基于不同拓寬模式下路基不均勻沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)層的響應(yīng)分析

王惠勇，朱曉寧

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210017；2.新型道路材料國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，南京 211112)

?

基于不同拓寬模式下路基不均勻沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)層的響應(yīng)分析

王惠勇1，2，朱曉寧1

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210017；2.新型道路材料國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，南京 211112)

考慮不均勻沉降與行車荷載的綜合作用對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，采用理論解和有限單位法對(duì)比計(jì)算分析了雙側(cè)拓寬、單側(cè)拓寬兩種不同的不均勻沉降模式下道路的差異沉降指標(biāo)以及拉應(yīng)力的分布變化規(guī)律，得到了不同沉降模式下差異沉降指標(biāo)以及路面結(jié)構(gòu)層裂縫產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理,為相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂以及類似高等級(jí)公路改擴(kuò)建工程施工質(zhì)量控制提供借鑒參考。

單側(cè)拓寬；雙側(cè)拓寬；沉降變形；差異沉降指標(biāo)；附加拉應(yīng)力

0 引 言

在軟土地基上修筑高等級(jí)公路，最顯著的特點(diǎn)是軟土地基將發(fā)生固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降，而且沉降的發(fā)生是不均勻的。由于不均勻沉降導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層中產(chǎn)生附加應(yīng)力，如果這種附加應(yīng)力和車輛荷載產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力之和大于路面結(jié)構(gòu)層的容許強(qiáng)度，則路面結(jié)構(gòu)層將發(fā)生破壞，如路面的沉陷、縱橫向裂縫等。很多資料表明，軟土地基上路基的不均勻沉降都使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較嚴(yán)重的早期破壞。

目前，我國(guó)現(xiàn)行的路面設(shè)計(jì)規(guī)范主要考慮了行車荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力的影響，尚未考慮路基不均勻沉降所引起的路面結(jié)構(gòu)層的附加應(yīng)力[1]；本文將考慮不均勻沉降與行車荷載的綜合作用對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算分析雙側(cè)拓寬、單側(cè)拓寬兩種不均勻沉降模式下道路的差異沉降指標(biāo)和不同結(jié)構(gòu)層內(nèi)部應(yīng)力的分布規(guī)律。

1 不同拓寬模式下路基不均勻沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

1.1 雙側(cè)拓寬不均勻沉降引起的路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力

先應(yīng)用彈性力學(xué)理論對(duì)路基不均勻沉降引起的路面結(jié)構(gòu)層中附加應(yīng)力進(jìn)行多層路面結(jié)構(gòu)體系解析解分析，并用有限元分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[2-4]，從路基路面結(jié)構(gòu)性能要求方面，求解軟土地基上高等級(jí)公路的容許不均勻沉降，以保證路面結(jié)構(gòu)在使用年限內(nèi)不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，確保路面的正常使用。

1.1.1 不均勻沉降分布模式

在路基的橫斷面方向，路基中心沉降量大，兩側(cè)沉降量較小，可用余弦曲線方程[5]擬合，見(jiàn)式(1)。

δ=δmaxcos(πx/B)

(1)

式中:δmax為路堤中點(diǎn)最大工后沉降量；B為拓寬后全幅路基寬度。

1.1.2 計(jì)算模型

由于高等級(jí)公路常用的路面結(jié)構(gòu)為半剛性基層瀝青路面，典型結(jié)構(gòu)為四層體系， 故在分析中考慮四層體系(可為多層體系)，面層為瀝青混合料，基層、底基層為半剛性材料以及土基，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 附加應(yīng)力計(jì)算模型

計(jì)算中采用如下假定:

(1)路面各結(jié)構(gòu)層為連續(xù)均質(zhì)、各向同性線彈性材料，力學(xué)特性用彈性模量E和泊松比μ表征；

(2)路面各結(jié)構(gòu)層在垂直方向完全連續(xù)，即路基不均勻沉降隨使用時(shí)間緩慢增長(zhǎng)，路面各結(jié)構(gòu)層在交通荷載與自重作用下隨之下沉，層間不會(huì)出現(xiàn)

脫空現(xiàn)象；瀝青面層、基層和底基層間為連續(xù)接觸條件，考慮到底基層材料與路基之間變形的不協(xié)調(diào)性，其層間處理為光滑接觸條件；

(3)均勻的路基下沉對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響不大，故只考慮不均勻沉降引起的附加應(yīng)力；

(4)按平面應(yīng)變問(wèn)題分析。

1.1.3 計(jì)算參數(shù)的選取

路面結(jié)構(gòu)層計(jì)算參數(shù)取自312國(guó)道滬寧段拓寬改建工程。路面結(jié)構(gòu)層總厚度為74cm，原路堤寬度15m，老路肩開(kāi)挖寬度為1.5m，雙側(cè)拓寬各8m，拓寬后寬度為28m，材料參數(shù)取值如表1所示。

表1 路面各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)

其中，h為路面結(jié)構(gòu)分層厚度；E為路面彈性模量；μ為泊松比；σsp為路面結(jié)構(gòu)層的劈裂強(qiáng)度。

1.1.4 計(jì)算分析與結(jié)論

通過(guò)計(jì)算分析,可以得到雙側(cè)拓寬模式在不均勻沉降作用下路面結(jié)構(gòu)層中附加應(yīng)力的變化，如圖2以及表2所示。

圖2 不均勻沉降對(duì)應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)層受力圖(拉應(yīng)力為負(fù)值、壓應(yīng)力為正值)

由于在不均勻沉降的作用下，路面面層處于受壓狀態(tài)，所以不會(huì)發(fā)生拉裂破壞，故表2中未列出面層中附加應(yīng)力的數(shù)值。

表2 未考慮汽車荷載下路面結(jié)構(gòu)層中附加拉應(yīng)力 (單位：MPa)

當(dāng)考慮汽車荷載的作用(p=0.7MPa，δ=10.65cm)時(shí)，路面結(jié)構(gòu)層中所受到的應(yīng)力情況如表3所示。

表3 考慮汽車荷載下路面結(jié)構(gòu)層中總應(yīng)力 (單位：MPa)

從表2、表3綜合可以看出：

(1)不均勻沉降量從4cm增加到8cm，無(wú)論是否考慮汽車荷載的影響，解析解、有限元解均十分接近，這也驗(yàn)證了兩種分析方法的可靠性。

(2)對(duì)于雙側(cè)拓寬，瀝青面層均處于受壓狀態(tài)，基層與底基層均受到附加拉應(yīng)力的作用，不均勻沉降作用下裂縫的發(fā)展形態(tài)為“down-top”型。

(3)考慮汽車荷載時(shí)，當(dāng)不均勻沉降數(shù)值超過(guò)7.0cm時(shí)，底基層底面的拉應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)了其自身的劈裂強(qiáng)度，底基層將會(huì)產(chǎn)生拉裂破壞；因此，可以認(rèn)為容許不均勻沉降為7.0cm，此時(shí)的路面橫坡改變?yōu)?.07/14=5‰。

1.2 單側(cè)拓寬不均勻沉降引起的路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力

1.2.1 不均勻沉降分布模式

對(duì)于單側(cè)拓寬工程而言，在原有路堤荷載作用下，地基固結(jié)已經(jīng)基本完成，在其一側(cè)加寬擴(kuò)建時(shí)，工后沉降最大值將發(fā)生在加寬部分形心附近，附加沉降分布曲線近似可以采用式(2)來(lái)擬合[5-7]。

(2)

其中： B為拓寬后全幅路面寬度； x0為工后沉降最大值點(diǎn)離老路左側(cè)邊緣的距離； a0、a1為采用余弦曲線擬合的系數(shù)。

1.2.2 計(jì)算模型

利用平面八結(jié)點(diǎn)等參數(shù)單元程序，采用彈性力學(xué)平面應(yīng)變有限元進(jìn)行分析。 其中，模型中有限元網(wǎng)格中共選用了114個(gè)單位，425個(gè)結(jié)點(diǎn)(對(duì)于工后沉降較大值附近適當(dāng)?shù)丶用苡邢拊W(wǎng)格)。坐標(biāo)軸的原點(diǎn)0定在底基層底面左側(cè)邊緣，x坐標(biāo)向右為正，y坐標(biāo)向上為正，見(jiàn)圖3所示。 材料參數(shù)取值如表1所示。

圖3 有限單元網(wǎng)格劃分及其變形網(wǎng)格圖

1.2.3 計(jì)算分析與結(jié)論

通過(guò)計(jì)算分析,可以得到單側(cè)拓寬模式在不均勻沉降作用下路面結(jié)構(gòu)層中附加應(yīng)力的變化，如圖4以及表4所示。

圖4 不均勻沉降對(duì)應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)層受力圖(拉應(yīng)力為負(fù)值、壓應(yīng)力為正值)

從圖4可看出，隨著不均勻沉降值的變化，距老路左側(cè)邊緣0～9.25m之間，瀝青面層和上基層大部分受拉，下基層和底基層處于受壓狀態(tài)；距老路左側(cè)邊緣9.25m～27.25m之間，面層和上基層基本受壓，下基層和底基層處于受拉狀態(tài)。

表4 不均勻沉降作用下路面結(jié)構(gòu)層中附加拉應(yīng)力 (單位：MPa)

通過(guò)分析，汽車荷載的作用下所受的附加拉應(yīng)力(<0.01MPa)相對(duì)不均勻沉降產(chǎn)生的附加應(yīng)力來(lái)說(shuō)很小，可以忽略不計(jì)，故各結(jié)構(gòu)層的附件應(yīng)力可近似按表4來(lái)考慮。

從圖4和表4綜合可以得出：

(1)對(duì)于單側(cè)拓寬，有兩種不同的裂縫發(fā)展方式：當(dāng)?shù)谆鶎拥撞肯冗_(dá)到其容許抗拉強(qiáng)度時(shí)，將出現(xiàn)“down-top”傳統(tǒng)型的縱向裂縫；而當(dāng)面層先達(dá)到其容許抗拉強(qiáng)度時(shí)，將出現(xiàn)“top-down”的縱向裂縫。

(2)無(wú)論是否考慮汽車荷載，當(dāng)不均勻沉降值超過(guò)6.47cm時(shí)，底基層底面的拉應(yīng)力都將可能超過(guò)其自身的劈裂強(qiáng)度，路面結(jié)構(gòu)層將會(huì)產(chǎn)生拉裂破壞；路面容許的差異沉降率為0.065/19.18=3.4‰。

2 結(jié) 語(yǔ)

(1)在不影響路面結(jié)構(gòu)性能的條件下，對(duì)于雙側(cè)拓寬工程，容許的差異沉降值為7cm，差異沉降坡率為5‰；對(duì)于單側(cè)拓寬工程，容許的差異沉降值為6.47cm，差異沉降坡率值為3.4‰，否則路面會(huì)因抗拉能力不足而出現(xiàn)拉裂破壞。

(2)對(duì)于雙側(cè)拓寬，不均勻沉降對(duì)基層與底基層均可能產(chǎn)生較大的附加拉應(yīng)力，瀝青面層基本處于受壓狀態(tài)，結(jié)構(gòu)層內(nèi)部主要產(chǎn)生“down-top”型的縱向裂縫。

(3)對(duì)于單側(cè)拓寬工程而言，不均勻沉降對(duì)面層頂面、基層頂面與底基層底面均可能承受較大的附加拉應(yīng)力的作用，將可能產(chǎn)生兩種不同的裂縫發(fā)展型式：當(dāng)?shù)谆鶎拥撞肯冗_(dá)到其容許抗拉強(qiáng)度時(shí)，將出現(xiàn)“down-top”的縱向裂縫；而當(dāng)面層先達(dá)到其容許抗拉強(qiáng)度時(shí)，將出現(xiàn)“top-down”的縱向裂縫。

[1] 江蘇省交通廳公路局，江蘇省交通科學(xué)研究院.312國(guó)道滬寧段拓寬改造路基拼接技術(shù)研究[R].南京：江蘇省交通科學(xué)研究院，2007.

[2] 徐芝綸.彈性力學(xué)[M].北京: 高等教育出版社，1990.

[3] 蔣維城.固體力學(xué)有限元分析[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1989.

[4] 朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1998.

[5] 錢勁松.新老路基不協(xié)調(diào)變形及控制技術(shù)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2004.

[6] 賈寧.軟土地基高速公路拓寬的沉降性狀及處理應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2004.

[7] 章定文.軟土地基上高速公路擴(kuò)建工程變形特性研究[D].南京：東南大學(xué)，2004.

Analysis of the Impact on Pavement Structure Caused by Roodbed Uneven Settlement Under Different Widening Modes

WANG Hui-yong1，2, ZHU Xiao-ning1

(1.Jsti Group, Nanjing 210017,China;2. National Engineering Laboratory for Advanced Road Materials, Nanjing 211112,China)

Considering the influence of uneven settlement and traffic load on the pavement structure, the calculation and analysis of the broaden the bilateral and unilateral broaden two different uneven settlement difference of high grade highway in the mode of settlement index and stress field variation. We conclude that the different settlement mechanism produces pavement longitudinal crack mode, and the results present reference and information to the revision of relevant design specification and other highway extension construction.

single-direction widening; double-direction widening; settlement deformation; differential settlement index; additional stress

2016-09-22

江蘇交通科技項(xiàng)目(05GK-02)

王惠勇(1979-)，男，湖北浠水人，高級(jí)工程師，碩士，E-mail：why@jsti.com。

U416.01

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2016.03.003

1671-234X(2016)03-0011-04

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，第17卷第3期，2016年9月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.17 No.3,Sep.2016