季节性浸水路基变形模拟及变形协调设计

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非洲及东南亚典型热带雨林地区干湿季交替:雨季雨量充沛、降雨集中,地下水位高、土壤含水率高;旱季降雨量骤降,地下水位降低。水位波动下,此类地区路基或面临季节性积水入渗问题,湿度状况堪忧。另一方面,此类地区各类软土分布广泛,腐殖质土、泥炭土、淤泥、淤泥质土等构成了复杂的软基层。该地区路基普遍存在沉降较大、不均匀变形等问题,给路基路面结构的设计、施工带来挑战。本文旨在从控制路基积水入渗、降低不均匀变形、路基路面变形协调设计的角度,降低季节性浸水路基积水入渗影响,为该地区路面结构设计提供切实可行的解决方案。首先,对季节性浸水路基渗流场及防排水措施开展数值模拟研究。基于非饱和土渗流理论,通过Abaqus有限元软件建立了路基渗流分析模型。分析了粘土、粉土、砾石三种不同渗透性路基填料对路基边坡积水入渗影响。通过路基平均稠度指标对边坡防护、碎石排水层、渗沟防排水效果进行了评价。结果表明:低渗透性粘土路基的积水入渗具有最大的“滞后性”,路基内浸润线变化幅度最小;浅埋和深埋渗沟可分别将路基湿度控制在中湿和干燥状态。对于季节性浸水路基,应当优先使用低渗透性路基填料,并综合使用边坡防护措施与渗沟。其次,通过数值手段对季节性浸水路基变形规律进行研究。基于Abaqus有限元软件建立了土体沉降变形计算模型。通过UMAT子程序实现修正后的边界面本构模型,并将其应用于表层软土以反映其干湿循环下的塑性累积变形。分析了单双侧浸水条件,0.5m、1m、2m三种换填厚度,粘土、砂土两种换填材料以及钢筋混凝土方桩对路基变形的影响。结果表明:季节性浸水路基顶面呈现典型“弯盆状”差异沉降,竖向和水平位移随时间周期性波动;以0.37%为差异沉降控制指标时,2m厚粘土或1m厚砂土换填即可以有效处治浅层软基差异沉降问题,但砂土换填会增大路基变形波动幅度;较深软基(8m)采用钢筋混凝土方桩处治后,路基顶面中心沉降值仅0.94cm,沉降坡差0.06%。对于季节性浸水路基,浅层厚度软土优先推荐使用粘土材料换填,深厚软土须采用钢筋混凝土方桩处治。最后,基于季节性浸水路基变形规律,以变形协调为原则进行路面结构设计。制定了季节性浸水路基路面结构变形协调设计流程。基于Abaqus有限元软件对不同路面结构施加动态差异沉降,确定季节性浸水路基差异沉降最不利时刻附加力学响应值。通过对轮载下及差异沉降最不利时刻路面结构力学响应进行叠加,对倒装式基层沥青路面结构、半刚式基层沥青路面结构、组合式基层沥青路面进行了差异沉降适应性评价及结构优化。结果表明:组合式基层及优化的倒装式基层沥青路面结构可以适应最大0.55%差异沉降。组合式基层沥青路面结构差异沉降适应能力强,路面结构总体厚度最小,应当作为季节性浸水地区路面结构优选方案。
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