(論文)山區(qū)拓寬公路新老路基不協(xié)調(diào)變形分析

全國(guó)中文核心期刊2009 年第 1 期 （ 總第 142 期 ）路基工程 0引言 山區(qū)地形地貌復(fù)雜，不良地質(zhì)條件普遍，公路多 處于高填、深挖地段，因而使得山區(qū)公路改造比平原 及微丘區(qū)公路改造技術(shù)難度大。公路改造工程中，新 老路基不協(xié)調(diào)變形是路基拓寬工程的主要病害之一。 因此，正確認(rèn)識(shí)不協(xié)調(diào)變形的組成，合理計(jì)算不協(xié)調(diào) 變形的大小和分布特征是路基拓寬工程設(shè)計(jì)和工程處 治措施的基礎(chǔ)。周志剛等 1 5進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究， 并且 取得了一些很有價(jià)值的成果。本文運(yùn)用數(shù)值分析法， 建立山區(qū)拓寬公路路基有限元模型，分析了山區(qū)拓寬 公路新老路基的不協(xié)調(diào)變形特征，為山區(qū)拓寬公路工 程的設(shè)計(jì)與新老路基的處治提供參考。 1路基不協(xié)調(diào)變形的計(jì)算方法 1.1計(jì)算原理 路基不協(xié)調(diào)變形在不同工程條件下有不同特點(diǎn)， 且構(gòu)成不協(xié)調(diào)變形的各組成部分計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，難以 通過(guò)純理論來(lái)解決。有限元法可考慮復(fù)雜的邊界條件 和模擬材料的非線性以及狀態(tài)的非線性，本文對(duì)新老 路基不協(xié)調(diào)變形運(yùn)用 ABAQUS 有限元軟件進(jìn)行分析。 采用二維有限元模型，按平面應(yīng)變問(wèn)題對(duì)路基拓 寬工程進(jìn)行處理。對(duì)拓寬路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的是工后 不協(xié)調(diào)變形，在沉降計(jì)算中要考慮到隨時(shí)間變化的問(wèn) 題，假定新老路基結(jié)合部采用開(kāi)挖臺(tái)階或采用土工合 成材料加筋處治，不因穩(wěn)定問(wèn)題而出現(xiàn)滑移與錯(cuò)臺(tái)。 1.2巖土本構(gòu)關(guān)系 計(jì)算中地基和路堤為彈塑性材料，本構(gòu)關(guān)系采用 Drucker-Prager 模型 6 ，7，其屈服條件為廣義von Mis es 屈服條件。 F = 3m+ 1 2 sTMs ? 1 2- y= 0 （ 1 ） 式中m為平均應(yīng)力或靜水壓力； s 為偏差應(yīng)力； M 為 Mises 屈服準(zhǔn)則中的M； 為材料常數(shù)，可由 決 定，其表達(dá)式 = 2sin 3姨 （3-sin ） （ 2 ） y為材料的屈服參數(shù)，定義為 y= 6ccos 3姨 （3-sin ） （ 3 ） 1.3計(jì)算模型和流程 （ 1 ） 為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定：按平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行 考慮，進(jìn)行二維有限元分析；土體為彈塑性材料， 采用修正的 D-P 模型模擬；新老路基結(jié)合部處治 較好，不因穩(wěn)定性不足而出現(xiàn)滑移，接觸條件為完全 連續(xù)；老路基和地基的初始應(yīng)力場(chǎng)由老路基和地基 的自重荷載產(chǎn)生；地基底面兩個(gè)方向均為約束，地 基寬度外側(cè)水平向約束。網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖 1。 （ 2 ） 計(jì)算流程為：計(jì)算地基自重作用下的靜力 平衡；計(jì)算老路堤自重荷載作用下的應(yīng)力場(chǎng)和沉 降；模擬新路基施工；計(jì)算竣工結(jié)束后路堤頂面 的沉降；整理沉降數(shù)據(jù)。 2新老路基不協(xié)調(diào)變形的基本特征 本文采用一段山區(qū)公路拓寬路堤進(jìn)行分析。路堤 填高 8m，老路頂寬 10m，需在原路基右側(cè)拓寬 10m， 邊坡 11.5，拓寬路堤底面寬 44 m，地基深度、寬度 分別取 30 m、140 m。相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表 1。 （ 1 ） 對(duì)計(jì)算結(jié)果整理可得：地基在自重作用下的 云圖 （ 圖 2 ）；新路堤竣工時(shí)的沉降云圖 （ 圖 3 ）；道 路拓寬且使用一段時(shí)間后的路堤總沉降云圖 （ 圖 4 ）； 類別 高度或深度 /m / （ kN m3） E/MPa/ （ ）滲透系數(shù) / （ m s-1） 老路路堤818.0200.35455108 拓寬路堤818.0150.35455108 路基3018.040.35405108 表1路堤填土及地基土計(jì)算參數(shù)表 圖1網(wǎng)格劃分示意圖 莫百金，男，高級(jí)工程師，碩士。 摘要運(yùn)用數(shù)值分析法， 建立山區(qū)拓寬公路路基有限元模型， 分析了山區(qū)拓寬公路新老路基的 不協(xié)調(diào)變形特征， 并對(duì)其在道路拓寬工程中產(chǎn)生的破壞形式進(jìn)行論述， 為新老路基的處治提供參考。 關(guān)鍵詞路基不協(xié)調(diào)變形數(shù)值分析 山區(qū)拓寬公路新老路基不協(xié)調(diào)變形分析 莫百金 （ 邵懷高速公路溆浦連接線工程建設(shè)有限公司湖南懷化418000 ） 82 05101520 計(jì)算點(diǎn)距路堤頂面右側(cè)邊緣距離/m 5 10 15 20 路堤竣工時(shí)沉降/cm 圖5路堤竣工時(shí)路堤頂面沉降圖 048121620 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 工后沉降/cm 計(jì)算點(diǎn)距路堤頂面右側(cè)邊緣距離/m 圖6路堤頂面工后沉降圖 計(jì)算點(diǎn)距路堤頂面右側(cè)邊緣距離/m 總沉降/cm 5 10 15 20 25 05101520 圖7路堤頂面總沉降圖 新路堤頂面竣工時(shí)的沉降曲線 （圖 5 ）；路堤頂面 竣工后的沉降曲線 （ 圖 6 ） 及路堤頂面總沉降曲線 （ 圖7 ）。 （ 2 ） 如原路面不利用，則新老路基頂面的不協(xié)調(diào) 變形均為工后沉降，見(jiàn)圖 7，最大拉應(yīng)力位于拓寬路 基中部的面層。如原路面繼續(xù)利用，則老路基頂面的 不協(xié)調(diào)變形為老路基在新路堤作用下發(fā)生的總沉降， 而新路基頂面的不協(xié)調(diào)變形則為新路基發(fā)生的工后沉 降，見(jiàn)圖 8、圖 9，最大拉應(yīng)力位于新老路面的接合 處與老路面的頂面。 （ 3 ） 由圖可見(jiàn)，新老路堤的不協(xié)調(diào)變形形態(tài)是不 同的：若新老路面完全分離，則可視為兩個(gè)獨(dú)立的路 面結(jié)構(gòu)，老路堤的不協(xié)調(diào)變形呈上凸?fàn)?，其在路面?產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)為基層和面層頂面受拉；新路堤的不 協(xié)調(diào)變形呈下凹狀，其在路面中產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)為基 層和面層底面受拉。新老路基頂面的不協(xié)調(diào)變形均呈 現(xiàn)“”形曲線，新老路面都可能產(chǎn)生破壞。因此， 拓寬工程的設(shè)計(jì)和施工要以變形協(xié)調(diào)為出發(fā)點(diǎn)，盡量 減小新老路基各自發(fā)生的不協(xié)調(diào)變形。 如新老路面完全連續(xù)，則應(yīng)視為一個(gè)整體路面結(jié) 構(gòu)，其對(duì)不協(xié)調(diào)變形的響應(yīng)應(yīng)作整體分析。不協(xié)調(diào)變 形的變坡率可能在新老路基部位發(fā)生突變，即使對(duì)老 路面進(jìn)行部分開(kāi)挖，在較小的范圍內(nèi)仍將發(fā)生很大的 變坡率的變化，由力學(xué)分析可知在此部位可產(chǎn)生很大 的應(yīng)力集中而導(dǎo)致路面開(kāi)裂。所以，需要對(duì)原有路面 和老路邊坡進(jìn)行開(kāi)挖，并鋪設(shè)土工格柵，提高新老路 基的整體性，保證新老路基、路面工后變形的光滑連 續(xù)。 3結(jié)語(yǔ) （ 1 ） 運(yùn)用數(shù)值分析法，能較好地模擬山區(qū)拓寬公 路新老路基的不協(xié)調(diào)變形特性，為山區(qū)拓寬公路工程 的設(shè)計(jì)與新老路基結(jié)合部的處治提供依據(jù)。 計(jì)算點(diǎn)距路堤頂面右側(cè)邊緣距離/m 老路堤頂面不協(xié)調(diào)變形/cm 0510 2 4 6 8 10 圖8老路堤頂面不協(xié)調(diào)變形圖 計(jì)算點(diǎn)距路堤頂面右側(cè)邊緣距離/m 新路堤頂面不協(xié)調(diào)變形/cm 101520 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 圖9新路堤頂面不協(xié)調(diào)變形圖 莫百金：山區(qū)拓寬公路新老路基不協(xié)調(diào)變形分析 圖4最終沉降云圖（單位：cm） U、U2 +1.598e-02 -4.080e-03 -2.414e-02 -4.419e-02 -6.425e-02 -8.431e-02 -1.044e-01 -1.244e-01 -1.445e-01 -1.645e-01 -1.846e-01 -2.046e-01 -2.247e-01 圖3新路堤竣工時(shí)變形云圖（單位：cm） U、U2 +3.015e-02 +1.124e-02 -7.660e-03 -2.656e-02 -4.547e-02 -6.437e-02 -8.328e-02 -1.022e-01 -1.211e-01 -1.400e-01 -1.589e-01 -1.778e-01 -1.967e-01 83 全國(guó)中文核心期刊2009 年第 1 期 （ 總第 142 期 ）路基工程 0前言 隨著交通建設(shè)事業(yè)的跨越式發(fā)展，鐵路、公路建 設(shè)工程可能遇到越來(lái)越多的地下采空區(qū)問(wèn)題 1 ，2。采 空區(qū)由于存在地下空洞，空洞塌陷必然對(duì)上覆地表穩(wěn) 定性產(chǎn)生影響，最終影響其上部各類建筑物。由于 FLAC 軟件對(duì)模擬巖土體大變形效果較好，因此本文 采用 FLAC 對(duì)各類復(fù)雜影響因素分別進(jìn)行模擬，分析 各種因素作用下采空區(qū)對(duì)地表穩(wěn)定性的影響。 1對(duì)地表穩(wěn)定性分析3 1.1開(kāi)采寬度的影響 1.1.1模型參數(shù) 計(jì)算模型共分兩層，地表覆蓋 10 m 黃土。第二層 為石灰?guī)r，厚 265 m。網(wǎng)格劃分單元大小為 5 m5 m。 空洞存在單元局部細(xì)化，采空區(qū)采厚 5 m 。通過(guò)改變 開(kāi)采寬度進(jìn)行模擬分析。巖土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表 1。 1.1.2計(jì)算結(jié)果 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 2、圖 1。1.2開(kāi)采厚度的影響 1.2.1模型參數(shù) 計(jì)算模型與 1.1.1 相同。采空區(qū)寬度 40 m，埋深 70 m。通過(guò)改變開(kāi)采厚度進(jìn)行模擬分析，巖土物理力 學(xué)參數(shù)見(jiàn)表 1。 1.2.2計(jì)算結(jié)果 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖 2、表 3。 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 150175200225250 地表位置/m Y位移/m 40 50 60 70 （ a ） Y 位移 圖1開(kāi)采引起的地表各點(diǎn)沉降值X、Y值對(duì)比圖 （開(kāi)采寬度影響） X位移/10-1m 150175200225250 地表位置/m 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 40 50 60 70 （ b ） X 位移 孟偉，男，助理工程師。 摘要采空區(qū)對(duì)地表穩(wěn)定性的影響， 除受采空區(qū)本身的幾何尺寸、 開(kāi)采深度等因素影響外， 還 受復(fù)雜的上覆巖層性質(zhì)、 裂隙帶發(fā)育程度等諸多因素的影響， 且各種因素對(duì)地表穩(wěn)定性影響情況均不 相同。 文中采用FLAC軟件分析各類因素對(duì)地表穩(wěn)定性的影響。 關(guān)鍵詞采空區(qū)地表穩(wěn)定性因素模擬 不同因素作用下采空區(qū)對(duì)地表穩(wěn)定性影響分析 孟偉 1 張立偉 2 曾德禮 1 （ 1，中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司四川成都610031；2，西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 ） 巖土 體積模量 /MPa 剪切模量 /MPa 密度 / （ kg m-3） 粘聚力 /kPa 內(nèi)摩擦角 / （ ） 黃土14.0315004530 灰?guī)r17857.24687270020035 表1巖土物理力學(xué)參數(shù)表 采寬/m203040506070 Xmax/cm0.19140.587813.590058.030087.8400114.8000 Ymax/cm6.57906.615036.4600158.7000232.5000 280.9000 表2地表位移最大值隨開(kāi)采寬度影響變化表 （ 2 ） 新老路基不協(xié)調(diào)變形特征與原有路面利用與 否有關(guān)：不利用時(shí)，新老路基頂面的不協(xié)調(diào)變形均為 工后沉降；利用時(shí)，若新老路面之間完全分離，新老 路基頂面的不協(xié)調(diào)變形均呈現(xiàn)為“”形；若新老路 面完全連續(xù)，不協(xié)調(diào)變形可能在新老路基相連部位 發(fā)生突變。 參考文獻(xiàn)： 1 嵇如龍，張永宏，宋吉錄. 軟土地基上路基拓寬處理技術(shù)研究J . 華 東公路, 2002 （ 5 ）：2529. 2 周志剛，鄭健龍. 舊路拓寬設(shè)計(jì)中的有限元分析J . 力學(xué)與實(shí)踐， 1995 （ 5 ）：1820. 3 周志剛，鄭健龍. 老路拓寬設(shè)計(jì)方法的研究J . 長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)， 1995 （ 3 ）：5056. 4 黃琴龍