不均勻沉降對路面結構力學的影響及控制標準

張建國，李永勝，陳 旭，趙金良

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065； 2.延安市公路勘察設計院，陜西 延安 716000)

0 引 言

在道路改擴建過程中，新舊地基平均固結度和應力水平存在差異：舊路地基在行車荷載、自重荷載以及其他外荷載作用下固結度比較大，已基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；新地基土固結度相對較小，在行車荷載、自重荷載及外荷載作用下會產(chǎn)生比較大的沉降變形。這必將導致新舊路基發(fā)生沉降現(xiàn)象，不均勻沉降最終會使路面形成裂縫，對道路的正常使用產(chǎn)生不利影響[1]。本文把新舊路基、地基和路面建成整體的計算模型，通過更換土的力學參數(shù)使路基形成不均勻沉降，從而研究路面各層的應力、應變變化規(guī)律，建立適于實際工程的不均勻沉降控制標準[2-3]。由于舊路基的固結變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因此本文沒有分析舊路基路面在不均勻沉降下的變形，主要研究道路拓寬改建一側道路在不均勻沉降作用下的控制標準。

1 不均勻沉降對路面結構力學的影響

1.1 計算模型與參數(shù)

本文采用有限元分析軟件FLAC 3D建立計算模型，分析拓寬改建側道路不均勻沉降對路面結構的力學影響[4]。延安北過境線工程原舊路基寬度為10 m，在一側加寬13 m，道路中間為2 m的隔離帶，新舊路面各寬10.5 m。用FLAC 3D軟件建立路面模型[5]，如圖1所示。

圖1 計算模型

路面結構設計參數(shù)見表1，擬定的路面材料計算參數(shù)見表2。

表1 路面結構設計參數(shù)

表2 路面材料計算參數(shù)

1.2 路面結構對不均勻沉降的力學響應

1.2.1 路面結構破壞分析

由于新舊路基產(chǎn)生不均勻沉降，使得道路不僅受到自身荷載及行車荷載的作用，道路內(nèi)部還會產(chǎn)生額外的附加應力[6]，不均勻沉降對路面結構的影響主要表現(xiàn)在水平附加應力上[7]。圖2是鋪筑拓寬道路以后的新路面水平應力云圖。

圖2 新路面水平應力云圖

分析圖2可得出，新鋪的道路在不均勻沉降作用下會產(chǎn)生一定的水平應力，該附加應力會導致路面底基層受到拉應力，路面的面層會受壓力影響；隨著不均勻沉降的產(chǎn)生，水平應力繼續(xù)增加。當路面底部受到的附加拉應力大于材料的極限抗拉強度時，底部產(chǎn)生裂縫，裂縫不斷向上擴張，直至整個路面產(chǎn)生開裂，最終導致路面發(fā)生破壞[8-9]。所以，很有必要對新舊路基不均勻沉降控制標準進行研究，通過對裂縫位移進行觀測，分析路面的開裂情況，對道路不均勻沉降做出預判，在出現(xiàn)裂縫道路破壞之前及時預警并妥善處理[10]。

圖3 底基層底面水平應力

圖4 基層底面水平應力

圖5 面層頂面水平應力

圖6 不均勻沉降與水平應力的關系

分析圖3～6、表3可得，道路各層在各種不均勻沉降下的水平附加應力沿著道路橫向逐漸增加，待應力值達到峰值后又逐漸減小[11]。因為加寬改建一側頂面的不均勻沉降為瓢狀，所以加寬側的路面受到更大的壓縮應力[12]。圖6顯示，每層的水平附加應力隨不均勻沉降的變化而逐漸增加。加寬路面上，每個結構層的最大水平附加應力和最大差異沉降基本上是線性關系[13]。使用線性插值方法可知，當路面底部的水平附加拉伸應力達到材料的極限拉伸強度時，產(chǎn)生了拉伸裂紋。此時，加寬路面的寬度為10.5 m，坡度變化率為0.44%。

表3 路面在不均勻沉降下受到的最大水平拉應力

1.2.2 路面材料疲勞應力破壞分析

當?shù)缆穭偼度脒\營時，道路底部的不均勻沉降很小，這時不均勻沉降引起的額外應力不足以使瀝青路面產(chǎn)生裂縫。隨著道路使用年限的增加，車輛等外荷載作用下的路面強度逐漸降低。當不均勻沉降量過大，無法抵抗附加應力時，將會導致道路內(nèi)部產(chǎn)生開裂現(xiàn)象[14]。

由于道路路面反復多次承受車輛等外載荷，因此當路面底部應力超過極限承載時，裂縫開始形成，并逐漸膨脹至斷裂。路面結果強度與其容許應力之間有如下關系。

(1)

式中：σsp為路面結構強度(MPa)；σR為路面結構容許拉應力(MPa)，如表4所示；Ks為路面抗拉強度系數(shù)。

表4 新路面各層材料容許拉應力

由圖7可得，當新路面最大不均勻沉降為14.4 mm時，路面結構發(fā)生破壞，開始產(chǎn)生開裂變形[15]。所以，新道路路面在考慮疲勞效應開裂破壞影響下的最大差異沉降為14.4 mm時，相應的坡度變化率為0.14%。

圖7 新路面各層最大水平附加應力與差異沉降的關系

2 不均勻沉降控制標準研究

在上文中，考慮到路面結構材料的極限抗拉強度，將路面基層的彎曲拉伸應力作為路面裂縫的主要控制因素。結論是，當新路面在加寬一側的不均勻沉降超過46.2 mm時，新道路路面底部的拉應力大于基層穩(wěn)定碎石的強度，其相應的坡度變化率為0.44%?？紤]路面材料在使用過程中的疲勞影響時，當新路面在加寬側的不均勻沉降大于14.4 mm時，相應的坡度變化率為0.14%。由上述計算結果可知，以基層穩(wěn)定碎石的拉伸應力為控制標準時，不均勻沉降控制最為精確[16]。

綜上，以不均勻沉降14.4 mm和對應的坡度變化率0.14%作為不均勻沉降控制標準的最高限制；以46.2 mm和對應的坡度變化率0.44%作為不均勻沉降控制標準的最低限制；以26.0 mm和對應的坡度變化率0.25%作為不均勻沉降控制的中值。然后，對加寬改建側路面底部的不均勻沉降進行分級，結果見表5。

表5 不均勻沉降分級

當不均勻沉降等級判定為“Ⅰ”時，一般視作道路不會發(fā)生實質性破壞，無需采取任何措施；當不均勻沉降級別為“Ⅱ”時，需要采取措施來防止不均勻沉降給道路帶來進一步的破壞，一般采用強夯法對路面進行加固；當不均勻沉降級別為 “Ⅲ”時，路面會發(fā)生開裂破壞，需要通過注漿等方法來加固路面；當不均勻沉降級別為“Ⅳ”時，道路開裂十分嚴重，可以采用多方式相結合的處理辦法來對路面進行加固[17]。

3 結 語

本文采用有限元分析軟件建立計算模型，通過更換路基的力學參數(shù)來使加寬一側道路發(fā)生不均勻沉降，再分析加寬一側道路在不均勻沉降下的力學響應，然后對道路不均勻沉降的控制標準進行研究，最終得出以下結論。

(1)拓寬道路各層在不均勻沉降下的水平應力連續(xù)分布，加寬一側道路各層水平應力隨著不均勻沉降的增加，大體上呈線性分布。

(2)當不均勻沉降超過46.2 mm時，其相應的坡度變化率為0.44%?？紤]路面材料在使用過程中的疲勞影響，當不均勻沉降大于14.4 mm時，相對應的坡度變化率為0.14%。

(3)考慮拓寬側道路材料的拉應力和疲勞效應的組合作用，得出加寬一側道路不均勻沉降量為26.0 mm，與之相對應的坡度變化率為0.25%，最終把不均勻沉降控制標準分成4個等級。