交通荷载作用下高速公路路基动力稳定性研究

内蒙古农业大学学报

JournalofInnerMongoliaAgriculturalUniversity

Vo.l31󰀁No.3Ju.l2010

交通荷载作用下高速公路路基

动力稳定性研究

*

高󰀁瑜,󰀁李󰀁驰,󰀁黄󰀁浩

(内蒙古工业大学土木工程学院,呼和浩特󰀁010051)

摘要:󰀁建立高速公路有限差分离散模型,以汽车交通荷载为例,研究汽车荷载按照最不利情况静置和汽车荷载移动过程中,高速公路路基顶面的最大竖向位移和最大拉应力的变化规律,并对交通荷载作用下高速公路路基动力稳定性进行评价。

关键词:󰀁岩土动力学;󰀁交通荷载;󰀁高速公路路基;󰀁动力稳定性

中图分类号:󰀁TU431󰀁󰀁󰀁文献标识码:󰀁A󰀁󰀁󰀁文章编号:1009-3575(2010)03-0196-05

STUDYONDYNAMICSTABILITYOFHIGHWAY

SUBGRADEUNDERTRAFFICLOADS

GAOYu,󰀁LICh,i󰀁HUANGHao

(CivilEngineeringInstitute,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Huhhot󰀁010051,P.R.China)

Abstrac:t󰀁Anumericalmodelhasputforwardbasedonthefinite-differencemethod.Takesthevehicletrafficloadasanexample,

studiedthevariationofthemaximumverticaldisplacementandthemaximumtensilestressonthetopsurfaceofhighwaysubgradeinconditionsthatthevehicleloadstandingasthemostunfavorablesituationandduringtheprocessthatthetrafficloadmovinginone-wayortwo-way.Analyzingthenumericalresults,thedynamicstabilityofhighwaysubgradeisevaluated.Keywords:󰀁Geotechnicaldynamics;󰀁trafficloads;󰀁highwaysubgrade;󰀁dynamicstability

科研单位结合秦沈客运专线对路基动应力变化进行

引言

󰀁十一五󰀁期间是我国进行大规模铁路、公路建设最关键的阶段,随着列车的提速,以及高速交通线路在我国和世界许多国家不断新建,出现了大量的土动力学方面的问题。其中,交通荷载作用下高速公路路基的动力稳定性,已成为公路交通部门亟待解决的问题,

国外,尤以日本和德国等对路基动力特性作了较为系统的研究测试

[1~7]

了试验研究

[8,9]

。杨灿文等认为路基动应力随车速

的提高有增加的趋势,速度的影响随深度增大而减小。曹新文等通过模型试验得出,路基动应力与轴重成正比,运行速度增加,路基动应力增大。谢伟平、边学成等研究了交通荷载产生的波动在地基中的传播规律,以及弹性均质半空间体在移动荷载作用下的稳态响应

[10~20]

。但是,由于交通荷载的复杂

。Sunaga,Makoto等对高

性和路面结构的不确定性,对于交通荷载作用下路基内部动力响应规律,动力响应沿路面-土基系统内部的扩散和传递,以及由此引发的高速公路路基动力稳定性问题,有待于进一步深入研究。

速路基动应力与相应的路基下沉进行了现场试验,

Leykau,fGunther等对具有不同刚度路基进行了轮载试验。国内以铁道科学研究院、西南交通大学等

*

收稿日期:󰀁2010-01-01

基金项目:󰀁内蒙古工业大学科学研究重点项目(ZD200804)

作者简介:󰀁高瑜(1984-),女,硕士研究生,主要从事公路路基的研究.

第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁高󰀁瑜等:󰀁交通荷载作用下高速公路路基动力稳定性研究

197

文中采用数值模拟的方法,研究高速公路路基在汽车最不利布载时,以及汽车荷载单向或双向移动过程中,路基中最大竖向位移以及路基顶面最大拉应力的变化规律进行研究,进而,对交通荷载作用下高速公路路基动力稳定性进行评价。

为37m,路床以上依次为0.3m厚的山皮石垫层、0󰀁4m厚的水稳碎石基层(含0.2m的底基层)、0󰀁11m厚的中粒式沥青混凝土面层和0.05m厚的细粒式沥青混凝土面层,路面层宽度为35m,双幅8车道,中央分离带以及两侧路缘带共4.0m,行车道两侧各留0.5m的路缘带宽度。沿行车方向取为50m。采用等参数三维实体单元进行网格划分,共划分26560个实体单元。1.2󰀁计算参数

根据地勘资料显示原土地基主要以粘土为主,计算中,按照Mises屈服准则来模拟原土地基的应力应变关系。吹填砂、路床、垫层、基层以及路面结构层的屈服准则均按照莫尔-库仑准则来模拟,且计算参数取为20󰀁的弹性模量值和泊松比。具体计算参数见表1。

1󰀁计算模型的建立

1.1󰀁有限差分离散模型

计算中,采用显式拉格朗日计算方法和混合离散元分区模型,与常规有限元计算方法相比,使用动态方程来模拟物理不确定进程,因而,更适合非线性和大应变问题,以确保模型塑性崩塌和塑性流动的精确性。

计算模型见图1。路基分为两层,上部吹填砂厚3.20m,下部原土地基厚4.0m。路床厚0.8m,宽度

图1󰀁计算模型单元网格划分Fig.1Gridplotingofnumericalmodel

表1󰀁计算参数Tab󰀁1NumericalParameters

ID

名称屈服准则弹性模量(kPa)泊松比

容重(kN/m3)粘聚力C(kPa)内摩擦角󰀁(󰀁)

󰀁原土Mises5󰀁1030.4218.6137.9

󰀂吹填砂M-C38󰀁1030.317.1024

路床M-C400󰀁103

0.22520031

!垫层M-C1200󰀁103

0.25237027

∀基层M-C1400󰀁103

0.252425040

#中粒式面层M-C1100󰀁103

0.252535060

∃细粒式面层M-C1300󰀁103

0.252535060

2󰀁自重作用下初始平衡的实现

2.1󰀁竖向最大位移

选择地层约束,进行自重作用下初始平衡计算。计算结果显示,路床顶面处竖向最大位移为5.1cm,且路床强度和刚度可以满足使用要求。2.2󰀁路基顶面拉应力

在自重作用初始平衡状态下,最大拉应变发生在路床上顶面中央,最大拉应变值为19.98kPa。

3󰀁汽车荷载按照最不利情况布置

时

3.1󰀁竖向最大位移

计算中采用标准轴载BZZ-100(󰀁公路沥青路面设计规范󰀁(JTGD50-2006)),将车轮荷载简化为圆形均布荷载,标准轴载100kN,单轮当量圆直径d=21.30cm,轮胎接地压力700kPa,两轮中心距1󰀁5d。

参考已有研究结果,车轮荷载沿单车道布载较

198

内蒙古农业大学学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2010年

多车道同时布载情况更不利。计算中考虑两幅同时平行布载,在单车道中央布设均布荷载。计算结果表明,考虑汽车荷载最不利布载情况下,路床顶面竖向位移的最大值为4.5cm。3.2󰀁路基顶面拉应力

汽车荷载最不利布载时,在车轮荷载作用处的最大竖向压应力为120kPa,拉应力出现在路床的边缘处,拉应力约为2kPa。

(2),通过公式(3)计算各地层的弹簧常量,确定土层各方向的地基反力系数,计算得到的10阶振型以

及对应的固有周期见表2。

竖向地基反力系数

Bv-3/4

kv=kvo󰀁󰀁

30

水平地基反力系数

Bh-3/4

kh=kho󰀁󰀁

301

kvo=kho=󰀁󰀁󰀁E0

30

面积,Bv=

Av,Bh=

Ah;(2)(3)(1)

4󰀁汽车荷载单向(双向)移动时

4.1󰀁结构固有周期及振型

进行特征值分析主要是为了在汽车移动荷载动力分析中,提供结构的固有周期(及固有频率)。首先定义模型的约束条件,利用曲面弹簧定义弹性边界,根据竖向和水平向地基反力系数见公式(1)

表2󰀁前10阶振型下对应的固有周期

󰀁󰀁式中:Ah,Av是各土层水平方向和竖直方向的截

E0为土层的弹性模量。

Tab󰀁2Naturalperiodindifferentvibrationmode

振型12345

UX频率(弧度/s)2.510352.602872.602992.97123.3755

UY频率(r/s)0.39950.414260.414280.472880.53723

UZ周期(s)2.5032.4142.4142.1151.861

振型678910

UX频率(弧度/s)3.39563.84683.90344.13855.0195

UY频率(r/s)

0.540430.612240.6212470.658660.79888

UZ周期(s)1.851.6331.6091.5181.252

4.2󰀁汽车荷载的输入

通过特征值得到动力分析时该路堤结构的第1、第2固有周期分别为2.503s和2.414s。参考有关文献,以单一方向移动时速120km/h汽车荷载随时间变化的时程作为动载时程函数,输入到对应的模型节点上进行汽车移动荷载的动力分析,沿汽车行驶方向在开始、中间、尾部节点上依次输入D1(120km/h)、D2(120km/h)、D3(120km/h)的时程荷载函数,见图2,按照瞬态时程采用直接积分法,阻尼系数取0.05,加载长度4.0m,汽车行进区间50m,分

析时间步长0.005s,结束时间5s,分别考虑汽车单向行驶和双向行驶两种情况,确定汽车荷载驶入、行进、驶出时刻位移的变化,以及整个时间过程中路床

最大位移和路床中最大拉应力的变化情况。4.3󰀁竖向最大位移

汽车单向(双向)行驶时的计算模型见图3。当汽车单向行驶时,汽车身长4.0m且行进区间的长度为50m,所以按120km/h速度行驶的汽车驶入、行进、通过、驶出的时间分别是0.15s、1.65s、2.68s、3󰀁0s。

(a)D1(120km/h)󰀁󰀁󰀁󰀁(b)D2(120km/h)󰀁󰀁󰀁󰀁(c)D3(120km/h)

图2󰀁汽车荷载时程函数Fig.2Timeintervalfunctionoftrafficload

第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁高󰀁瑜等:󰀁交通荷载作用下高速公路路基动力稳定性研究

199

图3󰀁汽车荷载单向(双向)移动时计算模型Fig.3Modelofmovingloadsforone-wayortwo-way

󰀁󰀁记录汽车单向移动的不同时刻沿竖直方向的位移等值线,分析可知沿行车方向在y=25m时,即汽

车单向行驶在t=2.68s时竖向位移值最大,最大位移值为1.63cm。当汽车以同样速度双向相对行驶,在t=1.2s两车相遇,且此时路堤在竖直方向位移达到最大为0.36cm。4.4󰀁路基顶面拉应力

汽车单向行驶过程中,路床角部边缘张拉应力在t=2.0s时达到最大值,最大张拉应力值为12󰀁9kPa。汽车双向行驶过程中,沿板体路床边缘四角区域出现张拉应力,当t=1.2s时,板体路床边缘处张拉应力最大,最大张拉应力为6kPa。

路面设计弯沉值

ld=960NeAcAs

󰀁󰀁式中:ld-设计弯沉值(0.01mm)

Ne-累计当量轴次。按照󰀁道路工程说明书󰀁的要求,该沥青混凝土路面的设计使用年限为15a,设计年限内1个车道上累计当量轴次为4.53󰀁10次。

Ac-公路等级。按照一级路计算,取1.0。

As-面层类型系数,沥青路面取1.0。

因此,按照规范要求,该路面设计弯沉值为17󰀁8mm。通过数值模拟计算该路堤结构在自重以及汽车荷载作用下竖向位移见表3。由表3数据显示,不同荷载组合下该路堤结构竖向位移满足规范要求。

8

-0󰀁2

5󰀁不同荷载组合下路基动力稳定

性评价

5.1󰀁验算路堤结构竖向位移

表3󰀁不同荷载组合下路堤竖向位移

Tab󰀁3Verticaldisplacementofsubgradefordifferentloadscombination

自重

竖向位移(mm)不同组合下󰀁竖向位移(mm)

󰀁

5.1󰀁+󰀁󰀁+󰀁󰀁+󰀁

汽车不利布载

󰀁4.5

汽车单向行驶

󰀁1.639.6󰀁6.735.46

汽车双向行驶

󰀁0.36

5.2󰀁验算板体路床应力

以刚性基层底拉应力作为沥青路面结构设计的控制指标。刚性路面结构材料允许张拉应力:󰀁SR

󰀁R=

ks

󰀁󰀁式中:󰀁SR-材料极限抗拉强度,通过实验室测定。

󰀁R-路面材料允许拉应力,即改材料能承受设计年限Ne次加载的疲劳弯拉应力(MPa)。

ks-不同路面系数,对于无机结合料稳定细粒土,ks=0󰀁35Ne/Ac

因此,当路床极限抗拉强度为0.1MPa时,路面结构的允许拉应力为12MPa。通过数值模拟计算路床的应力分布情况见表4。由表4可知,在自重和汽

-0󰀁2

200

内蒙古农业大学学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2010年

车荷载单向移动过程中,路床角部边缘存在张拉应力区域,最大张拉应力为32.88kPa。

表4󰀁不同荷载组合下路床的张拉应力

Tab.4Tensilestressofsubgradefordifferentloadscombination

自重󰀁

最大拉应力(kPa)不同组合下󰀁󰀁󰀁最大拉应力(kPa)

19.98

󰀁+󰀁󰀁+󰀁󰀁+󰀁

汽车不利布载

󰀁2.0

汽车单向行驶

󰀁12.9󰀁21.9832.8825.98

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Eisenbahonberbaus,

J.o.fGeo.

汽车双向行驶

󰀁6

6󰀁结语

按照汽车荷载最不利布载和汽车荷载移动过程

中,对高速公路路基顶面最大竖向位移和路基顶面最大拉应力进行数值模拟,总结不同荷载组合情况下,路基顶面最大竖向位移和最大拉应力的变化,与按照规范要求计算该路面设计弯沉值和路面结构的允许拉应力比较,该路基路面结构竖向位移和最大拉应力满足规范要求。参󰀁考󰀁文󰀁献:

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