基于ABAQUS的檢查井井周路面力學特征分析及病害防治研究

魏連雨，李 昊，2,馬新衛

(1. 河北工業大學 土木工程學院，天津 300401；2. 河北水利電力學院，河北 滄州 061000)

基于ABAQUS的檢查井井周路面力學特征分析及病害防治研究

魏連雨1，李 昊1，2,馬新衛1

(1. 河北工業大學 土木工程學院，天津 300401；2. 河北水利電力學院，河北 滄州 061000)

以天津市快速路為研究對象，運用ABAQUS有限元軟件建立檢查井井周路面結構有限元力學分析模型，分析了井周結構拉、壓應力和剪應力的受力特點和變化規律，對防治檢查井井周病害提出的4種混凝土鋼筋骨架井圈做了可行性應力分析。研究結果顯示：在汽車荷載駛入又離開檢查井井周的過程中，檢查井井周混凝土頂層壓應力和底層拉應力都呈現先增后減的變化趨勢；在混凝土井圈內設置一定數量等級的鋼筋骨架，可以有效地幫助混凝土承擔汽車荷載所造成的拉應力作用，避免底層拉應力破壞的現象發生，為檢查井結構設計、井周病害防治以及施工提供了參考價值。

道路工程；檢查井；病害；有限元；力學分析；鋼筋骨架；防治措施

0 引 言

檢查井作為城市管網的重要組成部分，通常設置在城市道路上。檢查井的病害不僅影響道路的平整，還會對行駛車輛和行人的安全造成嚴重威脅。隨著我國城市機動車數量逐年激增和城市居民出行頻率逐年增加，檢查井病害已經對人們的生活和車輛的行駛安全造成相當程度的影響，并受到各界的關注。對天津市路網道路中檢查井及井周路面病害進行調查，調查結果如表1[1-5]，調查發現處于車行道上的檢查井井周破壞比較嚴重，出現面層龜裂、井口凹陷現象如圖1。為了解決檢查井井周病害問題，筆者以天津市快速路為研究對象，建立檢查井井周路面結構有限元力學分析模型，理論分析了井周結構受力變化特點，并對提出的檢查井井周病害防治4種配筋措施做了分析。

表1 檢查井破壞情況統計Table 1 The damage of inspection chamber /座

圖1 檢查井破壞示例Fig.1 Example of the damages to the inspection well surroundings

1 檢查井井周路面力學模型

運用ABAQUS有限元軟件建立力學模型進行分析。模型采用天津市常用城市井體乙型結構體，并簡化成半圓柱形，模型半徑為1 400 mm，深640 mm，模型計算結構簡圖如圖2，結構分層模型如圖3。檢查井井蓋材料為鑄鐵，井圈周圍鋼筋混凝土選用直徑為8 mm的HRB335鋼筋，混凝土強度為C30，用MU10砌塊和M7.5的砂漿砌筑檢查井井筒。通過對天津市快速路路面結構形式的調查，選取了具有代表性的路面結構形式并設定了各材料的參數如表2[6-8]。

圖2 有限元模型計算結構簡圖(單位：mm)Fig.2 Structure diagram of finite element model

圖3 檢查井結構分層模型Fig.3 The layered structure model of inspection well表2 各等級道路結構材料參數Table 2 The material parameters of each grade road structure

道路等級名稱厚度h/cm彈性模量E/MPa泊松比γ快速路細粒式瀝青混凝土412000.30粗粒式瀝青混凝土610000.30水泥穩定碎石1815000.25快速路石灰粉煤灰碎石1814000.25石灰粉煤灰土188000.30

有限元分析的荷載采用城-A級車輛荷載[9-11]。由CJJ 11—2011《城市橋梁設計規范》可知，城-A級車輛荷載以五軸式貨車加載為標準，最大軸重200 kN，作用面積為2×0.25×0.6=0.30 m2，單位面積上的荷載為0.67 MPa。由于模型采用半圓柱體進行分析[12-15]，取單位面積均布矩形荷載0.67 MPa，作用面積為0.25×0.3=0.075 m2。

將鋼筋混凝土結構中的A,B,C,H,I,J點和瀝青層中的三分點E,F,G點如圖4,共計9個點,以及這些點對稱到左側的A’,B’,C’,H’,I’,J’,E’,F’,G’點，共計18個點作為分析點。假設井蓋中心為原點，研究車輛荷載由原點移動到模型邊緣過程中，其作用中心橫坐標分別為0,250,500,750,1 000,1 250 mm 6個位置的時候，18個分析點的受力狀況。根據對稱性，最終可以得到A,B,C,H,I,J,E,F,G各點從荷載-1 250 mm到1 250 mm位置的應力變化情況。圖5為檢查井荷載作用位置圖。

圖4 模型分析點位置(單位：mm)Fig.4 Location of model analysized points

圖5 荷載作用位置(單位：mm)Fig.5 The map of loaded position

2 檢查井井周路面力學分析

分別對6種荷載位置時的模型進行計算。圖6為點A,B,C的壓應力σc和剪應力τ隨荷載作用位置變化的曲線圖。

圖6 混凝土壓應力及剪應力變化曲線Fig.6 Change curve of compressive stress and shear stress of the concrete

由圖6(a)可知，在汽車荷載駛入又離開檢查井井周的過程中，處于混凝土頂部的A,B,C3點的壓應力總體呈現先逐漸增大后逐漸減小的變化過程。在汽車駛入檢查井井周的早期還呈現較弱的拉應力現象，拉應力在C點達到最大值為98.8 kPa，遠遠低于混凝土最大抗拉強度，不會導致混凝土頂層發生太大的受拉破壞。

由圖6(b)可知，在汽車荷載駛入又離開檢查井井周的過程中，混凝土頂部的剪應力產生兩次剪切作用，A,B,C3點的剪切峰值不同，但呈現的剪切曲線規律大體相似。剪切應力在A點達到最大值為1.24 MPa，遠低于混凝土標準抗剪強度。不難看出由于在單次汽車荷載作用過程中，混凝土層中就會經歷兩次反復剪切破壞，頻繁的剪切作用是加快混凝土層破壞、造成檢查井井周混凝土破碎開裂的又一大因素。

分別通過有限元模型對H,I,J3點進行拉應力σc計算，對E,F,G3點進行剪應力τ計算，得到各點隨作用位置變化的曲線圖，如圖7、圖8。

圖7 混凝土底層拉應力變化曲線Fig.7 Change curve of bottom layer tensile stress of the concrete

由圖7可知，在汽車荷載駛入又離開檢查井井周的過程中，快速路檢查井混凝土底層的H,I,J3點的拉應力總體呈現先逐漸增大后逐漸減小的變化過程，各點在荷載經過混凝土正上方時得到最大拉應力值。3點最大拉應力值為H點在橫坐標500 mm處得到的2.38 MPa，高于C30混凝土的標準抗拉強度取值2.01 MPa,已經可以對混凝土底層處產生破壞，且最大值發生在靠近井內側的H點，更易造成檢查井井周的混凝土破損、龜裂。

圖8 瀝青層剪應力變化曲線Fig.8 Change curve of shear stress of the asphalt

由圖8可知，在汽車荷載駛入又離開檢查井井周的過程中，快速路檢查井瀝青層E,F,G3點分別產生兩次剪切作用。3點的剪切峰值不同，但呈現的剪切曲線規律大體相似，剪切應力在F點達到最大值為0.21 MPa，低于瀝青標準抗剪強度。不難看出由于在單次汽車荷載作用過程中，瀝青層中就會經歷兩次反復剪切破壞，頻繁的剪切作用將加速造成檢查井井周路面瀝青面層破碎開裂。

3 檢查井病害防治措施研究

由第2節受力分析可知，檢查井井周病害產生的一個重要原因便是混凝土底層抗拉強度無法抵抗汽車荷載產生的拉應力。因此，選用直徑為8 mm的HRB335鋼筋，在混凝土井圈內設置一定數量等級的鋼筋骨架，可以有效地幫助混凝土承擔汽車荷載所造成的拉應力作用，避免底層拉應力破壞的現象發生。以下提出了幾種鋼筋骨架的方式，其所能承受的拉應力能力由弱到強，如圖9。

圖9 鋼筋骨架模型Fig.9 Reinforcement cage model

在快速路路面結構下，經有限元模型計算，4種鋼筋模型的最大底層拉應力σmax值隨荷載位置的變化情況如圖10。

圖10 混凝土底層最大拉應力Fig.10 Max. tensile stress on the concrete basecourse

通過圖10分析可知，配置了模型1和模型2鋼筋骨架井圈的檢查井，當汽車荷載經過時，模型1混凝土底層最大拉應力的峰值2.37 MPa和模型2的峰值2.27 MPa仍高于C30混凝土的標準抗拉強度取值；模型3和模型4是在模型2雙圈雙層鋼筋骨架的基礎上又加置了一定數量的方形鋼筋，模型3混凝土底層最大拉應力的峰值為1.95 MPa，模型4混凝土底層最大拉應力的峰值為1.86 MPa，都低于C30混凝土的抗拉強度標準值，兩種鋼筋骨架井圈很好地提高了鋼筋混凝土井圈承受底層拉應力的能力，使檢查井能夠抵擋汽車荷載經過產生的抗拉破壞，有效防止了井周病害的產生。

4 結 論

通過建立ABAQUS有限元模型，以天津市快速路為例對檢查井井周路面進行力學分析，并對4種鋼筋骨架模型在快速路檢查井井周路面病害中的防治做了可行性應力分析，得到如下結論：

1)在汽車荷載駛入又離開檢查井井周的過程中，檢查井井周混凝土頂層壓應力和底層拉應力都呈現先增大又減小的變化趨勢；混凝土底層越靠近井壁內側的點位，受到的拉應力值越大，最大值2.38 MPa遠高于C30混凝土的標準抗拉強度取值2.01 MPa,可以對混凝土底層處產生破壞，最終造成檢查井井周破損、龜裂等病害。瀝青底層的拉應力值較小，造成其底層受拉破壞的可能性不大。

2)檢查井井周混凝土層和瀝青層在汽車單次荷載下都經歷了兩次反復剪切作用，頻繁的剪切作用是造成檢查井周路面損壞的一個重要因素。

3)在混凝土井圈內設置一定數量等級的鋼筋骨架，可以有效地幫助混凝土承擔汽車荷載所造成的拉應力作用，避免底層拉應力破壞的現象發生。經驗證，在天津市快速路結構中，加置模型3(雙圈雙層+8片方形鋼筋骨架)和模型4(雙圈雙層+12片方形鋼筋骨架)的混凝土井圈底層拉應力低于C30混凝土的抗拉強度標準值，使檢查井能夠抵擋汽車荷載經過產生的抗拉破壞，有效防止了井周病害的產生。在嚴格符合國家規定標準的前提下，可以根據實際交通狀況，長遠考慮，對交通量較大，汽車荷載量偏多偏大的道路，應適當的提高鋼筋使用標準。

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Mechanics Analysis and Disease Prevention of the Pavement Around Inspection Well Using ABAQUS

WEI Lianyu1，LI Hao1，2，MA Xinwei1

(1. School of Civil Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，P.R.China；2.Hebei University of Water Resourles and Electric Engineering，Cangzhou 061000，Hebei，P.R.China)

Taking the Tianjin expressway as the research example, the finite element software abaqus was used to establish the finite element structure analysis model of the inspection well surroundings to analyze the force bearing characteristics and the variation of pull stress, compression stress and shear stress surround the inspection well .The results showed that: during the process of the vehicle passing to and from the surrounding area, the top compressive stress and the underlying tensile stress of concrete wells circle firstly increased and then decreased. Setting a certain number of steel skeleton in concrete wells circle helps concrete undertake tensile stress caused by the vehicle load and avoids underlying tensile stress damages. It will provids a great reference value to the inspection well structure design, its surrounding disease prevention and the manhole construction.Key words：highway engineering; inspection chamber;disease; finite element; mechanical analysis; steel skeleton; control measures

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.06

2015-02-20；

2015-06-28

河北省科技計劃項目(07216923)

魏連雨(1957—)，男，天津市人，教授，主要從事道路工程、交通工程方面的研究。E-mail：wly57@126.com。

李 昊(1987—)，男，河北滄州人，碩士，主要從事交通工程、道路與鐵道工程方面的研究。E-mail：czlh1987@163.com。

U418.6

A

1674-0696(2016)04-025-04