考虑软粘土流变特性的高速公路路基沉降变形分析

考虑软粘土流变特性的高速公路路基沉降变形分析（精选3篇）

篇1：考虑软粘土流变特性的高速公路路基沉降变形分析

考虑软粘土流变特性的高速公路路基沉降变形分析

本文对高速公路路基软粘土的变形规律进行了详细分析,在此基础上,结合高速公路工程实例,对影响路基稳定的沉降、侧向位移、工后沉降及土体稳定进行了分析,并对实测的`资料进行分析比较,从而阐述了软粘土地基进行变形分析时考虑土体流变性的必要性.

作 者：戴方宇 DAI Fangyu 作者单位：湖南双峰县青树坪建筑工程公司刊 名：中外建筑英文刊名：CHINESE AND OVERSEAS ARCHITECTURE年，卷(期)：“”(7)分类号：U416.01关键词：高速公路 软粘土 流变性 路基变形 软土路基

篇2：考虑软粘土流变特性的高速公路路基沉降变形分析

关键词：交通荷载,软土,地基,沉降

引言

随着公路特别是高速公路的蓬勃发展,公路运输已成为运输的主要力量。高速公路以其车速高、行驶安全、通运能力大、运输成本低、货物耗损低而成为当前公路发展的首要目标。

目前,国内绝大部分省、市已经制定了高速公路发展规划,不少省、市的高速公路正在逐步形成网络,建设地域已经由沿海、平原等经济发达地区向内陆腹地、山区发展,在已建成的高速公路的沿线及腹地,地价增值、地方税收增加、投资环境发生了翻天覆地的变化。

我国软土分布十分广泛,海湾、河口、河流低阶地和湖盆底部大都有软土堆积,因此,受到地理位置的限制,许多高速公路不得不建在软土地基上。

软土常指河流中下游地区埋有的深厚第四纪松软覆盖层,其主要特征表现为:天然含水率高、天然孔隙比大、强度低、灵敏度高、透水性弱、压缩性大,因此软土地基具有承载能力低、沉降量大,固结完成时间长等不利的工程特性,在软土地基上修筑高速公路,一直以来都是公路建设中的一个技术难题。

在软土地基上修筑高速公路,需要解决的关键问题就是路堤的稳定和变形,稳定分析是路堤设计中的重要工作之一,只有满足路堤稳定条件才能进行路堤的变形计算。

从目前的情况来看,路堤稳定的条件相对容易满足,但是高速公路不仅要求路堤稳定,而且对于工后沉降也有很高的要求,特别是需要严格控制工后不均匀沉降量和构筑物相邻路基的工后沉降量。目前,软土路基的沉降多采用现行公路软基规范中推荐的方法进行计算。近年来,有限单元法不仅可以考虑土体应力应变的非线性特征,而且可以考虑侧向变形和水平向渗流对固结沉降的影响。

文中以Biot动力固结理论的有限单元法为基础,用有限元法对交通荷载作用下软土地基沉降进行分析。

1 动力方程的建立[1,2]

1.1 土体平衡方程

1.2 变形几何关系

1.3 土体本构关系

{σ′}=[D]({ε}-{ε0})。

其中,ε0为土体中的初应变。

假设初应变是由动孔压引起的,则[D]{ε0}={ug,ug,0}T,有:

$\begin{array}{l}\text{其}\text{中}‚E{}_1=\frac{E(1-v)}{(1+v)(1-2v)}‚\\ E{}_2=\frac{Ev}{(1+v)(1-2v)}‚\\ E{}_3=\frac{E}{2(1+v)}=G‚\end{array}$

由式(1)～式(3)得:

1.4 渗流连续方程

$-\left(\frac{\partial q{}_x}{\partial x}+\frac{\partial q{}_z}{\partial z}\right)=\frac{\partial }{\partial t}(\epsilon {}_x+\epsilon {}_z)$ (5)

1.5 达西定律

由式(2),式(5)和式(6)得:

$\overline{{\rm K}}{}_x\frac{\partial {}^{2}u}{\partial x{}^2}+\overline{{\rm K}}{}_z\frac{\partial {}^{2}u}{\partial z{}^2}=\frac{\partial }{\partial t}\left(\frac{\partial u{}_x}{\partial x}+\frac{\partial u{}_z}{\partial z}\right)$ (7)

2 动力方程求解

对这组微分方程,采用有限元法进行求解。

首先在空间上划分单元并把计算域离散,然后求解时在时间上以步长离散。

用以下位移模式建立节点位移与单元位移之间的关系:

其中,Nj为形函数;uxj,uzj,uj为节点j的位移及孔压。

将式(8)代入Biot动力固结方程组中,采用加权余量法,并采用权函数为形函数Nj,则可得出如下方程组:

其中,[M]为质量矩阵;[K]为刚度矩阵;[Q]为耦合矩阵;[H]为渗透矩阵。

为了考虑阻尼效应,在式(9)中的动力平衡方程中引入阻尼项,则式(9)变为:

将式(10)写成增量形式后,可采用Newmark法进行数值积分计算。

计算中,动力计算和孔隙水压力的产生和消散不是同步进行的。动力计算分小时段进行,在每一小时段中,假定孔隙水封闭在土骨架中不发生流动;孔隙水压力的产生和消散分大时段进行,即每隔一段时间再计算振动孔压的产生和消散。

3 计算模型的建立

3.1 计算参数取值

某高速公路路堤(基层)厚度为2 m,堤顶宽度为12 m,坡度为1∶1.5;软土地基厚度为20 m。通过原状土样的各种土力学试验得到模型计算参数,土的参数取值如表1所示。

3.2 计算模型

由于路基纵向尺寸远比横向尺寸大,从而可以把路基中的应力状态近似简化为平面应变问题。计算中地基部分按多孔介质材料考虑,采用Duncan-Chang模型做土层的固结分析。填土部分,由于其渗流作用对整个分析的影响不大,故未考虑。填土为分层填筑,每层厚度约为30 cm,整个填筑过程在第450天结束。由于路基左右对称,所以可以取路基地基的一半进行分析,以路堤中心为对称轴。计算模型网格划分如图1所示。

3.3 计算结果与比较

如图2所示为路基中心线处有限元计算和现场实测的沉降值随时间的变化曲线,可见,随着时间的增加,沉降量逐渐增大,且计算值和实测值吻合较好,偏差不大,说明Biot动力固结有限元程序能成功地运用于交通荷载作用下地基沉降分析。从计算值来看,填土初期地基沉降量大,这是由地基饱和土的形状变形引起的初始沉降造成的,而后沉降稳定增加,反映了地基的固结沉降。当停止加载(填土)后,随着土体固结的逐渐完成,沉降曲线慢慢变缓,并趋于稳定,说明沉降速率逐渐变小,路基向稳定的方向发展。

4 结语

文中通过动力有限单元法对交通荷载作用下软土地基的沉降进行了分析,结果表明:填土初期地基沉降量大,而后沉降稳定增加,反映了地基的固结沉降。当停止加载(填土)后,随着土体固结的逐渐完成,沉降曲线慢慢变缓,并趋于稳定。

参考文献

[1]徐志英,沈珠江.地震液化的有效应力二维动力分析方法[J].华东水利学院学报,1981(3):44-45.

[2]徐志英,沈珠江.高尾矿坝的静、动应力非线性分析与地震稳定性[J].华东水利学院学报,1980(4):18-20.

篇3：考虑软粘土流变特性的高速公路路基沉降变形分析

1 软粘土路基冲击压实技术存在的现状

在我国传统的路基加固的方法有很多种, 但是在一定程度上存在着一定的缺陷。机械化碾压的方法被广泛的应用, 但是加固的深度不够, 应该严格的按照工程平衡施工进行分层碾压, 采用这样的方法工作效率低下, 强夯实的方法对公路路基的小鬼哦比较好, 加固深度大, 但是在施工的过程中还是存在着一定的缺点, 主要表现在土石飞溅和振动的影响, 一定情况下很有可能会造成人员伤亡以及庄稼和房屋的损害。另外, 在高速公路的建设过程中, 临近边坡位置处无法紧凑型强夯实施工, 还需要才赢碾压机配合施工, 子啊施工运行过程中, 利用较陡边坡, 强夯实的施工技术尽量靠边, 夯机施工过后用挖掘机进行反向向上的修整到边坡上, 铲除边坡时振松的土堆在该层层面作新的填土层。此外, 沟底一般有排水涵洞, 还应研究强夯对涵洞结构的影响。

2 软粘土动力模型

软粘土路基中冲压压实技术主要是由牵引车推动, 依靠轮对软粘土进行冲击压实作用。不单单可以对天然土基进行压实, 还可以对新填筑土进行追密压实。从最先开始应用到工程实际施工应用, 已经被充分的适用于粘性土和碎石土等不同类型的地基中, 不但能够有效的提高工程施工整体地基强度, 在一定程度上降低地基压缩性, 可以消除土质湿陷性和改善抗震液化的能力。采用这样的施工方法可以使工程施工的效果更加显著、施工方便、设备简单、工程适用面广泛以及节省材料等优点, 不断的应用于高速公路施工建设只中。其中, 软粘土路基冲击压实技术备受人们的重视和关注, 冲击压实技术在高速公路施工建设过程中具有一定的作用和意义。

2.1 基本假定

在路堤为条形建筑工程施工中, 可以简化成利用平面应变的问题进行解决;模拟高速公路施工范围中软粘土路基是均质具有同性弹塑性;充分考虑施工建设中孔隙水压的作用, 并采用合理有效应力动力原理;不考虑时间或者是速率变化程度对建筑施工结构的影响。

2.2 动力模型建立

如图所示为荷载作用示意图, 假设冲击轮是正弦波形, 振幅A=Q, 软粘土路基冲击地面水平方向上并不产生一定摩擦力。此时会产生动力冲击现象。但是由于冲击机凸轮一侧接触地面周长为六分之一, 因此软粘土路基中冲击压实技术的冲击力是传统轮式压路机冲击的一倍, 相当于正弦波作用中的三周期。

3 冲击也是死技术密度影响因素

3.1 频率和压实度之间关系

如图所示, 在压实度分析图表中表明, 地频率的冲击压实机中的土质压实密度值小于中频率和高频率冲击压实机土质压实密度。我们根据高频率冲击压实机土质密实度大于中频率。例如在第八遍软粘土路基冲击压实后, 高频率冲击密实度为90.40%, 然而中频率为89.23%, 低频率冲击压实度是82.53%远远低于中频率和高频率。

3.2 振幅和密实度关系

软粘土冲击压实正常工作运行中, 土体和冲击轮始终连接在一起, 在施工过程中压实机振动幅度的大小直接影响着土体变形的程度。振动幅度越大, 在土体中产生的振动压力越大, 并且土体承受的剪应力就会不断变大。当频率保持不变时, 振动幅度越大振动的迁都就越大, 有利于降低抗剪迁都。所以, 大幅度振动可以提高软粘土路基中冲击压实效果。

4 软粘土路基中冲击压实效能分析评价

4.1 沉降预测和观测

路基沉降, 为了更好的观测到软粘土路基冲击压实状态中路基的沉降、位移, 埋设路基观测仪器, 仪器符号和项目如表所述:

4.2 静载压试验确定路基承载力

(1) 静力承载负荷试验方法, 针对天然性土质路基承载能力的实验, 通常采用的方法是慢速度维持荷载方法, 以地锚作为反作用力。以1000KN、2000KN的千斤顶分别进行加载, 并用量程为25MPa、40MPa、60MPa的油压表对进行承载负荷数值的测量。每一台设备都是按照30mm的百分表分别进行测量。在本次试验中采用的是静力荷载试验的过程当中, 由于并没有确定每一个单桩复合路基和单桩路基所需要的承载能力的设计数值, 因此在试验过程中采用的是分级进行加载到极限值的方法, 主要分为8-15级不等。

在实验过程中采用的水2.0平方米的承载板形状为方形, 其他的承载板的形状均为圆形。但是对于负荷路基采用承载板的面积要按照所要承担和处理的面积进行计算, 即2.0平方米, 针对单桩静力承载能力实验主要的压板面积是单桩横截面积就是0.196平方米。

(2) 静力承载实验。静力承载实验如下表, 实验路基段进行冲击压实技术处理之后, 软粘土路基承载能力的数值明显, 可以充分的看出极限承载力和标准承载力在这样状况下进一步满足铺设路面的整体结构层的需求。传统的冲击压实技术评价标准通常只是进行简单的静力承载实验, 但是在静力承载实验那组施工要求后, 可以确定冲击压实效果良好。

5 总结

在我国已经施工建成的高速公路中, 由于路基质量问题造成的路面损害程度不断扩大。所以, 在工程施工建设过程中, 软粘土路基工程填筑质量已经受到建筑行业高度重视。在软粘土路基工程施工过程中, 由于地质水位条件、施工填料复杂多样等因素, 通常会出现软粘土路基压实密实度不均匀。路基沉降程度过大导致公路行车后路面产生不同程度的沉降或者是严重的开裂现象。为了进一步控制公路路基质量, 很据现有的工程施工技术规范采取相应的解决对策进行控制以外, 还应该采用冲击压实技术确保公路施工工程质量。

摘要：本篇文章阐述冲击压实技术在软粘土路基中的作用沉降机根本原理进行研究, 结合土动力原理和应力波动原理制定软粘土路基动力响应模型, 并制定软粘土路基冲击压实性能体系, 进而指出软粘土路基中冲击压实技术具有的优越性以及在我国公路施工建设中应用建设前景。

关键词：软粘土路基,冲击压实技术,沉降机理

参考文献

[1]史乐乐.试析路基冲击压实技术的工程应用与实践[J].公路交通科技 (应用技术版) , 2012 (05) .