交通荷載作用下粉土路基響應(yīng)特性分析

龔津梁

摘 要：本文采用有限差分軟件針對某一工程實(shí)例的粉土路基響應(yīng)特性進(jìn)行了模擬分析，得到了路基沉降、路表沉降規(guī)律以及剪切應(yīng)變增量的云圖，以便有針對性開展相關(guān)理論研究工作。

關(guān)鍵詞：交通；荷載作用；粉土路基；響應(yīng)；特性

中圖分類號：U416 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 工程實(shí)例情況介紹

工程區(qū)域的巖層呈單斜產(chǎn)出，未發(fā)現(xiàn)斷層和褶曲區(qū)域。受區(qū)域構(gòu)造的影響，主要有兩組裂隙，其產(chǎn)狀分別為：1組為315°∠61°，裂面平整，無充填，張開度在0.5mm～4.5mm，間距為0.4m～3.0m，延伸長度為0.5m～4.5m，貫通性差；2組為205°∠82°，裂面平直，無充填，張開度在5mm～15mm，間距為0.5m～2.5m，伸延長度為0.8m～4.0m，貫通性較差。勘察區(qū)內(nèi)巖體較完整，結(jié)構(gòu)面結(jié)合度較差，地質(zhì)構(gòu)造比較簡單；該區(qū)域?qū)贉貛駶櫄夂颍募痉置鳎涤瓿渑妫照粘渥悖昶骄鶜鉁卦?8℃～20℃，降雨基本集中在5～10月份。

2 粉土路基響應(yīng)特性模擬分析

2.1 數(shù)值模擬過程

有限差分軟件擁有多個(gè)計(jì)算模塊，可以進(jìn)行靜力分析、滲流分析和動(dòng)力分析等多方面的數(shù)值模擬。在進(jìn)行響應(yīng)特性分析時(shí)，是一種完全意義上的非線性響應(yīng)分析，可以在結(jié)構(gòu)非線性、幾何非線性和荷載非線性等方法中進(jìn)行合理的選擇。當(dāng)使用FLAC3D進(jìn)行交通荷載作用下的粉土路基響應(yīng)分折時(shí)，可以將命令按照流程順序儲存于文本文件當(dāng)中，在分析問題時(shí)，便直接采用call命令調(diào)入，即可進(jìn)行分析求解。FIAC3D軟件的具有以下工作流程：建立有限元分析模型、定義材料模型及參數(shù)、設(shè)定邊界條件及初始條件。

2.2 模型建立及參數(shù)選取

本次數(shù)值計(jì)算是結(jié)合某一高速公路路段的施工情況，采用三維有限元做為模型，公路原地基高度設(shè)定為15m，路堤高度設(shè)定為2m，模型橫向?qū)挾葹?0m，縱向長度為20m；數(shù)值模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為11991個(gè)，總單元個(gè)數(shù)為10400個(gè)。

3 模擬分析的結(jié)果

3.1 位移時(shí)程的分析

在交通荷載作用下，粉土路基會隨著時(shí)間的變化呈現(xiàn)出不同的沉降位移深度，一般地在車輛荷載作用的瞬間，路基會相應(yīng)的產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的變形，這屬于彈性變形范疇，其力度可以通過彈性力學(xué)進(jìn)行計(jì)算；其次，路基沉降變形會隨著動(dòng)荷持續(xù)增長，在荷載作用前期增長速率逐漸減小，路基沉降變形會隨著荷載作用而持續(xù)增長，隨著增長時(shí)間的推移，增長的速度逐漸減小，路基沉降變形趨于穩(wěn)定；當(dāng)路基沉降變形呈上下波動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，如果波動(dòng)的幅度較大，將會對行車的舒適性造成一定的影響。當(dāng)荷載幅值為l0kPa、20kPa、30kPa和40kPa時(shí)，路基最終的沉降位移分別為0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm，呈現(xiàn)出非線性增長的趨勢。通過以上的分析可以看出，在路基總變形中，瞬時(shí)變形和長期變形約各占50%。

3.2 位移云圖分析

在不同車輛的荷載作用下，某粉土路基的沉降位移云圖如圖1所示。通過觀察圖1可以看出在車輛荷載作用下，路基表面的沉降變形最大，隨著深度的增加，路基的沉降變形逐漸減小；其中，圖1（a）顯示在路基表面中心處沉降變形最大，向路肩方向逐漸減小。結(jié)合圖中（a） 、（b）、 （c）、（d）4幅圖片可以看出，路基的沉降變形隨著荷載幅值的增加而增大，甚至造成基底破壞。

3.3 剪切應(yīng)變增量分析

在不同車輛的荷載作用下，從某粉土路基的沉降位移云圖分析得知，路基表面中心處的剪切應(yīng)變增量最大，但并不是最可能發(fā)生破壞的位置；而路基路肩由于處于非常不利的受力狀態(tài)，且剪切應(yīng)變增量也較大，因此路肩處最容易發(fā)生剪切滑坡破壞，通過分析得知，在路基路肩處已經(jīng)形成一定的滑動(dòng)帶，但還不是很明顯。隨著荷載幅值的增加，路基路肩處的剪切滑動(dòng)帶越來越明顯，直至出現(xiàn)剪切破壞。

3.4 豎向位移分析

在不同車輛的荷載作用下，根據(jù)某粉土路基的沉降位移云圖可知，路基表面的沉降變形最大，并形成了一個(gè)類似于橢圓形狀的等值沉降面，并且隨著沉降程度的加深，路基的沉降變形逐漸減小；隨著荷載幅值的增加，使路基的沉降位移分布情況得到了很大的改變，并且路肩也可能發(fā)生剪切滑動(dòng)破壞。

3.5 路基中心豎向位移分析

隨著車輛荷載幅值的不斷增大，粉土路基表面的沉降位移也在隨之增大。當(dāng)荷載幅值為為l0kPa、20kPa、30kPa和40kPa時(shí)，路基表面的沉降位移分別為0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm，由此可以看出路基表面的沉降與荷載幅值之間屬于一種線性關(guān)系，并且在深度10m處發(fā)生轉(zhuǎn)折，這也說明了荷載作用對路基的影響深度一般在10m左右。

結(jié)語

通過有限差分軟件對粉土路基響應(yīng)特性的分析，總結(jié)出以下沉降位移及變形的規(guī)律：第一，在交通荷載作用下，路基的瞬時(shí)沉降和長期沉降各占總沉降的50%左右，并且隨著沉降時(shí)間的延長，會達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值；第二，當(dāng)荷載幅值為l0kPa、20kPa、30kPa和40kPa時(shí)，路基最終的沉降位移分別為0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm，呈現(xiàn)出非線性增長的趨勢；第三，隨著荷載幅值的不斷增加，剪切帶越來越明顯，當(dāng)荷載幅值達(dá)到30kPa時(shí)，為一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

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