风积沙工程稳定性分析与评价

路基的强度和稳定性是影响路面结构的主要因素，压实标准高，才能保证路基的强度和稳定性，一方面加强路基土强度，另一方面能降低在车辆荷载不断作用下的永久变形，也可对路面过早出现车辙、坑槽等病害起到预防的作用。不过，当路基在施工过程中，局部压实度常不满足规范要求，若处治延迟则会使路基产生不均匀沉降，导致裂纹及沉陷。对行车安全产生不利影响，并使路面使用寿命减小。本节运用有限元软件ANSYSWorkbench对不同压实度路基在行车荷载作用下的沉降规律进行分析。

8.1.6.1　车辆动荷载作用下建立路基路面有限元模型

在路面结构的水平方向及垂直方向为有限，运用离散方法处理三维实体单元，并在非对称的横断面采取完全约束，在对称面上对垂直于对称面方向的位移为有限，底端完全约束，面层表面为自由面，无约束。根据路基密度、弹性波传播速度以及路基弹性模量三者的相互关系，可得

弹性模量E和剪切模量G随着密度的不同而不同。孔隙度与密度ρ成反比，当密度增大时，E和G也变大，并且增大速率比密度的大。通过上式，针对不同的压实度，可得出相应的弹性模量E以及剪切模量G。具体材料参数见表8-8。采用标准双轮轴载100kN，轮压为0.707MPa。

表8-8　材料主要计算参数

8.1.6.2　沥青路面路基三维有限元模型

首先建立沙基的有限元离散模型，将沙基视为三维实体，沿宽度方向取14m（单向两车道）路基路面断面图，如图8-21所示。在面层、基层、底基层、路基、地基采用SOLID186实体单元。SOLID 186为20节点三维单元，每个节点有三个自由度，即X、Y、Z方向的平动自由度。路面按层划分网格，模型单元网格如图8-22所示。

根据路面设计规范，以双轮组单轴载100kN为标准轴载进行分析计算，及P0=10kN。为了更好地利用ANSYS模拟实际汽车荷载作用下路面的动力响应分析，采用双车道两辆车对路面施加荷载，每辆车为4轮组车辆，共10个加载面，每个加载面面积为0.723L×0.723L，这样荷载作用时动态响应的叠加效果较明显，因此进行路基路面动力响应分析时，从整体上分析动态响应的趋势和变化规律。轮载作用如图8-23和图8-24所示。

图8-21　路基整体模型

图8-22　路基路面模型单元网格划分

图8-23　添加地基

图8-24　添加车轮轮胎对底面的压强

8.1.6.3　不同路基压实度下路面沉降分析

如图8-25～图8-31所示，对整个模型，针对不同的路基平均压实度，分别给出了路基材料变形云图和路基材料应力图。第一组为压实度90%，第二组为压实度94%，第三组为压实度98%。(www.xing528.com)

图8-25　第一组路基材料变形云图

图8-26　第一组路基材料应力云图

图8-27　第二组路基材料变形云图

图8-28　第二组路基材料应力云图

图8-29　第三组路基材料变形云图

图8-30　第三组路基材料应力云图

图8-31　不同压实度路基路面变形值图

通过对风积沙地基最大变形和最大应力的整理可得到图8-32、图8-33。

图8-32　地基最大变形趋势图

图8-33　地基最大应力折线图

不同路基压实度条件下路基的沉降位置不同，最大沉降发生在与车轮接触的面层和次层上，靠近后垂直面，最后从图8-32可以看出，地基的最大沉降随着压实度的增加而减小，并且随着循环次数的增加呈现变形越来越大的趋势。在车辆荷载作用下，沙基、基层以及路面都产生变形。沙基、基层以及路面的总变形为弹性变形和塑性变形。塑性变形随着车辆荷载的作用次数而不断累积增加成为累积永久变形。对于路面来说，累积永久变形表现为车辙；路基和基层的累积永久变形即为沉降。另外从图8-33可以看出，随着压实度的增加、密度的变大，在重力作用下，结构的负荷增加，因此应力是逐渐上升的。