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      交通荷載作用下港區(qū)道路受力特性研究

      2014-03-25 07:12:30牛力強(qiáng)
      關(guān)鍵詞:輪壓墊層厚度

      牛力強(qiáng)

      (山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原030006)

      0 引言

      隨著經(jīng)濟(jì)全球化的進(jìn)程加快,全球經(jīng)濟(jì)總量的60%均集中在沿海地區(qū),其中包含大量的重化工和能源等產(chǎn)業(yè),這些產(chǎn)業(yè)需要大片的土地.面對人口劇增、城市和工業(yè)用地需要加大、土地資源有限的局面,沿海城市通過吹填造陸的方式緩解城市建設(shè)用地緊張的問題[1-3].

      在軟弱地基上修建道路,首先要面臨的是地基在車輛荷載作用下的沉降、不均勻沉降,以及由此引起的路面結(jié)構(gòu)病害等問題. Sakai 等[4]和Samang 等[5]通過對日本某低路堤高速公路的監(jiān)測發(fā)現(xiàn),該高速路正式運(yùn)營3 年后,由車輛荷載引起的沉降量占其工后沉降總量的30%.孫立強(qiáng)等[6]通過現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn),天津港內(nèi)多條道路在投入使用3 年后道路的沉降量均超過了30 cm,并出現(xiàn)了嚴(yán)重的“波浪式”不均勻沉降現(xiàn)象.趙亮等[7]基于天津港道路“波浪形”不均勻沉降實(shí)測數(shù)據(jù),采用PLAXIS 有限元軟件建立數(shù)值模型,分析了該不均勻沉降產(chǎn)生的原因,并提出采用格柵加固的方式減小路面不均勻沉降.

      目前,道路工作特性方面相關(guān)研究主要以高等級公路為研究對象,港區(qū)道路設(shè)計(jì)也主要參考公路相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范[8]. 但是,港區(qū)流動(dòng)機(jī)械荷載遠(yuǎn)較公路大,公路荷載較為確定,車輛荷載對土基工作區(qū)的影響深度也較為確定,因而對土基的壓實(shí)深度均有明確要求. 港區(qū)荷載如輪胎吊打支腿作業(yè)、集裝箱叉車、正面吊荷載已超過400 kN/輪[9],遠(yuǎn)大于公路車輛荷載. 在重載交通條件下,路基的工作區(qū)深度加大,造成通車后較短時(shí)間內(nèi)即出現(xiàn)路面開裂、卿漿等早期病害,從而加速了港區(qū)鋪面結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生與發(fā)展,造成后期鋪面維修費(fèi)用較大,港口道路工作特性與高等級公路必然相差較大.筆者依托交通荷載作用下港口道路現(xiàn)場試驗(yàn),采用有限差分軟件FLAC3D 建立數(shù)值分析模型,對交通荷載作用下港口道路工作特性進(jìn)行系統(tǒng)分析.

      1 現(xiàn)場試驗(yàn)工況

      現(xiàn)場試驗(yàn)位于廣州南沙港一期工程2 號路,道路鋪面結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆混凝土.如圖1 所示,現(xiàn)場共設(shè)置6 個(gè)監(jiān)測點(diǎn),分別位于板角、板邊和板中位置.現(xiàn)澆混凝土板尺寸為4.0 m ×4.0 m. 現(xiàn)場荷載試驗(yàn)過程中,分別將拖掛車分別放置在試驗(yàn)板塊的不同位置,如圖2 所示.試驗(yàn)荷載值分別為拖掛車空載(T1),拖掛車裝載30 t 集裝箱(T2)和拖掛車裝載60 t 集裝箱(T3)3 種加載工況.

      道路鋪面結(jié)構(gòu)由上至下名稱及通過室內(nèi)土工試驗(yàn)獲得的各層材料物理力學(xué)參數(shù)詳見表1.

      圖1 土壓力盒布置及車輛荷載試驗(yàn)Fig.1 Arrangement of earth pressure cells and vehicle load tests

      表1 道路結(jié)構(gòu)各層材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of materials

      圖2 不同荷位加載工況示意圖Fig.2 Schematic of loading position

      2 數(shù)值建模分析

      2.1 數(shù)值模型的建立與驗(yàn)證

      根據(jù)現(xiàn)場條件及表1 各結(jié)構(gòu)層參數(shù),建立10.0 m×10.0 m×24.72 m 的道路拖掛車加載模型,鋪面結(jié)構(gòu)采用理想彈性模型,地基采用Mohr-Coulomb 模型,模型邊界采用固定位移邊界,并以T3 荷載工況進(jìn)行加載.由于道路的現(xiàn)澆混凝土板并非為一整體,應(yīng)力在板塊與板塊間的傳遞存在折減現(xiàn)象.本文模擬中,加載位置板塊現(xiàn)澆混凝土板的回彈模量采用真實(shí)值,非加載板塊采用折減值,以實(shí)現(xiàn)板塊間應(yīng)力傳遞折減的模擬.考慮到港區(qū)道路拖掛車車速較慢(v <20 km/h),數(shù)值模擬時(shí)將拖掛車荷載模擬為靜荷載.另外,以加載板板角位置為坐標(biāo)原點(diǎn)建立三維空間直角坐標(biāo)系,x軸以向右為正方向,y 軸以垂直紙面向里為正方向,z 軸以垂直向上為正方向.

      2.2 模擬結(jié)果分析

      基于板角加載工況,對加載板板角位置下地基中附加應(yīng)力、附重比、豎向應(yīng)變及側(cè)向位移進(jìn)行分析.

      2.2.1 附加應(yīng)力及附重比分析

      圖3(a)為加載板板角位置下地基不同深度處附加應(yīng)力分布曲線.可以看出,附加應(yīng)力沿深度方向逐漸減小,在淺層地基中附加應(yīng)力在加載側(cè)有較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,隨深度的增加該現(xiàn)象逐漸消失.圖3(b)為加載板板角位置下地基不同深度處附重比分布曲線. 附重比沿深度方向逐漸減小,在深2.52 后附重比小于0.1.

      圖3 地基中附加應(yīng)力及附重比分布曲線Fig.3 Distribution of induced stresses and ratio of induced stress to gravity stress at different depths

      2.2.2 豎向應(yīng)變分析

      圖4(a)為加載板板角位置下地基中豎向應(yīng)變沿深度分布曲線.可以看出,豎向應(yīng)變在地基各土層中均沿深度方向逐漸減?。?從中粗砂墊層進(jìn)入細(xì)砂層時(shí),豎向應(yīng)變小幅增加,而進(jìn)入淤泥質(zhì)黏土層時(shí)則大幅增加,且沿深度方向減小幅值很?。畧D4(b)為加載板板邊位置下地基不同深度處豎向應(yīng)變沿水平位置分布曲線.整體上,淤泥質(zhì)黏土層中豎向應(yīng)變要比其他土層的要大.

      圖4 地基中豎向應(yīng)變分布曲線Fig.4 Distribution of vertical strains

      3 參數(shù)分析

      3.1 不同荷位分析

      對T3 荷載下BJ(S1)、BB2(S2)和BZ(S3)位置加載工況進(jìn)行參數(shù)分析.

      3.1.1 附加應(yīng)力及附重比分析

      圖5 為S1 ~S3 加載工況附加應(yīng)力及附重比沿深度分布曲線.如圖5(a)所示,在地基淺層,S1工況下附加應(yīng)力值最大,S2 工況次之,S3 工況最?。S深度增加,附加應(yīng)力值快速減小,S1 工況的減小幅度最大,S2 工況次之,S3 工況最小,在1.32 m 深處開始S3 工況附加應(yīng)力值較S1 和S2 工況的要大,2.12 m 深處開始S1 工況的附加應(yīng)力值小于S2 工況的.如圖5(b)所示,附重比沿深度的變化規(guī)律與附加應(yīng)力相似,均約在深度2.5 m 處附重比減小至0.1.

      圖5 地基不同深度處附加應(yīng)力及附重比分布曲線Fig.5 Distribution of induced stresses and ratio of induced stress to gravity stress along depth

      3.1.2 豎向應(yīng)變分析

      圖6 為S1 ~S3 加載工況豎向應(yīng)變分布曲線.淺層地基中S1 工況地基的豎向應(yīng)變最大,S2 工況次之,S3 工況最小;在深層地基中則相反.

      圖6 豎向應(yīng)變分布曲線Fig.6 Distribution of vertical strains

      3.2 不同輪壓工況分析

      假設(shè)拖掛車接地面積不變,增加的荷載只引起輪壓的變化. 分別選取輪壓為0. 5,0. 7,0. 9,1.1,1. 3 MPa,對 不 同 輪 壓 荷 載 工 況 進(jìn) 行 參數(shù)分析.

      3.2.1 附加應(yīng)力及附重比分析

      圖7 為不同輪壓工況下附加應(yīng)力及附重比沿深度分布曲線.可以看出,同一深度處附加應(yīng)力值隨著輪壓的增加而增加(圖7(a)). 同一深度處附重比隨輪壓增加而增加,各工況下附重比等于0.1 的深度分別約為1.85,2.10,2.30,2.60,3.0 m(圖7(b)).

      圖7 不同輪壓工況下附加應(yīng)力及附重比沿深度變化曲線Fig.7 Variation of ratio of induced stress to gravity stress with depth under different loading conditions

      3.2.2 豎向應(yīng)變分析

      圖8 為不同輪壓荷載工況下豎向應(yīng)變沿深度分布曲線.可以看出,隨輪壓的增加,同一深度處的豎向應(yīng)變逐漸增大,且增幅有上升趨勢.

      圖8 不同輪壓工況下豎向應(yīng)變分布曲線Fig.8 Distributions of vertical strains under different loading conditions

      3.3 不同砂墊層工況分析

      砂墊層厚度是港口地基設(shè)計(jì)中的重要參數(shù),下面對不同厚度砂墊層工況進(jìn)行參數(shù)分析.

      3.3.1 附加應(yīng)力及附重比分析

      圖9 為不同砂墊層厚度工況下附加應(yīng)力及附重比沿深度變化曲線.可以看出,在相同深度處附加應(yīng)力值隨著砂墊層厚度增加而減小(圖9(a)).在相同深度處附重比隨著砂墊層厚度增加而減小(圖9(b)).各工況附重比等于0.1 的深度均在2.5 m 左右.對于0.8 m 和1.2 m 工況,該深度已超出砂墊層底部,1.6 m 工況幾乎位于砂墊層底部,2.0 m厚工況則在砂墊層中.

      圖9 不同砂墊層厚度工況下附加應(yīng)力及附重比變化曲線Fig.9 Variation of induced stress and ratio of induced stress to gravity stress under different thickness of sand cushion conditions

      3.3.2 豎向應(yīng)變分析

      圖10 為不同砂墊層厚度工況下豎向應(yīng)變沿深度變化曲線.可以看出,最大豎向應(yīng)變發(fā)生在淤泥質(zhì)土頂部,相同深度處豎向應(yīng)變隨砂墊層厚度的增加而減小,減小幅度呈減小趨勢,從1.6 m 增加到2.0 m 時(shí),淤泥質(zhì)土頂部豎向應(yīng)變該變量較未到達(dá)1.6 m 前要小得多.

      圖10 不同砂墊層厚度工況下豎向應(yīng)變分布曲線Fig.10 Distributions of vertical strains under different thickness of sand cushion conditions

      4 結(jié)論

      以廣州南沙港現(xiàn)場拖掛車荷載試驗(yàn)為依托,采用FLAC3D 建立數(shù)值分析模型,通過與現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比,驗(yàn)證了模型及參數(shù)選擇的合理性.隨后對地基中的附加應(yīng)力、豎向應(yīng)變及側(cè)向位移等進(jìn)行了系統(tǒng)分析,并對不同加載荷位、輪壓和砂墊層厚度工況進(jìn)行了參數(shù)分析,主要得到以下結(jié)論:

      (1)附加應(yīng)力在淺層地基中在加載側(cè)有較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,隨深度的增加該現(xiàn)象逐漸消失.

      (2)豎向應(yīng)變在各土層中均沿深度方向逐漸減小.淤泥質(zhì)土層中的豎向應(yīng)變值較大,且沿深度方向減小幅值較小.

      (3)側(cè)向位移沿水平方向呈先增大后減小的變化規(guī)律,并在加載板一側(cè)達(dá)到最大值,沿深度方向呈先增加后減小的變化規(guī)律.

      (4)板角加載工況為最不利荷位工況. 整體上,地基中的附加應(yīng)力、豎向應(yīng)變和側(cè)向位移,均隨著輪壓的增加而增大,隨著砂墊層厚度的增加而減?。?/p>

      [1] YAN S W,CHU J. Soil improvement for a storage yard using the combined vacuum and fill preloading method[J]. Canadian Geotechnical Journal,2005,42(4):1094 -1104.

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      [9] 中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司. JTS 1441—2010 港口工程荷載規(guī)范[S]. 北京:人民交通出版社,2010.

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