移動荷載作用下環(huán)氧樹脂固化砂土路面力學行為特征分析

劉 樞，王廣政，白林越

（陸軍工程大學 野戰(zhàn)工程學院，南京 210007）

0 引言

松軟海灘多以砂土為主，由于海砂結(jié)構(gòu)松散，黏聚力低，含水率高，往往抗剪強度低，承載能力極差，嚴重制約車輛裝備的快速通行。在開展交通應(yīng)急保障和搶通搶修時，若想在海灘上構(gòu)筑急造通路，必須妥善處置砂土，克服松軟泥濘障礙。松軟海灘傳統(tǒng)工程處置方法如強夯法、換土墊層法、加筋加樁法等[1]由于需要耗費大量的人力、物力和時間，并不適用。若采用就便路面器材如木材、竹子等需要大量采集，運輸成本高，且多數(shù)只能人工鋪設(shè)，本身承載能力也較低。因此采用土壤固化劑快速固化道路成為國內(nèi)外研究熱點。

目前許多學者利用不同種類的固化劑對土壤進行固化，并通過理論計算、室內(nèi)試驗、數(shù)值分析等對固化土力學和路用性能進行了大量研究[2-4]。而固化材料應(yīng)用于道路路基、基層、底基層等的工程案例也多有實踐而且取得了良好效果[5]。但多數(shù)研究或試驗多集中于粘土、淤泥質(zhì)土等，針對砂土的研究很少[6]，而且固化道路強度形成周期很長，無法滿足交通應(yīng)急保障需求。

本研究利用自主研發(fā)的環(huán)氧樹脂復(fù)合固化材料對海灘砂土進行固化，通過有限元數(shù)值模擬，研究分析了移動荷載下固化砂土路面結(jié)構(gòu)的力學行為特征，并結(jié)合海灘試驗路鋪設(shè)驗證其固化效果。

1 固化道路路面板數(shù)值模擬

1.1 理論基礎(chǔ)與基本假定

環(huán)氧樹脂固化材料固化砂土，主要是在沙灘表層鋪澆環(huán)氧樹脂固化材料，與砂土混合同時發(fā)生固化反應(yīng)，從而交聯(lián)聚合，于砂層表面形成一硬化層[7]。鑒于急造道路及交通應(yīng)急保障時效性要求，所用固化材料必須短時間內(nèi)即可對海砂進行固化并且所形成固化道路具備基本通行能力。本次試驗所用環(huán)氧樹脂固化材料為自主研發(fā)，經(jīng)前期室內(nèi)試驗研究發(fā)現(xiàn)，在含水量為0%～ 30%范圍內(nèi)，常低溫條件下固化2 h 后海砂抗壓強度可達到1.8 MPa，抗折強度為0.83 MPa，劈裂抗拉強度為1.1 MPa，理論上能夠滿足道路最低通行要求。

根據(jù)國內(nèi)對瀝青、水泥混凝土等路面結(jié)構(gòu)的研究分析[8-10]，結(jié)合固化砂土的力學性能表現(xiàn)，把固化道路路面結(jié)構(gòu)視作彈性地基上的薄板，并采用彈性層狀體系設(shè)定。

1.2 道路結(jié)構(gòu)各層參數(shù)設(shè)定

根據(jù)上述理論，利用ABAQUS 軟件建立三層式典型道路結(jié)構(gòu)模型，從上到下依次為路面層，基層和路基，分別對應(yīng)于固化砂土層，典型砂土基層和彈性半空間地基，其中彈性地基采用軟件自帶設(shè)定“Elastic Foundation”來定義。各層參數(shù)設(shè)定如表1 所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

通常在實際的計算過程中假設(shè)路面結(jié)構(gòu)層為平面無限大的彈性體，路基為平面半空間體，但由于在車輪荷載作用下，路面各層的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力會集中出現(xiàn)在荷載接觸面附近一定范圍內(nèi)，因此在充分考慮車輪接地尺寸和垂直應(yīng)力等特征后，本文采用的三維有限元模型長、寬分別為10 m×3 m，厚度為各層厚度之和。

在對三維有限元模型進行網(wǎng)格劃分時，通常采用非均勻的網(wǎng)格劃分方法，在離荷載作用較近的區(qū)域采用較細的網(wǎng)格劃分，在離荷載作用較遠的區(qū)域則采用相對較粗的網(wǎng)格，在荷載作用區(qū)域加密網(wǎng)格，即固化砂土路面層采用較細的網(wǎng)格劃分，基層則選取一般狀態(tài)的網(wǎng)格進行劃分即可。采用這種網(wǎng)格劃分技術(shù)，能夠很有效的縮短有限元計算的時間，提高計算結(jié)果的精確度，從而提高有限元工作的效率與質(zhì)量。采用單元為C3D8R，整體模型如圖1 所示。

圖1 路面結(jié)構(gòu)模型

1.4 荷載施加和邊界條件

根據(jù)現(xiàn)行公路相關(guān)規(guī)范的要求，采用標準軸載100 kN，即輪胎接地壓強（輪壓）為0.7 MPa，由文獻可得矩形均布荷載模擬輪胎與路面的接觸更接近實際情況，本文采用雙矩形均布移動荷載，單個矩形尺寸為23 cm×16 cm（L為16cm），兩矩形中心間距為32 cm，如圖2 所示。荷載加載需調(diào)用ABAQUS 用戶子程序編寫DLOAD 語句。

圖2 雙矩形均布移動荷載

模型底面為全約束，路面橫向左右兩面為U1=UR2=UR3=0，其他表面無任何約束。路面層與基層層間接觸方式為硬接觸，即假定兩個接觸面不會分離，一直處于粘結(jié)狀態(tài)，保證接觸面處的豎向應(yīng)力和位移能夠連續(xù)傳遞。

1.5 結(jié)果與分析

道路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對于急造道路構(gòu)筑和后續(xù)通行保障至關(guān)重要，在這其中路面承載能力、豎向沉降及道路抗剪能力是我們關(guān)心的三個方面。承載能力關(guān)系到道路是否具備最基本的車輛裝備通行能力，路面因行車荷載或其他荷載產(chǎn)生的不均勻沉降會極大地影響行車的速度、舒適性和安全性；而在連續(xù)通行條件下，一般道路抗壓、抗折等能力指標均能滿足，而道路抗剪能力很多時候就成為了制約因素，抗剪能力的不足會導(dǎo)致如路面車轍和層間滑移變形等危害?；谏巴恋鼗烊缓矢?，孔隙比大，承載能力以及抗剪能力比較差等特性，如果不加以考慮和控制，會進一步導(dǎo)致道路結(jié)構(gòu)的破壞，影響后續(xù)通行。

圖3 為車輛荷載施加在道路中段以及道路一端時固化道路的彎沉位移云圖。由圖3（a）可以看出，車輛行駛在道路中段時，從荷載分布區(qū)域來講，彎沉主要分布在輪跡帶正下方，在輪跡帶中間區(qū)域的彎沉略小于荷載正下方，其后隨著與輪跡距離的增加，彎沉值逐漸減小，向外擴散，最大彎沉值為0.044 cm。在較遠的非荷載分布地區(qū)，路面則有輕微的向上翹的趨勢，這與彈性板受橫向荷載的受力特性相符，在實際中路面層受基層的摩擦牽拉和周圍土層的約束，該位移會更小甚至不會發(fā)生。圖3（b）則說明車輛荷載加載在路面板一端時，對路面層遠處產(chǎn)生的向上位移會更大，這一段通常為固化道路與其他道路接駁段，可見移動荷載施加于固化道路其中一端時對路面板產(chǎn)生危害的更大。

圖3 彎沉位移云圖

圖4 為基層在車輛荷載作用下沿道路橫向和縱向（行車方向）的豎向位移分布云圖，可以看出最大位移值均為車輪輪跡正下方，且呈現(xiàn)出邊向外擴散位移值邊減小的波浪紋圖。彎沉值沿著道路橫向距離的變化情況如圖所示，左右輪跡中間彎沉值相對要小一些。對比可以看出，固化道路彎沉值隨著離路面深度的增加逐漸減小，路面板整體豎向位移要大一些，但基層由于是砂土層，雖然深度已經(jīng)增加了，產(chǎn)生的豎向位移并不比路面層小多少。

圖4 基層豎向位移分布云圖

行車荷載作用下固化道路結(jié)構(gòu)層沿道路橫向和縱向的豎向應(yīng)力云圖見圖5。圖6 則為豎向應(yīng)力值隨著道路橫向距離變化的曲線?？梢钥闯觯瑱M向上豎向應(yīng)力在輪隙兩側(cè)呈對稱分布，最大壓應(yīng)力發(fā)生在輪胎正下方，輪胎中間應(yīng)力變化幅度最大，輪胎中心下方應(yīng)力最大值為0.73 MPa，是輪胎邊緣處的2.18 倍，左右兩輪中間區(qū)域則受影響比較小，只有輕微拉應(yīng)力存在?？v向方向上豎向壓應(yīng)力由輪跡中心向輪跡帶范圍以外隨著距離的增大逐漸減小，且影響范圍只有0.5 m，再往外則是拉應(yīng)力。固化道路所受剪力與豎向應(yīng)力相比具有相似的對稱性，但影響范圍要大得多，橫向上橫跨整個路段，在縱向上以輪胎中心為圓心0.7 m 內(nèi)均有剪力存在，最大剪應(yīng)力為0.63 MPa。具體剪力分布云圖如圖7 所示。

圖5 豎向應(yīng)力云圖

圖6 豎向應(yīng)力值

圖7 剪力分布云圖

2 試驗路鋪設(shè)

2.1 鋪設(shè)總體方案

結(jié)合有限元分析的結(jié)果，選擇福建某地海灘開展試驗路鋪設(shè)，以驗證環(huán)氧復(fù)合固化材料固化砂土道路的路用性能。本次試驗鋪設(shè)試驗道路為10 m×3 m 道路段，固化砂土層設(shè)計厚度為20 cm，砂土含水率不超過10%，主要通過機械設(shè)備和人員配合，經(jīng)配膠、拌合、回填、壓實等措施進行鋪設(shè)。試驗路鋪設(shè)完成兩個小時后進行通車試驗。

2.2 具體施工過程

準備下承層。首先劃分出所需鋪設(shè)場地并進行清理，將貝殼、漁網(wǎng)、碎石等雜質(zhì)清除，提前把厚度約為15 cm 的海砂挖取出來放置于固定區(qū)域，便于下一步與固化材料拌合。用整平機平整所劃定場地，形成適宜工作面，施工前用灑水壺將地面適當濕潤，避免因暴曬導(dǎo)致地面溫度過高，導(dǎo)致固化砂土過快硬化，保證層間良好結(jié)合。

配料。根據(jù)填筑道路長、寬、厚度以及現(xiàn)場砂土密度，計算需加固海砂質(zhì)量。根據(jù)混合料的配合比計算相應(yīng)固化材料的用量，提前分配好環(huán)氧復(fù)合固化材料A、B 組分，作業(yè)時迅速把A、B 組分混合并用攪拌機攪拌2 min 左右至充分混合無色差。

拌合。在拌合前取部分現(xiàn)場試驗砂土，便于進行含水量測試。拌合采用的機械設(shè)備是小型拌合機，容量約為1 m3，采用分批次拌合作業(yè)。拌合時將配好的固化材料緩慢倒入拌合機中，盡可能確保均勻，整體拌合時間不超過3 min，并對全過程進行觀測，防止部分區(qū)域因固化材料過多產(chǎn)生爆聚現(xiàn)象，提前形成硬塊，失去流動性。

攤鋪。將經(jīng)拌合的固化砂土及時運至鋪設(shè)場地，分3 次鋪設(shè)完成。部分缺料地方及時補填，使外觀上無明顯凹陷或接縫。

整平。用鐵鍬等對鋪設(shè)路段進行拍打稍微壓實，并用整平機進行路面整平，其后等待固化2 h 后進行通車試驗。

通車。待試驗路段固化2 h 后進行車輛通行，所用車輛為通用運輸車，經(jīng)裝載后總重約為10 t。通車時車輛反復(fù)來回碾壓道路，以來回碾壓算一次，共碾壓1 h180 余次，其中每20 min 測一次路面彎沉變化值。

2.3 試驗結(jié)果

圖8（a）為試驗道路通車試驗后整體狀況。經(jīng)1 h車輛反復(fù)碾壓后，路面整體仍保持結(jié)構(gòu)完整，表觀無裂縫或者凹陷出現(xiàn)。圖8（b）所示為固化道路與原砂土路接駁路段區(qū)域，可以看出，未經(jīng)固化的砂土路段由于無法承受車輛的來回碾壓，已經(jīng)產(chǎn)生明顯車轍，經(jīng)測量其厚度可達到16.3 cm，而在接駁區(qū)域，所用固化材料原本就不多，經(jīng)試驗后也產(chǎn)生了部分車轍以及明顯破碎損壞。而后續(xù)鋪設(shè)路段仍保持良好外觀和路用性能。

圖8 通車試驗狀況

這是由于固化路段和砂土路段承載能力、剛度、彈性模量等差異過大，車輛在固化道路與砂土路段過渡時產(chǎn)生了一定的跳臺效應(yīng)，車輛動能極短時間內(nèi)傳遞到固化道路上，對路面板產(chǎn)生較大傷害，這與數(shù)值模擬中行車荷載加載在路面一端時的受力特性較為相似，而且現(xiàn)場觀測時可發(fā)現(xiàn)路面板靠近接駁一端約30 cm 范圍在通車后半段時間內(nèi)車輛駛近和駛離時雖然能夠保持結(jié)構(gòu)完整無損，但有明顯的彎沉及回彈現(xiàn)象，說明固化砂土道路具有一定的彈性和韌性，其原因可能是固化砂土路面板底下的砂土層經(jīng)碾壓后密實度增大，伴隨著一定的沉降發(fā)生，從而反映到固化砂土路面板上來，導(dǎo)致路面板的近似彈性變形發(fā)生。

3 結(jié)束語

（1）移動荷載作用下，固化砂土道路最大應(yīng)力和位移出現(xiàn)在車輪輪跡下方，且沿著輪跡中心成對稱分布，距離輪跡中心越遠，產(chǎn)生應(yīng)力和位移越小。其中最大壓力為0.73 MPa，最大剪力為0.63 MPa，最大產(chǎn)生彎沉為0.13 cm。

（2）環(huán)氧復(fù)合固化材料固化海砂具有良好固化效果，固化后2 小時所形成的固化道路力學強度良好，能夠滿足通用輪式車輛裝備的通行需求。

（3）本文只研究了固定載荷下的固化砂土道路力學行為特征，行車速度、荷載類型、大小及施加位置，還有路面結(jié)構(gòu)層厚度變化等因素變化對固化道路的影響均未深入研究。此外，試驗路施工工藝比較復(fù)雜，要完全實現(xiàn)僅僅通過噴涂撒鋪即形成所需應(yīng)急通道還需要進一步探索和改進。