荷载作用下软土地基低路堤应力应变分布规律分析.pdf

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1、1 0 2 科技研究 城 市道桥 与防洪 2 0 0 8 年 9 月第 9 期 荷载作用下软土地基低路堤应力应变分布规律分析 海 德 俊 ( 同济 大学 ， 上海 市 2 0 0 0 9 2 ) 摘 要 ： 该 文 针对 软土 地基 低路 堤 内部应 力应 变状 况 ， 利 用有 限元 方 法分 析 了不 同荷 载作 用 、 不 同 土基 强度 以及 不 同 的硬 壳层厚度对低路堤内部的应力应变的影响 ， 并探讨了不同影响因素下横 向的应力应变分布状况。分析结果表明， 采用低路 堤 设计 ， 利用 人工 硬壳层 等措施 可 以满足路 用 性能 的要求 。 关 键词 ： 软 土地基 ； 低路 堤

2、 ； 荷载 ； 应 力应变 中图分 类号 ： U 4 1 6 1 文献标 识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 0 8) 0 9 0 1 0 2 0 4 0 前 言 低路堤在国内高等级公路 建设 中采用 还 比较 少 ， 从 目前 已有的工程应用来看 ， 还有许多实际 的 问题需要解决。 但相对于采用高路堤而言， 低路堤 可以有效克服用地紧张的矛盾 ，带来 的经济效益 相当显著。但同时， 采用低路堤 ， 使得传递到土基 的荷 载应力增大 ，会产生低路 堤使得路 面不 均匀 沉降增加 和低路堤地基残余 变形增加等问题 。 因 此 ，需要对低路堤在荷载作用 下的

3、应 力分 布规律 进行分析 。 1 交通荷载影响工作区 通 常 把交 通 荷载 对 土基 的影 响看 作一 种 瞬 时 、 重复作用的垂直力。 土基顶 面受到 的垂直力的 大小 ， 视车辆荷载和路面的刚度而定 。 垂直压力沿 土基 的深度递减 ，至一定深度 其应力 比随深度增 加而增加 的土基 自重应力小得多 ，当前者与后者 的 比值为 1 51 1 0以下 时 ， 再 往深处 ， 交 通荷 载 的影 响与 土基 自重 应力 的影 响相 比可 以忽 略不 计 ，此深度便可 以看作对于支撑路面经受交通荷 载作用有较大影响 的土基范围 ，必须保证这部分 土基 具有 足够 的强度和稳定性 。这个深度

4、随交通 荷载的大小与路面 的刚度而异 ，通常对于轻型汽 车约为 1 m， 但 对于重 型车辆 ， 则可 以达到近 4 m 深度 ， 这称为路基 的工作区。 2 分析参数 2 1 荷载作用下的分析内容 对于低路堤沥青路面来讲 ，产生 的问题主要 是 由于荷载作用使得处 于荷载作用 区范 围的地基 出现累积变形而使得路面损害 ；二是 由于横 向荷 收稿 日期 ： 2 0 0 8 - 0 6 1 6 作者简介 ： 海 德俊 ( 1 9 7 5 一) ， 男 ， 河南沈 丘人 工 程师 ， 硕士 在 读， 从事市政道路设计工作。 载 的分 布导致 的荷载分布不均匀产生 的路面沉 降 差 异而导致路面损

5、害 。 因此 ， 在分析应 力分布特征 时 ， 将有针对性进行分析。 2 2 分析 中考虑的影响因素 分析中从 路面结构参数 变化 的角度 主要考虑 了人造硬壳层 的影响 、 重载的影响 、 由于地下水位 导致 的硬壳层和原状地基的模量变化的影响等。 2 3 路面结构和参数 分析 中考虑 如下路 面结构 ( 见 图 1 ) 。由于仅 仅分析土基 内部 的应力和应变分布状况 ，所 以对 路 面结构 的分层就不必过细 ，而仅仅按照材料类 型划分 ， 但对换 填土基则进行 了细分 。 沥青层，厚度 1 8 c m，模量1 4 0 0 MP a 基层 ，厚 度 3 8 c m，模 量1 6 O 0M

6、P a 底基层 ，厚度 2 0 C lT I ，模量 6 0 0 MP a 处治路基上层，模量 2 0 0 M P a ，厚度变化 处治路基下层厚度 3 O f ： m，模量变化 原始压实路基 ， 模 量 1 5 M P a和 8 M P a 闺 1 分 析采 用的路 面结构 处治路 基上层采用石灰稳定土 以后 ，由于不 受 地下水 影响 ， 模量是 稳定 的。变化厚度 的 目的 是 为 了分 析低 路堤 的不 同填 土 高度 对 路基 附 加 应 力 的影 响。上路床厚 度 的变化 为 9 0 c m、 6 0 c m 和 3 0 c l n 。 处治路基下层是采用的该路段最高地下水位 与

7、不利季节的一般地下水位的差值 ， 即 0 5 m和 0 8 m 之差 ， 为 3 0 c m， 厚度不变 ， 但模量取值有 所变化 ， 其 目的是 为了表征处治土在地 下水 位的影响下 由 于模量变化 而导致路基 附加应 力的变化情况 。下 路 床模量取值为 1 0 0 MP a 、 7 0 MP a和 4 0 MP a 。 维普资讯 2 0 0 8 年9月第 9 期 城 市道桥与 防洪 科技研究 1 0 3 原 始压 实路 基采 用 了两 种模 量 ，一 种是 l 5 MP a ， 一种是 8 MP a 。 由于原状土经过压实 以后 的 模量一般可 以达到 1 5 MP a以上 ， 而选用

8、8 MP a是 为了模拟在水 田等极端湿软路基情况 下路基范 围 内的附加应力 的情况 。 2 4 分析荷载的取值 分析 中分别考虑 了四种荷载 ，既考 虑 了标准 轴载， 也考虑了重载情况。 计算中单轴轴载分别为 1 0 0 k N、 1 4 0 k N、 1 8 0 k N双轴双轮换算系数，其轴 载参 数见表 1 。 表 1 轴 载 参数 3 荷载作用 下低 路堤 内部压应 力和压 应 变计算结果分析 相对于高路堤路面来讲 ，采 用低路堤路面结 构， 茸于原状路基经常处于荷载作用区之内， 在荷 载的重复作 用下路基 会 出现累积 的永久变形 ； 同 时还有可能会出现横向的不均匀沉降变形 ，

9、导致 路面的破坏 。 为此 ， 需要分析低路 堤路面结构的土 基内的应力应变分布状况 ，为后 面的永久变形预 估提供依据 。 3 1 荷载对 土基 内部竖 向压应力和压应变 的影 响 选取原 状土路 基模量为 8 MP a ，处治路基 上 层填 土 3 0 e m，处治路 基下层模量 4 0 MP a条件 下 的计算结果进行分析 ， 计算结果见 图 2和图 3 。 O 2 4 距路基顶面 距离 m _ 卜 - 一1 0 0 k N一8 40-3 0 c m _ l 1 4 0 k N-8 - 4 0 - 3 0c m | _ 一1 8 0 k N一 8 4 0 -3 0 珊 图 2 土基 内部

10、 竖 向压 应 力变化 规律 从 图 2可 以看 出， 在路基 内部 1 I l l 的范 围内 ， 随着距离路基顶面距离 的增加 ，土基 内部 压应力 衰减较快 ， 并且随着荷载 的增加 ， 在土基 内部产生 的压应力也有较大 的差距 ；而 当距离路 基顶 面距 离较大时 ，不 同荷载 以及不 同深度 的压 应力之 间 的差距逐渐减小 。 因此可 以看 出， 重载对路基浅部 的压应力有较大的影 响。 图 3 土基 内部 竖 向压应 变变化 规律 从图 3可 以看 出 ， 不 同轴载 、 不 同深度的竖 向 压 应变的变化规律与压应力变化规律类 似。荷载 尤其是重载 ，对土基顶面 1 i n深

11、度 范围的影响 比 较 大。 随着深度的增加 ， 不同荷载的影响不是那么 明显了 。 3 2 荷载对土基 内部横 向压应 力和压应 变的影 响 选取原状土路基模量为 8 M P a ，处治路基上 层填土 3 0 c m， 处治路 基下层 模量 4 0 MP a条 件下 的计算结果进行分析， 计算结果见图 4和图5 。 恒 瑚 瓷 距双轮 中心距 离， m 一 1 0 0 k N 一8 4 0 -3 0 c m - _ - 1 4 0 k N一 8 4 0 3 0 c r n 1 8 0 k N一 8 403 0 c I n 图 4 土 基顶 面横 向压应 力 变化规 律 2 氇 瞎 瑚 蛰 一

12、 0 5 o 0 5 距 双轮中心距离， m 图 5 土 基顶 面横 向压 应变 变化 规律 从 图 4可 以看 出 ， 不 同轴载 作用下 ， 虽然土基 顶面 的压应力有较大差异 ，但其 沿横 向的变化规 律 比较接近 ，即产生在原状土路基顶 面的压应力 横 向分布 比较 均匀 ，没有出现局部压应力 过大的 问题。 这说明荷载经过路面结构的扩散 以后 ， 在 土 基内部得到 了较好 的分散 ， 从而有效保护 了土基 。 从 图 5可 以看 出 ，在荷载作用下 双轮中心底 部 的土基顶 面压 应变最大 ，不 同荷载产生 的土基 顶 面压应 变有较 大差 异 ，基本 与轴重成线性正 比 关 系。

13、但不 同轴 载作用下的横 向分布规律 与压 应 3 2 1 0 R 嚣 醐簪 维普资讯 1 0 4 科技研究 城 市道桥与 防洪 2 0 0 8 年 9 月第 9 期 力类似 ， 即没有在横 向产生不均匀的压应变 。 4 不 同原状路基 状况对低路堤路 面土基 内部 压应 力和 压应 变 的影 响 上海地 区的软土经过碾压以后 ， 其模量一般可 以达到 1 5 MP a以 上， 但在水塘 、 稻田等特殊情况下 ， 其土基由于过分软弱 ，难于压实，其模量 一般要更 低 。 所以分别计算 了 1 5 MP a 和 8 MP a两种地基模量 情况下的低路堤路面土基内部的压应 力分布情况 选取原状 土

14、路基模量为 8 MP a ，处治路 基上 层 填土 3 0 e m， 处治路 基下层模 量 4 0 MP a三种荷 载条件下 的计算结果进行分析。 4 1 不同土基模量对土基 内部竖 向压应力和压应 变的影响 从 图 6可以看出 ，当土基模量为 1 5 MP a时 ， 其路基 内部的压应力超过了土基模 量为 8 MP a时 的土基压应力 。 如土基模量 1 5 MP a ， 荷载为 1 4 0 k N 的土基压应力水平与土基模量 8 MP a ， 荷载为 1 8 0 k N 的土基压应力水平相当。 这就说明 ， 土基模量 的大 小 与土基 内部压应力的大小呈现正 比规律 ，即土 基模量越大 ，

15、 土基 内的压应 力也越大 。 图 6 不 同路基模 量 下的路 基 内部压应 力 从 图 7可 以看 出 ，土 基模 量 为 8 MP a时 在 1 0 0 k N荷载 作用 下 的路基 内部 压应 变 的大 小与 土基模 量在 1 5 M P a时在 1 4 0 k N荷载作 用下 的基 本相 等 ； 而 8 MP a土基下 1 4 0 k N荷载下 的土基 内 部压应变与 1 5 MP a土基下 1 8 0 k N荷载下 的土 基 内部压应变基本接 近。 这就说 明 ， 土基模量 的大小 与土基内部压应 变的大小呈现反 比规律 ，即土基 模量越大 ， 土基 内的压应变也越大 。 4 2

16、不同土基 模量对路基顶 面横 向压应变的影响 从 图 8可 以看 出 ， 土基模量 的大小 只对土 基 顶 面的压 应变 的大小有 影 响 ，但 对土 基顶 面压 应 变 的横 向分 布 规律 不会 产生 大 的影 响 。虽 然 从 图 8仍 然可 以看 出 ， 当土 基模 量 为 8 MP a时 ， 在 1 8 0 k N的重载作用下 ， 其横 向分 布的变 化要 大 于 1 5 MP a时 1 8 0 k N作用下 的变化 。这 主要 是 由 于人工硬壳层 以及路 面结 构的联 合作用 产生 了很 好 的荷载扩散效果。 图 7 不 同土 基模量 下 的路基 内部压 应变 图 8 不 同土

17、基模量 下路 基顶 面压应 变 的横 向分布 5 硬 壳层 对 土基横 向应力 分布 的影 响 所谓硬壳层 ， 即是指路 面结构 以下 ， 原状路基 顶 面以上的层次 ，计算 中考虑 了统一 的处治 路基 下层 3 0 e m， 处治路基上层从 3 0 e , m变化到 9 0 e m。 分析其厚度 的变化对路基 内的压应 变的竖向和横 向分布的影 响。 选取荷 载为 1 0 0 k N，处治路基下层模量 为 4 0 MP a的计算结果进行分析 。 5 1 硬壳层厚度对土基 内竖 向压应变的影响 从 图 9可 以看 出 ， 在 不 同的硬壳层 的厚 度条 件下土 基 内部 的压应变大小有 较大

18、 的差别 ， 例如 土基 模 量为 8 MP a时 ，当处 治路 基 上层 厚度 为 3 0 c m 时 ，此时 的路 基顶面 的压 应变为 2 0 0微应 变 ，而 当处治 路基 上层厚 度增加 到 6 0 P , 1T I 时 ， 路 基顶 面压应变减小 到 1 5 0微应 变 ，减小 了 2 5 ， 当处 治路基 上层厚 度增加 到 9 0 e m时 ， 路 基顶 面 压应 变进一步减 小到 1 2 0微 应变 ，减小 了 4 0 。 因此 ， 增加硬壳层的厚度可以有效减小路基顶面 的压应变大小 ， 并且存在一个较为经济的硬壳层 厚度 。 同时从 图 9中的数据还可 以看 出 ，当土基模

19、 量为 1 5 MP a时 ，处治路基上层 厚度为 3 0 c m时 ， 其路 基顶面压应 变与土基模量 为 8 MP a ，处治路 基 上层厚度为 6 0 c m时产生 的路 基顶 面压应变相 维普资讯 2 0 0 8 年 9 月第 9 期 城 市道桥 与防洪 科技研究 1 0 5 图 9 不 同硬 壳层厚 度 下土基 内部压 应 变 近 。这就说 明 ， 对于不 同的地质情况 ， 需要采用不 同的硬壳层 处理厚度 。或 者采取更 加有效 的措施 增加更加软弱地基的模量 。 5 2 硬壳层厚度对土基顶面横 向压应变的影响 从 图 1 0可 以看 出 ， 土基顶面最大压应变 的变 化 规律 与

20、图 9相 同 ，在顶 面 压应 变 的横 向分 布 上 ， 当处治 路 基上层 的厚度 增 加时 ， 可 以使 得横 向分 布更加均匀 ， 从而有效 减小路 堤 的不 均匀沉 降 。但总 体来讲 ， 一旦设 置 了硬 壳 层 以后 ， 对 于 低路堤路 面来讲 ， 也不 会存 在横 向的不均 匀沉 降 问 题 图 1 0 不 同硬 壳层 厚度 下土 基顶 面压应 变 6 结语 通过前面 的分析 ，当土基强度达到一 定数值 时 ，低路堤设计可 以满 足不 同荷载作用下 的路 面 强度要求 ， 同时采用人 工硬壳层 ， 对 于防止低路 堤 的横 向不均匀变形效果明显 。 参考 文献 f 1 】 叶

21、文 尧 在 苏州 地 区采 用低 路 基设 计 的 可行 性 【 J j _ 公 路 ， 1 9 9 9 ( 6) ： 4 4 4 7 2 】 丰 十俊 旺 平 原 区 高速 公 路 路 堤 填 土 高度 的探 讨 J 1 l 岩 土 【程 界 ， 2 0 0 5 ( 9) ： 4 0 4 2 3 J T J 0 1 3 9 5 ， 公 路路 基设 计规 范( s 】 浙江重大项目行动计划沪杭磁悬浮拟后年开建 浙江省政府 日前发布重 大项 目建设行 动计划 ( 2 0 0 82 0 1 2) ， 一直 备受瞩 目的沪杭磁 悬浮 和沪杭 客运专线等项 目同时 “ 榜 ” 上 有名 ， 而且建设

22、年限 、 总投资 等“ 指标 ” 有 了详尽 答 案 。其 中， 沪杭磁悬 浮 2 0 1 0年开始建设 ， 沪杭客运专线 2 0 0 9年开建 。 被列入千亿基础网络工程综合交通网络部分的沪杭客运专线浙江段将在 2 0 0 9 2 0 1 3年间完成建设 ， 总投资 1 3 4 2亿元 。其 中 2 0 0 8年度计划完成投 资 3 2 0亿元 ， 完成 可 研 报批工作 ， 力争 开工 。 同时上 “ 榜 ” 的沪杭磁悬浮交通项 目( 浙江段 ) 建设起止 年限为 2 0 1 0 2 0 1 4年 ， 总投资 2 2 0 0亿元 ， 其 中 2 0 0 82 0 1 2年计 划完成投资 6 5 0亿元 。今 年的年度实施计划 是 由浙江 省 沪杭磁悬浮交通 项 目( 浙江段 ) 筹建 办公 室 、 沿线各 市政府 负责做好 土地 预审 、 规划 选 址 、 环境评估 等前期 工作 。 这份行动计划显示 ， 沪杭 磁悬浮交通项 目新建线路总长调整为 1 9 9 4 3 4 k m， 其 中沪杭磁 悬浮城际线( 含 三角区联络线 ) 1 6 4 5 7 7 k m， 磁悬 浮上海 机场联络线 ( 上海 支线 ) 3 4 8 5 7 k m： 浙江段长 1 0 3 5 5 3 k m， 设嘉兴和杭州东两个车站 。 维普资讯