季节性浸水路基变形模拟及变形协调设计

发布时间：2020-07-18 05:32

【摘要】：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。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U418.5
【图文】：

要么季节性浸水，路基干湿状况变化幅度大。（a） （b）图1.1 非洲（a）柯本气候分区[1]；（b）年均降雨量图[2]路基的强度和稳定性同路基的干湿状态有很强的关联性，这将在很大程度上影响路基路面结构的设计。对于季节性浸水地区路基土，其干湿周期变化及指标衰减对整个路基路面结构体系有很大影响，会导致路面下部路基材料的压缩变形过大，从而引起路面结构的破坏。在季节性浸水地区，降雨量大且相对集中。雨水首先会通过边坡进入路基内部，影响路基的干湿状况，进而影响路基的强度与稳定性。当路基排水设施设置不当，或降雨量大于其排水能力时，会导致雨水在路基两侧汇集，引起路侧水位变化。路侧水位的升降及各种极端工况将引起的路基内部水分迁移，对路基安全不利。因此，要求路基路面结构具有完备的排水设计

（a）（b）图1.2 （a）有；（b）无路基排水层路基孔压云图何要超[12]利用非饱和有限元渗流分析软件 SEEP/W 对降雨条件下高速公路渗流场进行了分析，对级配碎石排水层及中央分隔带排水能力进行了评估。模拟试验考察了不同排水层材料的饱和渗透系数、初始地下水位位置、包含不同面层材料的路面结构及路表裂缝对于其排水性能的影响。另外还探究了中央分隔带渗沟的适应性。结果表明设置渗沟的中央分隔带显著提高了中央分隔带排水性能，可以快速排出中央分隔带积水。针对路基中含水量过大以及毛细水上升进入路面结构的问题，郝磊[13]采用室内毛细水试验与数值模拟结合的方法研究了设置于路基内部的碎石排水层对于阻隔毛细水上升、降低路基内部含水量的影响。结果表明，随着级配碎石的粒径的增大，其毛细水上升的高度逐渐降低，即排水性能增强，当碎石层厚度达到 40cm 时，即可以满足阻隔毛细水上升的需求。图 1.3 所示即为路基碎石排水层示意图。图1.3 路基碎石排水层示意图目前，对于排水设施数值模拟的研究对象主要集中在路基排水层及路面结构边缘排水系统

升的高度逐渐降低，即排水性能增强，当碎石层厚度达到 40cm 时，即可以满足阻隔毛细水上升的需求。图 1.3 所示即为路基碎石排水层示意图。图1.3 路基碎石排水层示意图目前，对于排水设施数值模拟的研究对象主要集中在路基排水层及路面结构边缘排水系统，较多关注排水设施对于路面结构水分的排除，而较少关注路基本身。另外，现有的关于排水设施的数值模拟，大多将降雨作为路基路面结构水分的主要来源，将降雨

【参考文献】

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本文编号：2760486