不均匀车辆动载作用下加筋路堤沉降控制方法研究-湖北土木建筑学会.docVIP

车辆荷载作用下路堤沉降特性数值模拟分析 曾 晨，姚翔川，曹文昭 （华中科技大学土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074） 摘 要：常规公路设计中车辆荷载一般采用统一的规范设计值，不能很好地适用于一些特殊地区的交通形式。现有针对车辆荷载的研究一般都专注于对称荷载，很少有针对非对称车辆荷载的研究。本文针对山西运煤公路的特殊交通形式，采用公路设计规范标准荷载和实际交通荷载工况进行对比分析；同时，通过将车辆荷载简化为静力荷载与半波正弦荷载两种荷载形式，结合实际工况，采用数值建模对比分析了对称、非对称荷载作用下路基表面的沉降。本文研究可为特殊地区公路设计、施工及道路养护提供一定参考。 关键词：数值模拟；车辆荷载；非对称荷载；沉降 1 引 言 近年来，车辆荷载对路堤的影响越来越受到人们的重视。实践表明，车辆荷载作用下路堤易产生较大的工后沉降和不均匀沉降，严重影响了公路的使用寿命、行车安全及舒适性。中国幅员辽阔，不同地区的交通各具特色，在《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）中，公路的车辆荷载取值较为简单统一，不能满足实际工程设计的需求[1]。一些学者根据车辆荷载作用的特点，归纳出静态均布荷载和半波正弦荷载的作用形式[2]。不少学者以对称荷载进行研究，徐少曼在对饱和黏性土地基的研究中，采用对称的车辆荷载来计算沉降量，并由现场静荷载试验验证了计算结果[3]。张军等人将车辆荷载简化为循环动载，研究了荷载循环次数、荷载大小以及行车速度对拱涵动力响应的影响[4]。山西省煤矿资源极为丰富，繁盛的煤矿产业使得山西高速公路的车辆荷载作用明显变大，以6轴重载货车居多[5]。大量运煤车满载从一侧道路将煤运出，经另一侧道路空载返回，路堤长期受不对称车辆荷载的影响，进而引发路面两侧较大差异沉降，容易产生路面开裂、路堤失稳等病害，需针对该特殊荷载工况进行分析。 本文针对山西公路运营现状，通过选择合理的 车辆荷载作用形式，结合实际工况，采用数值模拟方法研究路堤沉降变形特性，对比分析对称、非对称的静、动车辆荷载作用下的影响，为路堤设计与施工、路面保养等提供参考。 2 数值模型建立 本文选取山西省境内山平（山阴至平鲁）高速公路K210+987~K211+087现场试验路段为分析对象，采用FLAC3D进行建模计算。 2.1 几何模型 由于现场土层分布情况较为复杂，因此数值计算模型尺寸由山平高速公路试验段几何条件简化得到。数值模型中断面尺寸如图1所示。根据现场地质勘察报告选取数值分析计算参数见表1。 图1 现场试验段土层分布 Fig.1 Distribution of strata of the field test section 表1 土层物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical properties of subsoils E/(MPa) 重度/(kN/m3) 泊松比 黏聚力/(kPa) 内摩擦角/(o) 路堤填土 20.4 19 0.3 38.4 16.2 粉 土 8.2 18.4 0.33 18.4 12.8 黏质粉土 12.6 19.2 0.33 26.0 17.3 砂卵石层 18.4 19.2 0.3 14.2 24.6 硬土层 25.4 19.7 0.3 44.5 18.2 2.2 车辆荷载的选取 2.2.1 规范标准荷载 根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004），车辆荷载属于可变作用。高速公路的汽车荷载等级为公路-I级，其车道荷载的均布荷载标准值为qx=10.5 kN/m[1]。 2.2.2 静态均布荷载（根据山西实际情况） 车辆荷载是一种随机荷载，其大小、运动方式及空间位置都具有随机性，因此很难以一种模型完全模拟现实中车辆荷载的作用效果。从荷载长期作用效果来看，可将作用在路面上的车辆荷载近似看作为荷载大小和作用位置均不随时间变化的均布荷载，最终可以将原本十分复杂的模型转化为较为简单的静态问题[2]。 根据相关调查显示[5]，山西运煤车辆较多，就轴重而言可算全国车辆荷载的上限，山西省高速公路车辆荷载特点是货车较多、客车较少、轴重较大，以重载货车（6轴）居多，约占50%，如图2所示。 图2 山西典型车辆交通量分布直方图 Fig.2 Histogram of typical vehicle traffic volume in Shanxi province 本文主要研究重载作用下路基的变形，因此采用常见的6轴货车，空车车重一般为9 t，即90 kN。 根据公安部、交通部下发的《关于统一治理超限超载车辆认定标准避免重复处罚等有关问题的通知》[6]，六轴及六轴以上车辆车货总重不得超过55 t，即550 kN。 静态均布荷载作用下，荷载集度计算公式为 q=N/