交通荷載作用下煤矸石路基變形響應特性分析

陳笑寒

(中國民航機場建設集團公司，北京100621)

交通荷載作用下煤矸石路基變形響應特性分析

陳笑寒

(中國民航機場建設集團公司，北京100621)

交通荷載作用下路基變形是道路工程主要研究問題。對煤矸石填料進行動三軸試驗，研究了煤矸石填料變形特性與累積振次、動荷載幅值的變化規律，并依據交通荷載動力特性，對交通荷載作用下路基變形響應進行數值模擬。試驗和數值模擬結果表明:煤矸石填料變形隨累積振次增加而增長，前期增長速度較快，后期增長速度緩慢且變形值逐漸趨于定值;相同振次條件下，變形隨動荷載幅值增加而增長;車輛正下方路基沉降位移隨路基深度增加而減小，但減小速率逐漸降低，沉降曲線在深度6 m左右出現明顯拐點，表明交通荷載影響深度為6 m左右;路基沉降隨行車速度增加而增長，這為道路路基設計提供了依據。關鍵詞:煤矸石填料;動三軸試驗;交通荷載;路基工程;數值模擬

0 引言

隨著我國經濟社會不斷發展，公路工程在交通運輸中的地位日益提高。大規模修建公路成為重要的工程活動，而路基是道路工程的重要組成部分，因此其設計、施工質量好壞直接關系道路壽命和使用情況。路基雖不直接與交通荷載接觸，但卻是承受交通荷載的主要組成部分，因此，交通荷載作用下路基變形特性一直是道路工程研究的熱點問題之一。

在過去數十年中，道路工程技術人員一直采用靜力方法研究動荷載作用下道路路基變形特性，靜力方法可以解決一些變形問題，但無法描述交通荷載作用下道路路基變形發展演化規律，因此靜力方法具有局限性。靜力方法無法真正解決動力響應問題的主要原因包括:(1)沒有考慮荷載的動力特性;(2)沒有考慮巖土材料的動力特性。隨著科學技術的進步，尤其是計算機科學的發展，采用動力學解決路基變形特性的時機已經來臨。

煤矸石山(以下簡稱矸石山)廣泛分布于我國東北、山西和重慶等地區。矸石山附近存在大量礦區居民，因此其穩定與否關系著人民生命財產的安全。采用煤矸石作為路基材料已成為煤矸石應用的方向之一，但對煤矸石路基變形特性等研究較少。本文對煤矸石填料進行了動三軸試驗研究，主要研究了煤矸石填料變形特性與累積振次、荷載幅值的變化規律，并依據交通荷載動力特性，對交通荷載作用下路基變形響應進行了數值模擬。

1 試驗

1.1 試驗材料

本次試驗選取遼西某自燃矸石，該自燃煤矸石物理力學性質如下:天然狀態下密度為1.51 g/cm3，相對密度為2.69，壓碎值為27.6%，粘聚力接近零，可以認為是無粘性土，內摩擦角為29°。由于煤矸石天然顆粒較大，因此需破碎處理，保留粒徑d小于5 mm的顆粒，矸石級配曲線如圖1所示。采用三瓣式樣模按要求制備煤矸石試樣，試樣高H=200 mm、直徑D=100 mm。

圖1 煤矸石級配曲線

1.2 試驗過程

本次試驗主要探討壓實度和動荷載幅值對煤矸石填料變形特性的影響，試驗分組情況如表1所示。動三軸試驗過程如下:首先制備試樣并將試樣放入壓力室，然后等比例施加固結應力，本次固結應力取60 kPa(約3 m高土體重力)，待試樣變形穩定后，施加動荷載。動荷載制度如圖2所示。

表1 試驗分組情況

圖2 動三軸試驗加載制度

2 試驗結果分析

不同壓實度、動荷載幅值條件下，煤矸石累積軸向應變與振次關系，如圖3所示。從圖3中可以發現:累積應變隨振次增加而增長，前期增長速率較快，隨后增長速率逐漸降低，最后變形達到一個穩定的數值;累積應變增長速度隨荷載幅值提高而變快。結合圖3a、b和c還可以看出:壓實度對累積變形有較大影響;相同條件下，壓實度越大，累積變形越小;反之亦然。這是由于較高壓實度條件下，煤矸石填料孔隙比較小，能被壓縮的體積越小，因此累積應變較小。上述試驗結果表明:采用煤矸石作為路基填料時，路基變形會隨著使用時間增長而逐漸變大，前期增長速度較快，后期增長速度較慢，并最終變形逐漸趨于一個定值。

不同壓實度條件下，煤矸石累積軸向應變與動荷載幅值關系，如圖4所示。從圖4中可以發現:振次一定條件下，煤矸石填料累積應變隨動應力幅值增長而增加;動應力幅值較小時，累積應變增長速度較慢，動應力幅值較大時，累積應變增長速度較快。由圖4還可以看出:相同動荷載幅值條件下，荷載振次越多，煤矸石累積應變越大;反之亦然。

不同壓實度條件下，煤矸石填料破壞振次(以破壞應變為標準)與動荷載幅值關系如圖5所示。由圖可以看出:破壞振次隨動荷載幅值增加而減小，呈線性關系;壓實度越高，破壞曲線包絡線范圍越大，說明抗振動破壞能力提高。

圖3 累積軸向應變與振次關系

圖4 累積應變與動應力關系

圖5 破壞振次與動荷載幅值關系

3 交通荷載下路基變形響應數值計算

3.1 模型建立及計算過程

本次計算依據遼寧某煤矸石道路工程作為分析實例，為了分析路基沉降與縱向距離關系，采用三維模型進行計算，數值計算模型如圖6所示。三維計算模型尺寸如下:路基軸線方向取60 m，路基橫斷面方向取30 m，路基深度方向取20 m。路基邊界條件如下:上部邊界條件為自由面，水平方向邊界條件為約束節點水平位移，模型底部邊界條件為約束節點全部方向位移。

圖6 數值計算模型

本次數值計算過程如下:首先采用CAD軟件建立三維模型，然后將其導入數值計算軟件并劃分網格，在此基礎上賦予單元本構模型和材料參數，約束邊界條件并進行初始計算，得到初始靜力場后，賦予材料動力參數，施加交通荷載并進行動力計算。

3.2 本構模型選取及材料參數

土體是碎散顆粒集合體，因此土體破壞主要表現為剪切破壞形式，因此摩爾—庫倫彈塑性本構模型較適合土體的應力—應變關系，但與交通荷載作用下的應力應變關系具有一定差別，因此本次數值計算依據前述試驗對該本構模型進行了適當修正，具體修正情況見式(1)所示。

式中:E'為修正變形模量，E為變形模量，ε為正應變，ε0為初始應變，σdf為破壞荷載。

為描述交通荷載下土體破壞特性，屈服破壞準則見式(2)本次數值計算各土層計算參數見表2。

表2 路基各土層物理力學參數

本次計算采用瑞利阻尼，相關表達見式(3)

式中:C為阻尼，M為質量，K為剛度，α、β為相關參數，其中，α=0.05、β=0.2。

4 數值模擬結果分析

不同車速v和車距L條件下，路基沉降位移與路基深度變化關系如圖7所示。由圖7(a)可以看出:行車速度70 km/h時，行駛車輛正下方路基表面沉降為1.04 cm，并且路基沉降位移隨著路基深度增加而逐漸減小，但減小速率逐漸降低。觀察圖中曲線變化趨勢可以看出:沉降曲線在深度6 m左右出現明顯拐點;深度超過6 m的路基沉降變化有兩個特點:(1)沉降位移較小，約為路基表面沉降位移的10%～20%;(2)沉降變化速率較小，即曲線斜率較小，只為路基表面沉降位移變化速率的1/10～1/20。由圖7(a)還可以看出:縱向距離為0、1、2、4和6倍車距時，車輛行駛正下方路基表面沉降位移分別為1.04 cm、0.65 cm、0.18 cm、0.04 cm和0.01 cm，可以看出車輛行駛對路基縱向方向沉降影響范圍有限，約為2～3倍車距處。結合圖7(a)、(b)和(c)可以看出:行車速度70 km/h、110 km/h和150 km/h時，路基表面沉降分別為1.1 cm、1.6 cm和2.6 cm;表明路基沉降隨行車速度增加而增長。

圖7 路基沉降與深度關系

圖8 路基沉降與縱向距離關系

圖9 路基沉降與時間關系

不同車速v和路基深度條件下，路基沉降位移與縱向距離變化規律如圖8所示。由圖8(a)可以看出:行車速度70 km/h時，行駛車輛正下方路基表面沉降為1.04 cm，且路基沉降位移隨縱向距離增加而減小，但變化速率逐漸降低。觀察圖8(a)中曲線變化趨勢可以看出:在縱向距離為2倍車長時，沉降曲線出現明顯拐點;在縱向距離為4倍車長時，可以忽略車輛行駛對路基沉降的影響。由圖8(a)還可以看出:路基深度分別為0 m、1 m、2 m、4 m、6 m和8 m時，車輛行駛正下方路基沉降位移分別為1.04 cm、0.86 cm、0.57 cm、0.28 cm、0.17 cm和0.12 cm，可以看出車輛行駛對路基深度方向沉降影響范圍有限，約為6～8 m左右。結合圖8 (a)、(b)和(c)可以看出:行車速度越大，路基表面沉降越大，但沉降曲線拐點基本不變，說明行車速度對縱向方向沉降影響有限。

不同車速v和路基深度條件下，路基沉降位移隨時間發展變化規律如圖9所示。由圖9(a)可以看出:行車速度70 km/h時，行駛車輛正下方路基表面最終沉降為1.04 cm;動荷載作用起始階段，路基沉降速度較大，隨著動荷載的持續作用，路基沉降速度逐漸減小，沉降位移最終達到一個定值。由圖還可以看出:路基沉降位移隨著路基深度增加而逐漸減小，但減小速率逐漸降低。結合圖9(a)、(b)和(c)可以看出:行車速度越快，路基表面沉降越大，表明路基沉降隨行車速度增加而增長。

5 結論

本文對煤矸石填料進行了動三軸試驗研究，并依據交通荷載動力特性，對交通荷載作用下路基變形響應進行了數值模擬，得到主要結論如下。

(1)試驗表明:煤矸石填料變形隨累積振次增加而增長，前期增長速度較快，后期增長速度較慢并且變形逐漸趨于定值;相同振次條件下，變形隨荷載幅值增加而增長。

(2)數值模擬表明:車輛正下方路基沉降位移隨著路基深度增加而逐漸減小，但減小速率逐漸降低。沉降曲線在深度6 m左右出現明顯拐點;路基沉降隨行車速度增加而增長。

(3)路基沉降與時間變化規律表明:動荷載作用起始階段，路基沉降速度較大，隨著動荷載的持續作用，路基沉降速度逐漸減小，沉降位移最終達到一個定值。

［1］黃志軍，賴遠明，李雙洋，等.交通荷載作用下凍土路基動力響應分析［J］.冰川凍土，2012，(2):418－426.

［2］陳劍，蘇躍宏.交通荷載作用下公路路基動力特性的數值模擬研究［J］.公路交通科技，2011，(5):44－48.

［3］湯連生，林沛元，吳科，等.交通荷載下路基土中動應力響應特征分析［J］.巖土工程學報，2011，(11):1745－1749.

A dissertation on analysis of deformation response characteristic of coal gangue subgrade under traffic loads

CHEN Xiao－han
(China Airport Construction Group Corporation，BeiJing 100621，China)

The deformation of Subgrade under traffic load is important problem.The relationship between the deformation characteristics and the dynamic load amplitude is studied by dynamic triaxial test.Numerical simulation of response characteristics of subgrade deformation under traffic load is carried out.The results of experiments and numerical simulation show that:The deformation of coal gangue filler increases with the increasing of the accumulated vibration，the growth rate of the early stage is relatively fast，the late growth rate is slow and the deformation value is gradually tending to be fixed.The deformation increases with the dynamic load amplitude when the vibration is equal.The displacement is decreases with the depth increase under traffic load，but the decreasing rate gradually decreased and the settlement curve showed a significant turning point in the depth of about 6m.This shows that the impact depth of traffic load is about 6m.This provides the basis for road subgrade design.

coal gangue filling;dynamic three axle test;traffic load;subgrade engineering numerical simulation

U416.1

C

1008－3383(2017)04－0009－04

2016－06－08