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【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對軟土路基在堆載過程中的流變變形進行分析，通過Flac3d提供的二次開發(fā)程序接口將改進的西元模型進行程序?qū)崿F(xiàn)，并嵌入Flac3d中計算不同高度堆載及堆載時間對軟土流變變形的影響，用于預測路基頂面沉降，指導工程實際?！娟P(guān)鍵詞關(guān)鍵詞】路

2、基，軟土，堆載，流變，二次開發(fā)0前言前言我國經(jīng)濟的高速發(fā)展對交通運輸能力提出了更高的要求，直接刺激了交通運輸發(fā)展。二十世紀我國的交通運輸業(yè)進入了一個海、陸、空全速發(fā)展的鼎盛時期，其中陸路交通發(fā)展最為迅猛，從洲際公路到高等級公路再到城鄉(xiāng)公路，大范圍的公路建設(shè)需要過硬的技術(shù)理論做支撐。我國地域變化復雜，環(huán)境差異較大，工程地質(zhì)迥異，尤其是在沿海發(fā)達地區(qū)，該地區(qū)土壤多是軟土，土體承載力較低，因此在進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)場路基堆載[1]時的實時監(jiān)測，控制堆載速度及堆載臨界高度，但目前的研究對于土體的堆載沒有形成一個具有廣泛知道意義的理論。本文利用Flac3D軟件對路基在堆載過程中的流變變形進行數(shù)值模擬計算，并與工程實例進行驗證，探尋路基堆載臨界高度[1]的規(guī)律性，并用于實際工程的指導。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，前人通過大量的室內(nèi)試驗總結(jié)出土體材料的應力變形

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]，當考慮土體變形的時間效應時，土體會產(chǎn)生蠕變變形。以增量形式表示為公式1：（1）ijepcijijijdddd???????式中——總應變增量，——ijd?ijed?彈性應變增量，——塑性應變增量，pijd?——蠕變應變增量。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)展時間過長，對土體總變形的影響較小，在工程實際應用中一般不予考慮。其破壞準則可表示為：

5、（2）ssincos=0mc???式中：s——最大剪應力；——平m?均法向應力；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ITA公司推出后，已成為目前巖土力學計算中的重要數(shù)值計算軟件之一。該程序適用于模擬三維土體、巖體或其他材料的力學特性，尤其是達到屈服極限時的塑性流變特性，在實際巖土工程的數(shù)值計算中應用廣泛。軟件中對土體變形的理論計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，不因塑性應變而改變，在屈服面以內(nèi)的點，表示所受應力變形為彈性變形。模型的定義參數(shù)共有六個：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、抗拉強度σ。土體的體積模量K和切變模量G不能通過土樣室內(nèi)試驗直接求得，而彈性模量E可以通過室內(nèi)試驗3???????vpijijHFg其中為一個開關(guān)函數(shù)，F(xiàn)為屈服函HF數(shù)，g為勢函數(shù)。000??????FFHFF根據(jù)前面各元件的差分

7、格式可以推導出改進西元模型的應力更新方程：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口的某項公路路基施工現(xiàn)場工況，利用Flac3D有限差分軟件的自定義本構(gòu)模型，對路基堆載對土體流變變形的影響過程進行模擬。該工程位于我國遼寧沿海地

8、區(qū)，軟土地層由海積和海陸交錯重疊構(gòu)成。以往實踐表明，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，分別編號為①②③④，具體參數(shù)見表2，本文利用有限差分軟件對某一沿海軟土路基場地進行堆載流變分析，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)進行編程計算，邊界條件[6]為：模型底部固定

9、，無位移速度，模型側(cè)面邊緣限制水平向位移，允許豎直運動，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，待計算最大不平衡力至1e5時，進入下一層的堆載。模型計算過程中，先模擬自然土層在未堆載前的應力平衡狀態(tài)，而后再進行上部土層的堆載，同時記錄模型中應力應變的發(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路基堆載為對稱結(jié)構(gòu)，應力應變也滿足對