集團有限公司，北京 100083)

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動載荷下過黃河大堤公路路基破壞機理數值模擬分析

李 衛

(中電建路橋集團有限公司，北京 100083)

采用FLAC3D三維數值計算方法，模擬了汽車動載荷對過黃河大堤高速公路路面的動力作用過程，分析了過黃河大堤公路路基的破壞機理，該研究結果為過黃河大堤復雜路基加固提供了依據。

公路路基，動荷載，破壞機理，數值模擬

0 引言

汽車在道路上行駛，作用于路面上的作用力主要由兩部分組成[1]，一部分是由車輛自重構成的靜載，另一部分則是汽車在運行時產生的振動荷載。汽車振動荷載的產生與車輛本身和路面狀況兩方面因素有關。前人對于動荷載下公路路基的破壞機理數值模擬研究做出了很多成果：劉升傳等[2]研究了軟土路基在動荷載作用下的變形規律；張向東等[3]以動三軸試驗和數值模擬分析了風積土路基在動荷載作用下的變形特性；楊滕等[4]結合ABAQUS軟件對路基施工完成后的路基路面在行車荷載作用下的沉降變形情況進行了模擬。但對于動荷載下過黃河大堤復雜路基的變形及破壞機理數值模擬研究卻鮮有人報道，本文將根據黃河大堤地基土的特性，在施工現場對黃河大堤復雜路基土進行調研，采用數值模擬分析等方法，針對工程實例，模擬其極限承載效應，對動載荷作用下過黃河大堤公路路基破壞機理進行詳盡分析，并通過對比分析和綜合分析，獲得該段路基在動載荷作用下的力學性能，為過黃河大堤復雜路基加固提供依據。

1 工程概況

107國道新鄉至鄭州高速公路K44+807～K44+941段與黃河北大堤相交，原黃河大堤構成該段路基的一部分，而且為高填方段。由于大堤的修建標準與高速公路不一致，原大堤的填土密實度、承載力等不能滿足高速公路的要求；而且由于防汛等條件的限制原大堤不能挖開按高速公路標準重新填筑，因此黃河大堤段公路路基如不進行處理，高速公路修建完成后將會產生差異沉降，引起跳車及路面破壞，降低道路的使用質量，影響行車安全。為確保K44+807～K44+941高填土段路堤的穩定性，降低沉降量，該路段必須進行加固處治。

2 計算模型及參數

2.1 計算模型

根據現場實際情況，選用FLAC3D三維數值模擬軟件[5]，首先進行靜力計算分析，為了加載方便，在該程序中選用了BRICK初始單元模型作為路面模型單元，選用TET單元作為路基以及壩堤的單元。再由初始單元模型組成基本單元柱體，由單元柱體組合成整個計算模型。

結構計算模型及有限差分網格劃分如圖1所示。本計算模型中，在周邊及底部施加約束邊界。

2.2 計算參數

路面主要承受的外力為行車形成的動載荷，在高速公路與堤壩交界處，雙向八車道均作用汽車動載荷。根據規范，按8輛30 t載重車平行同時作用在計算剖面上，載荷集度為40 kN/m的情況考慮，動載荷頻率30 Hz，動載荷在單位剖面作用時間為0.13 s，動載波形成正弦波，沿線路方向作用長度為16 m，以觀察整個結構的變形情況。

如圖1所示的尺寸與原型尺寸一致，各層屬性計算參數與實際原型采用的參數保持一致，具體見表1。

表1 模型計算參數

3 計算結果及分析

該公路在雙向八車道同時作用動載荷時為極限狀態，計算動載荷作用后的結果。結構縱斷面、橫斷面位移變形云圖如圖2，圖3所示。圖2，圖3都是利用FLAC程序計算汽車動載荷過后的最終云圖，計算過程為大變形，各單元在計算過程中均經過自動重新調整，可見路堤填筑體作用載荷處變形明顯大于未作用載荷處，而且汽車荷載作用在公路路基與黃河大堤交界處對堤身的影響十分嚴重，說明該處有較大的側向塑性擠出變形發生。

圖4～圖7為該橫縱剖面變形穩定后X方向及Y方向的位移等值線圖，由圖4～圖7可見，載荷作用位置處以及路基與黃河大堤交界處X方向位移值相對較大，Y方向的變形主要位于載荷作用點處，最大變形量可達7.6 mm。從豎向位移變化來看，載荷作用點處位移最大，最大值為8.69 cm，然后沿著水平方向與垂直方向逐漸減小，堤身的變形值較小，只有在交界處有較大的位移，一般在6 cm～8 cm之間，說明該處為應力集中區，自公路路面到坡底都有發生破壞的可能，其位移矢量圖如圖8所示。在計算過程中考慮了路面的材料特性，所以限制了坡底在水平方向上的速度與變形。從變化曲線來看，路面的位移量最大，說明此處是高應力區。

由有限差分計算，通過命令HIS記錄下載荷作用點處的位移值，通過PLOT HIS 1 VS 2，顯示監測點的位移(豎直向下)—時步曲線，見圖9。加載荷前位移很小，加載后隨著迭代的進行，位移迅速增大，最終均趨于穩定。

如圖10所示為塑性區圖，大部分為拉伸破壞與剪切破壞，主要位于載荷作用點處以及路堤與黃河大堤結合處等應力集中區。

通過以上分析可知，路堤未作處理時，整個結構的變形值較大，以側向擠出變形為主；路基載荷作用點處變形值明顯高于非作用點處；路堤與黃河大堤結合處為應力集中區，變形值較大。

4 結語

采用動載作用下的FLAC3D三維數值模擬計算方法，分析研究過黃河大堤公路路基破壞機理，模擬了汽車動載荷對高速公路路面的動力作用過程，得出了如下結論：在沒有采取任何加固措施的情況下，由于黃河大堤的整體強度不足，在汽車動載作用下，其水平變形、豎向變形值均較大，其中豎向變形最大達到8.69 cm，路堤與黃河大堤結合處為應力集中區。對行車安全和堤身的穩定性將造成嚴重的威脅，必須采取相應的加固措施。該研究結果為過黃河大堤復雜路基加固提供了依據。

[1] 曹春陽，賈艷東，孫榮書，等.道路車輛荷載特性及其對路面的作用分析[J].遼寧工學院學報，2006,26(2)：115-117.

[2] 劉升傳，曹 淵，楊志文.動荷載下軟土路基變形規律研究[J].鐵道工程學報，2011(5)：22-26.

[3] 張向東，李 旭，劉家順，等.動荷載作用下風積土路基振陷變形[J].公路交通科技，2011(12):39-43.

[4] 楊 滕，張 嫻，韓 波.基于ABAQUS動荷載作用下路基沉降數值模擬分析[A].2013年2月建筑科技與管理學術交流會論文集[C].2013:31.

[5] 劉 波，韓彥輝.FLAC原理、實例與工程應用[M].北京：人民交通出版社，2005：7-14.

The numerical simulation analysis on the failure mechanism of dynamic load under Yellow River levee road sub-grade

Li Wei

(ChinaElectricPowerConstructionRoadandBrigdeGroupLimitedCompany,Beijing100083,China)

Using the FLAC3D numerical simulation calculation method,this paper simulated the dynamic effect process of automobile dynamic load to Yellow River levee highway pavement,analyzed the failure mechanism of Yellow River levee highway sub-grade,the researched results provided basis for Yellow River levee complex sub-grade reinforcement.

highway sub-grade,dynamic load,failure mechanism,numerical simulation

1009-6825(2016)29-0160-03

2016-08-10

李 衛(1978- )，男，高級工程師

U416.1

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