交通荷載作用下高液限粘土路基穩(wěn)定性分析

許海亮 何兆才 肖 劍 祿苗苗

(1.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144；2.中冶交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100028)

1 概述

隨著我國在西部地區(qū)高速公路建設(shè)的不斷發(fā)展，不可避免的會遇到高液限粘土路基工程。對于高液限土填筑的路基，在外界條件下路基易產(chǎn)生裂縫、固結(jié)沉降加大等病害，這既影響了公路的正常使用也危及人們的生命財產(chǎn)安全[1-5]。其中高速公路受到長期的重復(fù)性動荷載作用，也會給結(jié)構(gòu)帶來強(qiáng)度疲勞失穩(wěn)和變形疲勞失穩(wěn)，從而導(dǎo)致路基的滑塌現(xiàn)象，存在嚴(yán)重的安全隱患，因此在交通荷載作用下對高液限粘土路基穩(wěn)定性的研究具有重要的工程意義和實用價值[5-8]。本文依托某高速公路高液限土路基，利用數(shù)值模擬技術(shù)對該路基進(jìn)行動力穩(wěn)定性分析，為類似高液限土路基穩(wěn)定性研究提供借鑒。

2 研究情況

2.1 工程概況

西部某山區(qū)高速公路延伸線工程，全長46.933 km。該工程項目位于亞熱帶溫潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為12 ℃～18 ℃，年平均降水量達(dá)1 085 mm。該工程全線地勢起伏較大，山高谷深，岸坡險峻，全段存在比例較大的高液限土分布區(qū)段。

2.2 計算模型

以西部山區(qū)某高速公路為研究背景，取試驗段路基的1/2建立Molar-Coulomb模型，進(jìn)行動力分析。路堤模型行車方向長度為13 m、寬10 m、厚20 m。計算模型的邊界條件為：左邊界和右邊界受x方向的約束，前后兩邊界受y方向的約束，底邊界受z方向的約束。模型由上至下分別為瀝青上面層、瀝青中面層、瀝青下面層、水穩(wěn)上基層、水穩(wěn)下基層、碎石層、路基層、地基層。其中瀝青上面層采用SMA-13，厚0.04 m；瀝青中面層采用AC-20，厚0.05 m；瀝青下面層AC-25，厚0.07 m；水穩(wěn)上基層采用水泥碎石，厚0.2 m；水穩(wěn)下基層采用二灰碎石，厚0.2 m；碎石層厚0.15 m；路基層采用高液限土，共分三臺階，臺階高度分別為8 m,8 m,4 m，臺階坡度為1∶1.5，每層臺階間距2 m；地基層為碎石土，厚30 m。計算模型如圖1所示。

2.3 計算工況

根據(jù)現(xiàn)場勘探情況及實際的具體施工方案，建立模型的計算工況，如表1所示。

表1 計算工況

2.4 計算參數(shù)

根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H的地勘資料及試樣土的各項實驗研究結(jié)果，模型的計算參數(shù)如表2所示。

表2 計算模型參數(shù)

2.5 動荷載的選取

考慮汽車的垂直振動完全由路面的不平整度引起的，因此本文所用汽車荷載模型表達(dá)式為：F(t)=P0+Psinωt[9]。車輛荷載與時間的關(guān)系如圖2所示。

2.6 測點(diǎn)布置

如圖3所示，在路基橫斷面上設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)間距5 m，且在路基路面上設(shè)置5個監(jiān)測點(diǎn)。在交通荷載作用下，提取路基各個監(jiān)測點(diǎn)的位移、內(nèi)力值等進(jìn)行分析。

3 計算結(jié)果分析

3.1 豎向位移分析

改良前后路基的豎向位移云圖，如圖4,圖5所示。從圖4和圖5中可以看出路基的路面沉降值最大，數(shù)據(jù)結(jié)果見表3。

表3 最大沉降值

由圖4,圖5可知，路基的豎向位移隨路基高度的增加而增大；由表3可知，改良前后路面的沉降值分別為0.68 mm，0.29 mm，改良后的路面沉降值明顯降低，改良效果為57.35%，因此采用改良高液限土的方法可顯著提高路基的穩(wěn)定性。

路基各監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖6,圖7，并計算高液限土路基的改良效果，見表4。

表4 最大豎向位移值

由圖6,表4可知，在交通荷載作用下，改良前后的路基路面下沉分布基本一致，其最大沉降值位于道路中部，沉降值分別為0.57 mm,0.25 mm，改良后的路基中部路面沉降量減少了56.14%。

由圖7,表4可知，在交通荷載作用下，改良前后的路基豎向位移均隨路基高度的增加而增大，且路基底部的豎向位移基本保持不變，豎向位移最大處均位于路基頂部，分別為0.57 mm,0.25 mm，改良后的路基頂部豎向位移減小56.14%；路基高度10 m處的豎向位移改良效果最優(yōu)，改良效果為82.31%。

綜上可知，交通荷載作用下，高液限土路基頂部位置穩(wěn)定性最差，易造成路面沉降、裂縫等災(zāi)害；高液限土路基路面沉降最大值位于路面中部，相應(yīng)的也成為最容易產(chǎn)生道路病害的位置；通過改良后的高液限土路基沉降量顯著得到控制。

3.2 橫向位移分析

提取路面各監(jiān)測點(diǎn)橫向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖8所示，并計算高液限土路基的改良效果，見表5。

表5 最大橫向位移值

由表5可知，改良前后路基路面的最大橫向位移分別為0.048 mm,0.007 66 mm，路基采用改良高液限土后，路面的橫向位移減小84.04%；由圖8可知，改良后路基路面的橫向位移最大值位于距邊坡較近的位置。

綜上可知，高液限土路基靠近邊坡的位置為穩(wěn)定性較差的位置，易造成邊坡滑塌等現(xiàn)象，公路安全不能保障，因此對于路基邊坡的加固措施是必要的；改良后的路基橫向位移顯著減少，故改良高液限土的方法可提高高液限土的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

1)交通荷載作用下，高液限土路基頂部位置穩(wěn)定性最差，易造成路面沉降、裂縫等災(zāi)害；高液限土路基路面沉降最大值位于路面中部，相應(yīng)的也成為最容易產(chǎn)生道路病害的位置；通過改良后的高液限土路基沉降量顯著得到控制。高液限土路基靠近邊坡的位置為穩(wěn)定性較差的位置，易造成邊坡滑塌等現(xiàn)象，公路安全不能保障，因此對于路基邊坡的加固措施是必要的；改良后的路基橫向位移顯著減少，故改良高液限土的方法可提高高液限土的穩(wěn)定性。

2)綜上可知，改良后的高液限土路基沉降量和橫向位移得到顯著控制，研究成果可以為類似路基動力穩(wěn)定性分析研究提供依據(jù)。