路基不均勻沉降對瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響

孫麗娟　蘇丹娜　劉兵偉

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，河南　鄭州　450052；2.河南省交院工程加固檢測有限公司，河南　鄭州　450052）

路基不均勻沉降對瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響

孫麗娟1蘇丹娜1劉兵偉2

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，河南鄭州450052；2.河南省交院工程加固檢測有限公司，河南鄭州450052）

本論文采用ABAQUS軟件分析了地基的不均勻沉降量對瀝青路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力分析。通過計算分析認(rèn)為隨著地基不均勻沉降量的增加，路面各結(jié)構(gòu)層的水平附加應(yīng)力呈現(xiàn)增加的趨勢；路基的不均勻沉降量對面層豎向附加應(yīng)力值影響較小，但是對基層和底基層層底豎向附加應(yīng)力值影響較大。在設(shè)有底基層的半剛性基層層底拉應(yīng)力較無底基層的小，因此，增設(shè)底基層，可降低路基不均勻沉降量對半剛性基層層底最大拉應(yīng)力的影響。

地基不均勻沉降；瀝青路面；附加應(yīng)力

在公路工程中，會經(jīng)常由于路基壓實度不夠或者路基回填不密實，路基會產(chǎn)生不均勻沉降，本文所分析的路基不均勻沉降為橫向沉降差異，會導(dǎo)致路面平整度，使路面橫向排水坡度受到影響［1］。由于路基的不均勻沉降將會在路面結(jié)構(gòu)層中產(chǎn)生附加應(yīng)力，在車輛荷載與溫度荷載的共同作用下，會使路面結(jié)構(gòu)層破壞加速，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層在車輛反復(fù)荷載作用下產(chǎn)生長大、縱向開裂，并伴隨著路面車轍、沉陷等損壞，嚴(yán)重影響路面結(jié)構(gòu)的使用性能。文獻(xiàn)［2］以解析解的形式詳細(xì)分析了軟土地基上路面結(jié)構(gòu)參數(shù)對路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力的影響，分析中認(rèn)為，基層厚度增加時，路面各結(jié)構(gòu)層的附加應(yīng)力均增加，故在設(shè)計當(dāng)中，以增加基層厚度來降低不均勻沉降所產(chǎn)生的附加應(yīng)力的做法不可取。文獻(xiàn)［3］研究認(rèn)為采用半剛性基層瀝青路面具有消散具有應(yīng)力消散能力，適應(yīng)于軟土地基的合理瀝青路面結(jié)構(gòu)。

1　數(shù)值計算模型

本文中采用有限元分析軟件ABAQUS軟件，建立有限元模型，進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。在分析當(dāng)中，假設(shè)路面結(jié)構(gòu)層為彈性多層體系，各路面結(jié)構(gòu)層為完全接觸狀態(tài)，按平面應(yīng)變問題來進(jìn)行分析，并考慮分析了碎石穩(wěn)定底基層對地基不均勻沉降的影響。

1.1模型幾何尺寸

瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)有限元模型中路面寬度為16.75m，上面層厚度取5cm，下面層厚度7cm，基層考慮半剛性基層材料，厚度取35cm，底基層厚度取20cm的水泥穩(wěn)定碎石。其模型結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1　附加應(yīng)力計算模型

1.2材料參數(shù)

有限元模型中的材料參數(shù)見表1。面層、基層和墊層的材料參數(shù)如下表所示。

表1　瀝青混凝土結(jié)構(gòu)模型主要材料參數(shù)

經(jīng)過實踐驗證和計算分析，路基不均勻沉降在路面的橫斷面往往會引起反拱變形，即路基中心沉降大，兩側(cè)小，可用二次拋物線或余弦曲線方程控制，如余弦曲線的方程為［2］：

式中，δmax為路堤中點最大沉降量；B為路面寬。

本次計算模型中，瀝青路面的局部不均勻沉降假設(shè)為沿線路中線對稱發(fā)生，沉降半徑分別為1m、2m、3m、4m、5m，計算不均勻沉降量δmax在1cm、3cm、5cm、7cm、9cm變化范圍內(nèi)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部響應(yīng)，主要計算最不利位置處的應(yīng)力應(yīng)變情況。

2　計算結(jié)果分析

圖2　面層、基層和底基層的附加應(yīng)力σx

有圖2可知，面層、基層和底基層的附加應(yīng)力隨著不均勻沉降量的增加呈線性增加，而且底基層層底的水平附加應(yīng)力隨著地基不均勻沉降量值的增加而變化幅度較小。上面層層底的附加水平應(yīng)力隨著地基不均勻沉降量的增加較下面層層底的水平附加應(yīng)力值大。

圖3　面層、基層和底基層的附加應(yīng)力σy

由圖3可知，隨著地基不均勻沉降量的增加，基層和底基層層底產(chǎn)生較大的豎向附加應(yīng)力值，而且其豎向附加應(yīng)力值增加幅度值較大；由于地基不均勻沉降，上面層層底產(chǎn)生豎向附加應(yīng)力值，而且其值隨著地基不均勻沉降值的增加而增加，但是下面層層底豎向附加應(yīng)力值很小，而且隨著地基不均勻沉降值的增加而增加緩慢。

圖4　層間的附加剪應(yīng)力τxy

由圖4可知地基的不均勻沉降對路面結(jié)構(gòu)層各層間剪應(yīng)力的影響也呈現(xiàn)線性增大；而且上面層層底的剪應(yīng)力較下面層層底剪應(yīng)力值大。

圖5　兩種情況下基層附加應(yīng)力σx

由圖5可知，在設(shè)有底基層的路基上，其半剛性基層層底的附加應(yīng)力要小于路基上沒有設(shè)底基層的情況。其主要原因結(jié)合圖2知，由于路基設(shè)有底基層，故地基在不均勻沉降過程中底基層也分擔(dān)了一部分應(yīng)力，使得半剛性基層的附加應(yīng)力減少。

3　結(jié)語

通過以上計算分析可得出如下結(jié)論：

①路面各結(jié)構(gòu)層隨著路基不均勻沉降值的增加，水平附加應(yīng)力是逐漸增加的，而且對路面結(jié)構(gòu)層層間剪應(yīng)力的影響較大。

②路基的不均勻沉降量對面層豎向附加應(yīng)力值影響較小，但是對基層和底基層層底豎向附加應(yīng)力值影響較大。

③在設(shè)有底基層和沒有設(shè)底基層的路基上，有底基層的基層底部的最大拉應(yīng)力值小于路基上沒有設(shè)底基層的基層層底拉應(yīng)力，因此，增設(shè)底基層，可降低路基不均勻沉降量對半剛性基層層底最大拉應(yīng)力的影響。

［1］廖公云，黃曉明，楊慶剛.不同路面結(jié)構(gòu)對軟基不均勻沉降的適應(yīng)性研究［J］.公路交通科技，2007，4（24）：34-38.

［2］張嘉凡，張慧梅.軟土地基路基不均勻沉降引起路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力［J］.長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003，5（3）：21-25.

［3］楊慶剛，王鵬.軟土地基上不同瀝青路面結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性研究［J］.公路交通科技，2006，9（9）：27-31.

U416.22 ；TU447，

A

1003-5168（2015）-12-0026-2