土工格柵加筋含地下管道的路面結(jié)構(gòu)分析

方詩圣， 李殿忠， 張 利， 洪 剛

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥市重點(diǎn)工程建設(shè)管理局，安徽 合肥 230001；3.中鐵合肥建筑市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 合肥 230041）

土工格柵加筋含地下管道的路面結(jié)構(gòu)分析

方詩圣1， 李殿忠2， 張 利3， 洪 剛1

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥市重點(diǎn)工程建設(shè)管理局，安徽 合肥 230001；3.中鐵合肥建筑市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 合肥 230041）

針對(duì)現(xiàn)有含地下管道對(duì)瀝青混凝土路面的病害現(xiàn)狀調(diào)查，文章采取土工格柵加筋措施以降低地下管道對(duì)路面的破壞影響，應(yīng)用有限元方法建立了含有土工格柵的道路結(jié)構(gòu)層力學(xué)計(jì)算模型，對(duì)土工格柵在加筋道路中合理筋位與加筋層數(shù)對(duì)路面的影響效果進(jìn)行對(duì)比分析，得出含地下管道路面結(jié)構(gòu)受力分布規(guī)律以及土工格柵在處理含有地下管道的瀝青路面的相關(guān)規(guī)律，為瀝青混凝土路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場施工及改善路面的結(jié)構(gòu)性能提供了理論參考。

土工格柵；地下管道；瀝青混凝土路面；有限元

本文基于國內(nèi)外含有地下構(gòu)造物道路的相關(guān)研究［1－3］以及瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層中加鋪土工格柵有關(guān)資料［4］的基礎(chǔ)上，針對(duì)含有地下管道的城市道路路面病害影響嚴(yán)重的現(xiàn)狀，將土工格柵鋪設(shè)在含有地下管道的路面結(jié)構(gòu)層中以防治路面危害，探索土工格柵加筋在含有地下管道的瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層中作用機(jī)理，提出符合我國現(xiàn)有節(jié)能減排的環(huán)保策略的處治路面病害的措施，為在道路路面結(jié)構(gòu)層鋪設(shè)土工格柵的設(shè)計(jì)與施工提供理論參考。

1 計(jì)算模型

1.1 土體本構(gòu)關(guān)系

彈塑性模型是土體本構(gòu)模型中發(fā)展較完善的一類模型，而其代表之一是Coulomb模型，在土力學(xué)中能給出相對(duì)合理的答案，在實(shí)際的土工工程應(yīng)用中也比較廣泛，但其屈服面具有棱角奇異性，數(shù)值計(jì)算很難順利進(jìn)行下去。D－P（Drucker－Prager）準(zhǔn)則是應(yīng)用非常廣泛的巖土材料準(zhǔn)則，而且至今仍受到研究者們的關(guān)注［5］。它能有效克服庫倫模型處理屈服面上具有棱角奇異性出現(xiàn)的弊端，材料常數(shù)的選擇上也較易取得相應(yīng)的匹配，因而在土力學(xué)中獲得了更為廣泛的應(yīng)用。因此，本文的土體本構(gòu)模型選用D－P模型作為土工格柵加筋含有地下管道的城市道路的力學(xué)結(jié)構(gòu)非線性數(shù)值求解模型，在三維路面結(jié)構(gòu)模型中，土體選取的是SOLID45。

1.2 本構(gòu)關(guān)系和有限元模型

由于土工格柵材料具有強(qiáng)度高、模量大的優(yōu)異特性，同時(shí)在受壓狀態(tài)時(shí)不起作用，但在受拉時(shí)發(fā)揮很大的功效，抗彎剛度為0的柔性加筋材料在做有限元分析時(shí)，采用薄膜Membrance41單元來模擬土工格柵，并且在其特性按鈕中設(shè)置其只受拉。

本文利用ANSYS程序提供的接觸單元來模擬土體和格柵接觸界面上的非線性特性，由于格柵剛度遠(yuǎn)大于土體，故將格柵作為目標(biāo)面，接觸面上的土體作為接觸面，通過定義相同的實(shí)常數(shù)將對(duì)應(yīng)的接觸單元和目標(biāo)單元定義為一個(gè)接觸對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土體與格柵界面上的黏結(jié)、滑移、脫離、再閉和現(xiàn)象的模擬。在三維模擬中，目標(biāo)面與接觸面選用的單元分別為Targe170和Conta173或Conta174來形成一對(duì)接觸對(duì)。本文的目標(biāo)面與接觸面分別選用Targe170單元、Conta174一對(duì)接觸對(duì)來進(jìn)行模擬，選擇好單元類型后，有限元軟件程序通過采用目標(biāo)單元和接觸單元相同的實(shí)常數(shù)號(hào)來識(shí)別接觸對(duì)［6］，以最終實(shí)現(xiàn)對(duì)土體與土工格柵間一系列的模擬。

1.3 計(jì)算結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

路基路面結(jié)構(gòu)計(jì)算采用某道路設(shè)計(jì)斷面如圖1所示，路面各結(jié)構(gòu)層的尺寸與參數(shù)如下：

上面層為細(xì)粒式密級(jí)配瀝青混合料，厚h1＝4cm，回彈模量E1＝2 000MPa；中面層為中粒式密級(jí)配瀝青混合料，h2＝5cm，E2＝1 800MPa；下面層為粗粒式密級(jí)配瀝青混合料，h3＝6cm，E3＝1 400MPa；基層為二灰穩(wěn)定碎石，h4＝30cm，E4＝1 500MPa；底基層為二灰土，h5＝25cm，E5＝500MPa；溝槽墊層土基厚度h0＝10cm，E0＝40MPa。E7為路基土的回彈模量，E8為回填材料的彈性模量。路面模型尺寸為：橫坐標(biāo)為10.0m，豎向坐標(biāo)依據(jù)管道的管徑與埋深的改變而變動(dòng)。

圖1 計(jì)算的路面結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 建立模型

通過有限元軟件AYSYS，土體采用8節(jié)點(diǎn)SOLID45單元，土工格柵采用三節(jié)點(diǎn)的 Membrance41進(jìn)行計(jì)算模擬分析；考慮汽車輪載，溝槽放坡采用1∶0.33；考慮計(jì)算資源利用與實(shí)際情況，模型采用上部密下部疏的布局，共計(jì)37 382單元。

模型結(jié)合實(shí)際工程中的邊界條件，邊界約束條件為：土基一定深度的底面設(shè)有Y方向約束，左右兩側(cè)進(jìn)行水平X方向約束，平行于行車方向的面自由變形。

計(jì)算中采用我國高等級(jí)瀝青路面典型的半剛性結(jié)構(gòu)，荷載為現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)雙圓均布軸載BZZ－100的輪載［7］，集度q＝0.7MPa，荷載的半徑δ＝0.106 5m，輪隙間距δ＝0.106 5m，雙輪中心距離3δ＝0.319 5m。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

本文分析了土工格柵加筋在含有地下管道的城市道路瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，探討路表彎沉與面層、基層和底基層各自的應(yīng)力狀況以及路面各層的應(yīng)力特點(diǎn)，目的是根據(jù)其應(yīng)力特點(diǎn)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及考慮路面各結(jié)構(gòu)層的主要技術(shù)要求和材料設(shè)計(jì)。

2.1 未鋪設(shè)土工格柵的路面彎沉結(jié)果分析

城市道路含地下主干管道的瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉的計(jì)算涉及到地下管道溝槽填土抗壓彈性模量、路基土的抗壓彈性模量、地下管道埋置深度H及地下管道直徑D4個(gè)參數(shù)。在該三維縱向計(jì)算過程中，取路基土的抗壓彈性模量為40MPa，并取地下管道溝槽填土抗壓彈性模量及地下管道埋置深度H作為變量，其余參數(shù)給定，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 路表彎沉隨不同回填土抗壓彈性模量的變化

埋深為1m的深度具有典型性，同時(shí)在實(shí)際路況中也比較普遍，因此進(jìn)一步討論土工格柵含有地下管道的路面結(jié)構(gòu)的作用具有一定的代表性。由圖2可知，路表彎沉曲線斜率在離管道中心1.0～3.5m時(shí)較大，但彎沉曲線斜率的變化量隨回填土模量增加到200～400MPa時(shí)明顯趨緩，當(dāng)達(dá)到或超過此值時(shí)，道路的路表彎沉曲線趨于平緩。由此可知，當(dāng)回填土模量小于400MPa時(shí)，路面可能因路基不均勻沉降而引起開裂，但是現(xiàn)實(shí)路況很難達(dá)到這一指標(biāo)。從圖2還可以看出，在離管道中心2.0～3.5m時(shí)曲線的變化梯度比較大，表示該區(qū)域?yàn)楸∪醪课?，因此地下管道的存在致使路面結(jié)構(gòu)在該范圍內(nèi)易出現(xiàn)病害。

2.2 鋪設(shè)土工格柵的路面結(jié)構(gòu)受力分析

本實(shí)驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)采用前述路面結(jié)構(gòu)，相關(guān)材料參數(shù)亦同，土工格柵的材料模量為6 700MPa，土工格柵加筋路面結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 土工格柵加筋路面結(jié)構(gòu)模型示意圖

圖3中虛線表示土工格柵可能鋪設(shè)的位置，q＝0.7MPa表示車輪荷載。本文分別將土工格柵鋪設(shè)在路基結(jié)構(gòu)層的上、中、下、基層結(jié)構(gòu)層下部進(jìn)行分析［3］。

在含有地下管道的城市道路中，汽車荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)層中基層的下表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大，也是路面病害的誘導(dǎo)原因所在［8］，因此本文主要討論土工格柵對(duì)路表彎沉、路面基層底部的拉應(yīng)力的改善效果。

格柵鋪設(shè)于不同的結(jié)構(gòu)層中的路表彎沉曲線如圖4所示，從圖4可以看出，加筋的路面改善路表的彎沉效果不太明顯，土工格柵鋪于瀝青層內(nèi)任何層位，對(duì)表面瀝青層的彎沉影響都是有限的，在上面層底部鋪設(shè)的情況與眾不同。這主要是由于路面汽車荷載作用在路面位置附近，載荷對(duì)路面的影響占據(jù)主導(dǎo)，而土工格柵在路面的影響表現(xiàn)相對(duì)較弱。

圖4 格柵鋪設(shè)于不同的結(jié)構(gòu)層中的路表彎沉曲線

土工格柵鋪于不同路面結(jié)構(gòu)層下路基（溝槽回填部分）頂面沿X方向的應(yīng)力分布，如圖5所示。

圖5 不同結(jié)構(gòu)層下的路基基層底X方向應(yīng)力

從圖5可以看出，為了降低基層底部的最大拉應(yīng)力，在下面層底或基層鋪設(shè)土工格柵效果相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)層更好些。文獻(xiàn)［9］對(duì)溝槽胸腔部位壓實(shí)度規(guī)定：管道上部的壓實(shí)度應(yīng)低于管側(cè)。所以，為了避免路面的荷載作用，使基層部位產(chǎn)生反射裂縫，影響到路面層表面，在含有地下管道的道路中，建議將土工格柵鋪設(shè)于基層底，可有效地改善路面結(jié)構(gòu)的受力情況，也可以防治因路基開裂引起的反射裂縫。

2.3 鋪設(shè)土工格柵層數(shù)對(duì)路面加筋效果的影響

為了探討土工格柵的加筋層數(shù)對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力的影響，路面結(jié)構(gòu)參數(shù)與以上計(jì)算模型相同，該模型的路基回填模量取200MPa，在增加土工格柵時(shí)，基于滿足施工的便利與實(shí)際情況需要，只對(duì)每層層底進(jìn)行格柵的鋪設(shè)，因此所有的格柵位置只考慮在層底的情況。

目前，對(duì)在路基中土工格柵正常鋪設(shè)的加筋層數(shù)的影響分析中，選用4種加筋方式：① 加筋下面層底；② 加筋下面層與基層底；③ 加筋下面層、基層與中面層底部；④ 加筋下面層、基層、中面層底與上面層位置的底部。將其與未加筋的路面情況進(jìn)行對(duì)比如圖6所示。

圖6 土工格柵鋪設(shè)于不同的結(jié)構(gòu)層基層底部彎沉曲線

從圖6可以看出，加筋在下面層底部后，道路的彎沉與無格柵相比降低比較明顯，可以降低7.1%，而隨著加筋層數(shù)的增加，加筋下面層與基層底部為8.5%、加筋下面層、中面層與基層底為9.2%，加筋下面層、基層、中面層與上面層底為9.7%。由此可看出，改善路面彎沉效果并不隨著層數(shù)增加相應(yīng)提高；同時(shí)說明加筋層的位置越靠基層底部，加筋作用越明顯；在基層底增加加筋層數(shù)后，主要是由于上部的格柵不能充分發(fā)揮其抗拉效果，從而造成對(duì)總的加筋效果影響變化不大。因此通過增加土工格柵的層數(shù)來減小路面彎沉、改善路面結(jié)構(gòu)的方法并不是最佳方案。

不同的格柵鋪設(shè)層數(shù)對(duì)路表層拉應(yīng)力如圖7所示，由圖7可以看出，鋪設(shè)格柵可以改善路面受力狀況，但是如果格柵鋪設(shè)不合理，反而不利，其次增加鋪設(shè)格柵達(dá)到一定的層數(shù)后，路面的受力狀況并沒有相應(yīng)地倍加改善，所以該方法并不是提高路面狀況的理想選擇。

圖7 不同的格柵鋪設(shè)層數(shù)對(duì)路表層拉應(yīng)力

3 結(jié)束語

通過有限元軟件ANSYS對(duì)路面進(jìn)行建模，對(duì)土工格柵加筋含有地下管道的瀝青路面多種工況進(jìn)行分析研究，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得出如下結(jié)論：

（1）在含有地下管道的瀝青混凝土路面，汽車荷載作用下，將土工格柵鋪設(shè)在道路結(jié)構(gòu)層任何一層，對(duì)中面層下的應(yīng)力影響不大，但是當(dāng)布置于下面層或基層底部時(shí)，均能明顯降低瀝青基層的最大拉應(yīng)力，起到的效果顯著。

（2）由于相關(guān)規(guī)范要求管頂?shù)膲簩?shí)度需低于管側(cè)，而將格柵布置于基層底部時(shí)只有降低此層最大拉應(yīng)力，對(duì)其他層的作用發(fā)揮不大。建議將格柵鋪設(shè)在下面層底部，從而可以使路面基層內(nèi)部的拉應(yīng)力區(qū)域逐漸趨于緩和，總體上使路面處于較為有利的狀態(tài)。

（3）應(yīng)力計(jì)算表明，應(yīng)力變化最大梯度區(qū)域位于溝槽延長線至面層的外側(cè)一定范圍（2.0～3.5m），該區(qū)域也恰是含有地下管的道路頻繁出現(xiàn)病害的區(qū)域，因此，需要對(duì)含有地下管道的城市道路在施工過程中進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。這樣可以將其應(yīng)力進(jìn)行分散，降低應(yīng)力值，減小應(yīng)力梯度的數(shù)值，使路面結(jié)構(gòu)層處于較為有利的應(yīng)力狀態(tài)。

（4）土工格柵的位置與底基層距離接近時(shí)，可相對(duì)較早地抑制裂縫發(fā)展的效果。

（5）布置多層格柵在一定程度上減小彎沉與應(yīng)力，但是并不隨著層數(shù)的增加，效果相應(yīng)地加倍，同時(shí)如果加筋層數(shù)鋪設(shè)位置不合適，會(huì)起到相反的作用，基于道路設(shè)計(jì)的性價(jià)比與施工的便利，建議鋪設(shè)1層即可。

本文對(duì)地下管道的存在對(duì)路面結(jié)構(gòu)影響受力分布規(guī)律與范圍以及土工格柵加筋道路結(jié)構(gòu)的加筋層位與加筋層數(shù)對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)性能的影響作了初步的分析，詳細(xì)的結(jié)果以及更準(zhǔn)確的定量研究應(yīng)該建立在完整的道路試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)此有待今后詳細(xì)討論。

［1］方詩圣，李宏卓，李賀才.城市道路地下管道對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)影響的力學(xué)分析［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，34（4）：561－564.

［2］鄭俊杰，劉元林，陳艷芳.地下通道開挖對(duì)瀝青路面影響分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2009，33（3）：434－437.

［3］薛連旭.小型構(gòu)造物上瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究［J］.中外公路，2008，28（5）：74－78.

［4］楊維國.瀝青路面加鋪格柵加筋合理層位研究［D］.西安.長安大學(xué)，2008.

［5］孫豁然，王述紅，宮永軍.大型地下洞室開挖過程位移變形智能預(yù)測［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2001，26（1）：45－48.

［6］毛堅(jiān)強(qiáng).接觸問題的一種有限元計(jì)算方法及其在巖土工程中的應(yīng)用［D］.成都：西南交通大學(xué)，2002.

［7］JTGD50－2006，瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［8］方詩圣，張 利，康小方.含有地下管道的瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析［J］.路基工程，2011（6）：1－4.

［9］GB 50268－2008，給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范［S］.

Analysis of geogrid－reinforced pavement structure with underground pipeline

FANG Shi－sheng1， LI Dian－zhong2， ZHANG Li3， HONG Gang1

（1.School of Civil and Hydraulic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Hefei Administrative Bureau of Key Engineering Project，Hefei 230001，China；3.China Railway Hefei Institute of Architectural and Municipal Engineering Design Co.，Ltd.，Hefei 230041，China）

Based on the investigation of deterioration status of the asphalt concrete pavement which contains underground pipeline，geogrid is used to reduce the destructive effect of underground pipeline on the pavement.By using the finite element method，a mechanical calculation model of pavement structural layer with geogrid is established and the effect of reasonable reinforcement placement and layer number of geogrid on the pavement is analyzed.The stress distribution law of the pavement structure with the underground pipeline is obtained，so is the law of the geogrid in treating the asphalt concrete pavement with underground pipeline.The study provides a theoretical reference for the structural design and on－site construction of asphalt concrete pavement and the improvement of structural performance of the pavement.

geogrid；underground pipeline；asphalt concrete pavement；finite element

TU416.217

A

1003－5060（2012）11－1528－05

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.11.021

2012－02－21

合肥市重點(diǎn)工程建設(shè)管理局科技資助項(xiàng)目（［2008］169）

方詩圣（1962－），男，安徽岳西人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 閆杏麗）