公路路基堆載流變數(shù)值模擬分析

1、基于基于Flac3D的公路路基堆載流變變形研究的公路路基堆載流變變形研究夏旭陽(yáng)【摘要】公路路基質(zhì)量的好壞直接影響到公路的建設(shè)質(zhì)量，尤其是在地質(zhì)環(huán)境較差的地區(qū)，路基質(zhì)量尤為重要。本文基于有限差分軟件Flac3d對(duì)軟土路基在堆載過(guò)程中的流變變形進(jìn)行分析，通過(guò)Flac3d提供的二次開發(fā)程序接口將改進(jìn)的西元模型進(jìn)行程序?qū)崿F(xiàn)，并嵌入Flac3d中計(jì)算不同高度堆載及堆載時(shí)間對(duì)軟土流變變形的影響，用于預(yù)測(cè)路基頂面沉降，指導(dǎo)工程實(shí)際?！娟P(guān)鍵詞關(guān)鍵詞】路

2、基，軟土，堆載，流變，二次開發(fā)0前言前言我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展對(duì)交通運(yùn)輸能力提出了更高的要求，直接刺激了交通運(yùn)輸發(fā)展。二十世紀(jì)我國(guó)的交通運(yùn)輸業(yè)進(jìn)入了一個(gè)海、陸、空全速發(fā)展的鼎盛時(shí)期，其中陸路交通發(fā)展最為迅猛，從洲際公路到高等級(jí)公路再到城鄉(xiāng)公路，大范圍的公路建設(shè)需要過(guò)硬的技術(shù)理論做支撐。我國(guó)地域變化復(fù)雜，環(huán)境差異較大，工程地質(zhì)迥異，尤其是在沿海發(fā)達(dá)地區(qū)，該地區(qū)土壤多是軟土，土體承載力較低，因此在進(jìn)行路基處理中遇到的難題最多最難以解決，常見的方

3、法是利用現(xiàn)場(chǎng)路基堆載[1]時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制堆載速度及堆載臨界高度，但目前的研究對(duì)于土體的堆載沒有形成一個(gè)具有廣泛知道意義的理論。本文利用Flac3D軟件對(duì)路基在堆載過(guò)程中的流變變形進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并與工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，探尋路基堆載臨界高度[1]的規(guī)律性，并用于實(shí)際工程的指導(dǎo)。1基本理論基本理論1.1土體變形理論土體的種類繁多，并且土體性質(zhì)十分復(fù)雜多變，不同地區(qū)的同類別土體性質(zhì)也相差較大，前人通過(guò)大量的室內(nèi)試驗(yàn)總結(jié)出土體材料的應(yīng)力變形

4、是由不同性質(zhì)的變形組成的，該總變形包含彈性變形和塑性變形[2]，當(dāng)考慮土體變形的時(shí)間效應(yīng)時(shí)，土體會(huì)產(chǎn)生蠕變變形。以增量形式表示為公式1：（1）ijepcijijijdddd???????式中——總應(yīng)變?cè)隽?，——ijd?ijed?彈性應(yīng)變?cè)隽浚苄詰?yīng)變?cè)隽?，pijd?——蠕變應(yīng)變?cè)隽?。cijd?一般土體變形研究只考慮彈性變形和塑性變形，由于蠕變變形發(fā)展時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)土體總變形的影響較小，在工程實(shí)際應(yīng)用中一般不予考慮。其破壞準(zhǔn)則可表示為：

5、（2）ssincos=0mc???式中：s——最大剪應(yīng)力；——平m?均法向應(yīng)力；c——粘聚力；——內(nèi)摩擦?角。1.2數(shù)值軟件模擬理論Flac3D[3][4]程序自美國(guó)ITA公司推出后，已成為目前巖土力學(xué)計(jì)算中的重要數(shù)值計(jì)算軟件之一。該程序適用于模擬三維土體、巖體或其他材料的力學(xué)特性，尤其是達(dá)到屈服極限時(shí)的塑性流變特性，在實(shí)際巖土工程的數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用廣泛。軟件中對(duì)土體變形的理論計(jì)算采用的是塑性理論，土體本構(gòu)模型采用MohrColumnb模

6、型。該模型具有一個(gè)固定的屈服面，模型參數(shù)的選擇是為了定義屈服面，不因塑性應(yīng)變而改變，在屈服面以內(nèi)的點(diǎn)，表示所受應(yīng)力變形為彈性變形。模型的定義參數(shù)共有六個(gè)：體積模量K、內(nèi)聚力c、剪脹角ψ、內(nèi)摩擦角φ、切變模量G、抗拉強(qiáng)度σ。土體的體積模量K和切變模量G不能通過(guò)土樣室內(nèi)試驗(yàn)直接求得，而彈性模量E可以通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)3???????vpijijHFg其中為一個(gè)開關(guān)函數(shù)，F(xiàn)為屈服函HF數(shù)，g為勢(shì)函數(shù)。000??????FFHFF根據(jù)前面各元件的差分

7、格式可以推導(dǎo)出改進(jìn)西元模型的應(yīng)力更新方程：NOK1OK2O1[(1)(1)]vpijijijijijijBSebSeeaADeC???????????式中：，123111()244atGAC??????123111()244btGAC??????3.3.數(shù)值模擬數(shù)值模擬3.1工程概況本文依托在營(yíng)口的某項(xiàng)公路路基施工現(xiàn)場(chǎng)工況，利用Flac3D有限差分軟件的自定義本構(gòu)模型，對(duì)路基堆載對(duì)土體流變變形的影響過(guò)程進(jìn)行模擬。該工程位于我國(guó)遼寧沿海地

8、區(qū)，軟土地層由海積和海陸交錯(cuò)重疊構(gòu)成。以往實(shí)踐表明，該區(qū)的公路建設(shè)必須重視軟土路基的處理，否則極易出現(xiàn)路面開裂、傾斜、凹凸不平甚至出現(xiàn)塌陷。地層主要由四種土體構(gòu)成，地層由上至下依次為粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土，分別編號(hào)為①②③④，具體參數(shù)見表2，本文利用有限差分軟件對(duì)某一沿海軟土路基場(chǎng)地進(jìn)行堆載流變分析，堆載土體采用砂土，其相關(guān)參數(shù)如表3。3.1路基堆載模擬數(shù)值模型按照表中數(shù)據(jù)進(jìn)行編程計(jì)算，邊界條件[6]為：模型底部固定

9、，無(wú)位移速度，模型側(cè)面邊緣限制水平向位移，允許豎直運(yùn)動(dòng)，模型上表面為自然地面，不加任何約束；土體的堆載方式以分層堆載，每一層堆載1m，待計(jì)算最大不平衡力至1e5時(shí)，進(jìn)入下一層的堆載。模型計(jì)算過(guò)程中，先模擬自然土層在未堆載前的應(yīng)力平衡狀態(tài)，而后再進(jìn)行上部土層的堆載，同時(shí)記錄模型中應(yīng)力應(yīng)變的發(fā)展變化。表??土體參數(shù)土層KMPaG1MPaG2MPaG3MPa??MPad??MPad??MPad?()ckPa?(gcm3)①3.52.586.7

10、30071073.557813.63.31.9②2.81.578.82736406052514.921.87③2.81.878.827364366.852514.93.41.84④5.53712505806047023.55.81.89表3堆載土體參數(shù)堆載土體泊松比變形模量E0MPa體積模量KMPa剪切模量GMPa內(nèi)摩察角φ()粘聚力ckPa密度(gcm3)砂土0.35.44.52.1284.52.0路基堆載為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，應(yīng)力應(yīng)變也滿足對(duì)