交通荷載作用低路堤路基沉降特性研究

李增光

(1.高速公路養護技術交通行業重點實驗室，山東 濟南 250102；2.山東省道路結構與材料重點實驗室，山東 濟南 250102)

交通荷載作用低路堤路基沉降特性研究

李增光1，2

(1.高速公路養護技術交通行業重點實驗室，山東 濟南 250102；2.山東省道路結構與材料重點實驗室，山東 濟南 250102)

依托我國某高速公路低路堤工程背景，借助有限元分析軟件ABAQUS建立有限元模型，首先結合路基不同深度動位移和動應力計算數據，分析了交通荷載作用下路基的響應特征及影響范圍；然后，結合不同路基填土高度與路基動力響應相關性進行分析，依此為基礎計算不同填土高度下路基累積沉降特性。研究結果表明：低路堤易受交通荷載影響，豎向影響深度達3.0 m左右；填土高度降低，會迅速增加路基累積沉降；結合實際工況，計算路基填土高度1.5 m時地基累積20年最大沉降達375 mm。同時，對保障低路堤長期動載作用下穩定的技術措施進行了探討，能夠為類似工程實踐提供參考依據。

高速公路；低路堤；交通荷載；沉降

1 高速公路低路堤路基工程概況

某高速公路DK1+152～DK1+208區間采用低路堤設計，路基最低填土高度1.3 m，最高填土高度2.4 m，平均填土高度1.35 m。路面為采用瀝青混凝土結構，雙向四車道，中間為綠化帶。

DK1+152～DK1+208區間位于平原地區，場地相對平整，周邊為農田。區間地層雜填土以下主要為粉質黏土。地基土從上至下依次為：(1)雜填土：厚度0.30～0.80 m，平均厚0.55 m。松散、力學性質不穩定。(2)粉質黏土：厚度15～18 m，平均厚11.5 m。土呈棕褐色，可塑，局部含鐵錳質結核。(3)黏土：厚度>15 m。黃褐色，硬塑～堅硬，含鐵錳質結核。借助現場原位測試和室內土工試驗，整理土層主要物理力學指標詳見表1所示。

表1 土層主要物理力學參數

2 低路堤路基動力特性數值模擬分析

2.1 數值模型建立

計算選取DK1+158斷面，該斷面路基填土高度為0.92 m。我國梅英寶等在不考慮路基結構情況下認為交通荷載對地基的有效影響深度>5 m，為盡可能降低路基模型尺寸對計算精度的影響，選取地基深度25 m。由于交通荷載主要影響路基的豎向區域，而對于橫向影響較小，為節約計算資源，提高計算效率和精度，路堤與地基接觸面兩側模型尺寸各取10 m。模型縱向取20 m。其他區域尺寸參考圖1所示。模型網格采用structure劃分技術劃分，單元類型為C3D8R(六面體八節點實體縮減積分單元)。地基土采用摩爾-庫倫本構模型模擬，其它采用等效線彈性本構模型模擬。數值模型中，地基四周限制法向位移，底端采用固定約束。

2.2 計算結果及分析

交通荷載對路基的影響受路基結構層剛度和阻尼不同而呈現差異，通常在剛度較大部位動力響應相對集中。同時，交通合作對路基影響沿深度發展逐漸衰減，距離地標越近路基結構，與交通荷載振源接觸更近，振動響應的幅值也越大。由交通荷載作用低路堤路基計算結果云圖可知：交通荷載影響路基主要沿豎向區域發展；距離路基面越近動力響應越明顯，響應的值越大。

考慮交通合作作用路基動力特性的復雜性，可借助圖1進一步分析。

圖1 交通荷載作用路基計算結果云圖

圖2 動位移及動應力變化曲線

由3(1)可知：路表面的位移值最大，隨著路面深度的增加而減小。由3(2)可知：動應力沿深度逐漸衰減，約在深度3.0 m處車輛荷載引起的動應力值已經較小，側面驗證高速公路低路堤交通荷載影響范圍約3.0 m。

3 交通荷載作用低路堤路基沉降特性

路堤填土高度是高速公路面臨的一個主要課題之一。結合上述數值模型，僅改變路堤填土高度(1 m、1.5 m、2 m和2.5 m)，分別計算循環交通荷載作用5年后路基的沉降，計算結果詳圖3所示。

圖3 不同填土高度路堤路基沉降柱狀圖

由圖3可知：路堤填土高度對路基沉降影響較大；路堤填土高度為1 m、1.5 m、2 m和2.5 m時，路基累計20年最大沉降依次為880 mm、375 mm、145 mm和140 mm；隨填土高度降低，路基累計沉降降低幅值依次為425 mm、655 mm和650 mm。由計算結果側面驗證，填土高度降低會增加路基沉降；僅從本項目而言，填土高度1.5 m降至1 m時，沉降增加值達425 mm，約為1.5 m填高路基沉降的1.13倍，增幅高達100%以上。

綜上可知：交通荷載對低路堤路基動力響應更加劇烈，且考慮南方降雨較多實際情況，低路堤干濕循環會加劇交通荷載影響的程度。因此，為保障低路堤路基長期穩定性，建議從以下角度進行改進：(1)路基填料進行改良，確保路基填料能夠滿足交通荷載作用下的強度滿足要求；(2)因地制宜，適當對軟土地基進行處理，以提高地基承載力，降低路基累積沉降；(3)完善排水系統，降低降雨環境對路基影響。

4 結 論

(1)交通荷載作用下，動位移及動應力沿路基深度逐漸衰減；沿路基深度3.0 m處，車輛交通荷載引起的動應力值已較小，基本可以忽略不計，側面驗證高速公路低路堤交通荷載影響范圍約3.0 m。

(2)填土高度與交通荷載作用路基動力響應程度密切相關；填土高度為1 m、1.5 m、2 m和2.5 m時，路基累計20年沉降依次為880 mm、375 mm、145 mm和140 mm。填土高度1.5 m降至1 m時，沉降增加425 mm，約為填高1.5 m路基沉降1.13倍。

交通荷載作用，路基動力響應及累積沉降特性較為復雜，文中雖結合數值模型進行研究，并獲取一切有意義結論，但考慮問題的難度和復雜性，后期仍需借助更多方法綜合進行分析。

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TU457

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