圍墾區內濕度場變化對道路橫向應力的影響

張 博 謝 路 申啟華

(1.天津大學建筑工程學院，天津 300350; 2.蘇州市公路事業發展中心，江蘇 蘇州 215000; 3.東南大學ITS中心，江蘇 南京 210096)

0 引言

為了解決沿海地區用地緊缺這一問題，沿海地區均在廣泛地進行圍墾造地。各研究者對膨脹土，路基濕度場變化對路基強度等做了相應的研究。謝路[1]通過研究圍墾區濕度場變化對路基土的力學性能的影響，得到路基的橫向位移在濕度場的作用下有較大的變化且豎向位移不能很好的表明濕度場變化對路基的影響。唐朝生等[2]在室內對飽和的膨脹土進行了控制溫度的干燥試驗，得出了膨脹土的體積收縮特性與開裂之間的關系。K.L.KWONG等[3]分析了路基在強降雨條件下濕度場的變化，并進而得到了在此條件下路基的強度特性以及路基的整體性能均有所下降，道路的使用品質也有明顯的降低。由于濕度應力場與溫度應力場的相似性，在有限元軟件中用溫度場替代濕度場，尚云東等[4]對濕軟路基進行了研究，得出土路基在水作用后的變形以及應力的分布特點。繆協興[5]通過分析溫度應力場與濕度應力場的相似性，從而將濕度應力場轉化為溫度應力場進行研究。雖然前人已做了眾多的研究，但是對圍墾區土體濕度變化對路基的影響的研究還很少，對沉積軟土在失水收縮作用下的濕度應力場分析的研究也還不夠。本文結合工程實例，針對沿海圍墾區內道路路面出現濕線裂紋狀況，考慮土基濕度場梯度變化特點，研究濕度場隨時間變化的路基土內部出現的縮裂情況，分析其對路面應力的影響，以期對圍墾區高濕度軟土路基設計、施工及后期維養提供理論依據與施工指導。

1 溫度場與濕度場的轉化

由于濕度應力場與溫度應力場具有相似性[5]。單位土體所儲存的熱量和所增加的熱量相等，而土壤中水分的運動具有同樣的規律，即：單位體積內水分流入量與單位體積內水分儲存變化量相等。由于上述特性，物體在溫度場作用下產生的熱傳導偏微分方程與物體在滲流作用下產生的土壤水分運動的偏微分方程形式相似。故可以對濕度應力和溫度應力進行相應的轉化。

由熱量平衡方程以及熱傳導方程可以推得熱傳導的微分方程為：

(1)

其中，CV為材料的比熱容；T為熱力學溫度；λ為熱傳導系數。

在對溫度應力和濕度應力進行轉化時，可以用土體的比水容代替物體的比熱容，同時將滲透系數k代替熱傳導系數λ即可。

2 工程狀況簡介

本文以東南沿海某圍墾區軟土路基為對象。圍墾區上部有一層素填土、黏土，大約1.0 m～2.4 m厚，其下為20 m～35 m的淤泥質軟土，再往下即為厚度為50 m左右的粉質黏土層。由于軟土具有含水量高的特性，且土基在近海一側有滲流水分補充，遠海一側為硬土山地地質，少有水分補充，自然條件下，由于圍墾區內不斷發生的蒸發和滲流作用，土體內部濕度場由近海到山地存在較大差異，圍墾區內土基存在不均勻收縮，導致區內道路發生同圍墾邊界相近的裂縫。此外，為了方便計算模擬，將最上層厚度較小的素填土和黏土忽略，不予考慮。

3 有限元模擬分析

3.1 有限元分析模型及相關參數

地基土和路基土均采用摩爾庫侖彈塑性模型。道路面層、基層、底基層均采用線彈性模型。具體參數如表1所示。

表1 材料參數

3.2 結果分析

3.2.1 土基的橫向位移分析

有限元分析得到了有無濕度場變化的道路土基的橫向位移云紋圖，如圖2所示。

由圖2a)可知，在未施加濕度應力場時，土路基的中層和上層部分由于受到上部路堤的重力而向路堤兩側移動，在路堤兩側距地面約為5 m的土基中的x向位移最大，約為17.88 mm。由圖2b)可知，在經過5年的變濕度場作用后，土基的位移狀態發生了改變，由原來的對稱狀態變為沿路堤軸線左側位移減小，沿路堤軸線右側位移量增大，且最大位移的位置不變，數值變為95.23 mm。

在路基與土基之間的銜接處位移是連續的，隨著濕度的變化，路基底部位移也有不均勻位移，其各點的橫向位移如圖3所示。

由圖3可知，由于在土基內的濕度分布不均勻，由失水作用產生的收縮變形也不相同。且在路基底部的最右側產生的橫向位移最大，約為0.035 m，在路基底部最左側產生的橫向位移最小，約為0.015 m，且自左向右橫向位移先增大后減小，在過了路基中部后繼續增大，方向同向。又由于土基兩側的約束作用，這種不均勻的位移可能會導致在土基中產生裂縫。

3.2.2 路基橫向應力分析

由于土基表面的不均勻變形，在路基底部會產生附加應力。根據在變濕度應力場下確定的土基結構表面的橫向位移曲線并以此為邊界條件編制子程序，在ABAQUS有限元軟件中可以計算出路面的橫向附加應力。圖4為路基路面結構的橫斷面二維有限元模型。

將計算得到的土基變形施加到路基底層，作為路基受下部土基作用，進而分析路基路面結構各層的應力變形，得到了路基路面結構有無濕度變化的應力場，如圖5所示。

從圖5a)中可以看出，在無濕度應力場時，路基的橫向應力沿著路基中心線軸對稱分布。橫向應力在路基內部為水平方向上的拉應力，并且在路基底部中心位置取得最大值，最大值為19 kPa;路面底基層中點有最大拉應力，拉應力為181.1 kPa。從圖5b)可以看出，在有濕度場時，道路路基的橫向附加應力在路基兩側的局部區域有明顯的提高。并且最大附加拉應力為57 kPa,最大附加壓應力為59 kPa。

由圖6可以看出對于無濕度應力場條件下，在路基各層底的位移圖像相似且沿道路中心線對稱分布，均為先增加到最大值，然后保持不變，最后有所減小。但是其在路基底部坡腳位置的應力以及過渡到的最大應力是不同的。圖6a)中所表示的路基底部各點的最大應力約為20 kPa，圖6b)中所表示的路面底基層層底的最大應力約為200 kPa，圖6c)中所表示的路面基層層底的最大應力約為100 kPa。

由圖6中可以看出在有濕度應力場的作用下，層底應力在路基各層層底表現為不均勻，且應力曲線為“雙駝峰”狀，且左側峰值明顯大于右側峰值。在圖6a)所示的路基底部各點的應力圖中，可以看出：在路基左側邊緣拉應力值由20 kPa急速增加到65 kPa左右，在維持一段距離后又急速地降低，變為壓應力，壓應力的最大值于道路中心取得約為4.6 kPa，后在距離道路中心5 m左右急速增加，由壓應力變為拉應力，此時的峰值約為45 kPa。圖6b)和圖6c)的應力曲線相似，并且其初始應力也相同，唯一有區別的是路面底基層層底的拉應力以及壓應力的峰值大于路面基層層底的峰值。

道路路基土的抗拉強度在壓實度一定時，當路基土的含水率越大，抗拉強度越小[6]。根據上面得到的數據以及公路設計規范所確定的各材料結構層的容許拉應力可知：由于濕度應力場的存在，道路路基基底的最大拉應力接近土體的抗拉強度，一旦土基的濕度場增加，土基失穩，危及交通安全。另外，根據圖6中所呈現的“雙駝峰曲線”可知：道路路面基層以及底基層層底將可能產生疲勞開裂。

4 結語

本文根據濕度應力場與溫度應力場的相似性，通過ABAQUS有限元的熱分析功能，先計算土基的橫向位移，再利用路基與土基之間的位移連續，將其作為邊界條件從而計算出路基各層的層底橫向拉應力，得出了如下結論：

1)在5年的干濕循環后，土基內部以及路基底部產生了不均勻的橫向位移。且不均勻位移的變化規律為：先增加，后慢慢減少，最終又漸漸增加。

2)當道路在濕度應力場的作用下，路基中產生較大的橫向附加應力。在路基各結構層中的附加應力曲線為“雙駝峰形式”且左側高濕度區的拉應力極值點高于右側低濕度區，并在各結構層的橫向附加拉應力最大處有疲勞開裂的可能。