城市道路檢查井井周路面破壞機(jī)理

趙全滿，任瑞波，劉 瑤，李志剛，戶桂靈

(山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引 言

城市管網(wǎng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，被喻為“城市動(dòng)脈”，而檢查井是城市管網(wǎng)必不可少的組成部分。在城市管網(wǎng)建設(shè)中，受其他管網(wǎng)的布置和路幅寬度的空間限制，有相當(dāng)數(shù)量的檢查井布置在城市道路上，成為了整個(gè)道路的薄弱部位[1]。在車輛荷載的反復(fù)作用下，檢查井周圍路面(簡稱“井周路面”)極易產(chǎn)生沉陷、開裂、坑槽等早期病害(圖1)，影響行車舒適及安全。在市政道路養(yǎng)護(hù)中，每年用于檢查井及井周路面養(yǎng)護(hù)維修的費(fèi)用巨大，但井周路面因位置及結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致其耐久性差，病害頻發(fā)[2]。同時(shí)，由于檢查井的存在不利于道路施工，井周路基、路面極難壓實(shí)，導(dǎo)致井周路面結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。當(dāng)車輛經(jīng)過不平整的檢查井及井周路面時(shí)，井蓋將發(fā)生明顯的變形和振動(dòng)，產(chǎn)生刺耳的撞擊聲和較大的沖擊荷載，加速了汽車構(gòu)件的磨損及井周路面的破壞，導(dǎo)致路面平整度進(jìn)一步降低，反過來將繼續(xù)加大車輛的振動(dòng)沖擊荷載，形成惡性循環(huán)[3]。

圖1 城市道路井周路面病害

較大的車輛沖擊荷載是導(dǎo)致井周路面破壞的重要原因之一，因而有必要對(duì)車輛經(jīng)過檢查井時(shí)的動(dòng)載特性進(jìn)行研究。目前車輛動(dòng)載特性的研究方法主要有3種：數(shù)學(xué)建模[4]、數(shù)值分析[5]及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[6]，其中以數(shù)學(xué)建模方法為主。數(shù)學(xué)建模時(shí)，由于車輛是一個(gè)復(fù)雜的多質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)系統(tǒng)，研究時(shí)需要根據(jù)研究目的不同對(duì)車輛模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕３Ｓ煤喕Ｐ桶?/4[7]和1/2[8]車輛模型。研究表明：采用1/4車輛振動(dòng)模型可滿足大部分研究的精度要求[9]。井周路面破壞機(jī)理分析時(shí)，研究方法以病害調(diào)查和數(shù)值模擬為主，分別有學(xué)者針對(duì)廣州[10]、天津[2]、長沙[11]等地的檢查井及井周路面病害展開調(diào)查，劃分病害類型和等級(jí)，分析病害原因，提出防治措施；數(shù)值模擬方面，通過建立檢查井及井周路面模型[3]，計(jì)算井周路面在車輛靜荷載作用下的拉、壓、剪應(yīng)力，揭示其破壞機(jī)理[12]。

雖然國內(nèi)外學(xué)者圍繞檢查井井周路面破壞機(jī)理展開大量研究，取得了豐碩的研究成果，但仍有一些問題尚待解決：如井周路面病害可達(dá)范圍并未確定(即井周路面的定義)；井周路面受力分析時(shí)多采用靜載，并未考慮車輛沖擊荷載的作用；研究時(shí)并未考慮井周路基、路面壓實(shí)不足及井周路面平整度差等對(duì)井周路面破壞的影響等。因而，筆者以城市道路檢查井井周路面為研究對(duì)象，在路面病害調(diào)查的基礎(chǔ)上，建立人-車-井蓋耦合振動(dòng)模型，分析車輛荷載動(dòng)態(tài)特性，研究車輛荷載作用下的井周路面力學(xué)響應(yīng)，探尋井周路面破壞關(guān)鍵影響因素，揭示其破壞失效機(jī)理。

1 檢查井及井周路面病害調(diào)查

為研究井周路面破壞機(jī)理，首先必須明確“井周路面”具體概念，即檢查井結(jié)構(gòu)影響下的周圍路面破壞易損范圍。由于檢查井及井周路面平整度狀況均對(duì)車輛經(jīng)過時(shí)的動(dòng)載特性影響較大，加速井周路面的破壞。因而，筆者進(jìn)行檢查井及井周路面病害調(diào)查時(shí)重點(diǎn)調(diào)查井周路面病害范圍、檢查井沉降、井周路面平整度狀況三方面內(nèi)容，為車輛動(dòng)載及井周路面破壞機(jī)理分析提供數(shù)據(jù)支撐。

1.1 井周路面病害范圍調(diào)查

為保證調(diào)查數(shù)據(jù)的有效性，選取濟(jì)南市經(jīng)十東路、新濼大街、天辰路、雪山路4條道路為調(diào)查對(duì)象，分別調(diào)查300、100、100、100處檢查井。調(diào)查時(shí)，用直尺量取破壞區(qū)域長、寬，計(jì)算破壞區(qū)域面積，然后根據(jù)面積大小將其等效為圓形區(qū)域(包括井蓋)，其大小用半徑r表征，調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 井周路面病害范圍調(diào)查結(jié)果

由表1可知，對(duì)于井周路面破壞區(qū)域半徑大小分布區(qū)間，經(jīng)十東路96% 分布于0.6～1.2 m，新濼大街96% 分布于0.4～0.7 m，天辰路99% 分布于0.4～0.9 m，雪山路100% 分布于0.4～0.8 m。由相關(guān)資料查得：經(jīng)十東路已使用15年，雪山路已使用5年，天辰路、新濼大街已使用3年，可見當(dāng)路面使用時(shí)間較短時(shí)(3～5年)，井周路面破壞區(qū)域半徑主要集中于0.4～0.9 m；隨著使用年限的增加，井周路面破壞區(qū)域半徑逐漸增加，可達(dá)1.2 m，甚至更大。由于經(jīng)十東路已使用15年，達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命，因而認(rèn)為井周路面破壞區(qū)域半徑最大值為1.2 m(保證率為97%)。因而定義井周路面為以檢查井井蓋中心為圓心、1.2 m為半徑的城市道路檢查井周圍路面。

1.2 檢查井沉降量及沉降坡度差變化調(diào)查

選取經(jīng)十東路、天辰路2條道路各80處檢查井為調(diào)查對(duì)象，統(tǒng)計(jì)其檢查井沉降狀況。調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)：檢查井整體并未均勻沉降，車輛先經(jīng)過的檢查井邊緣(稱之為“上行點(diǎn)”)沉降量小于車輛后經(jīng)過的檢查井邊緣(稱之為“下行點(diǎn)”)，形成坡度差Δi=(下行點(diǎn)沉降量-上行點(diǎn)沉降量)/檢查井直徑)。相關(guān)研究表明：路面坡度的變化對(duì)車輛動(dòng)載有較大程度的影響[13]。檢查井沉降量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖2，沉降差導(dǎo)致的路面坡度變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3。

圖2 檢查井沉降量

圖3 檢查井沉降差導(dǎo)致的路面坡度變化

由圖2可知，檢查井沉降量主要分布于0～10 mm，較大的沉降量較少，明顯與人們的主觀印象不同。通過調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，其主要是因?yàn)槌两盗枯^大的檢查井已被處治(經(jīng)十東路已被多次養(yǎng)護(hù))。由圖3可知，檢查井不均勻沉降導(dǎo)致的坡度變化主要分布于-1%～1%，分別占經(jīng)十東路和天辰路的79%和100%，結(jié)合其已使用年限，可見使用時(shí)間越長，檢查井不均勻沉降導(dǎo)致的檢查井坡度變化越大。

1.3 井周路面平整度狀況調(diào)查

目前評(píng)價(jià)路面平整度的指標(biāo)較多[14]，筆者選用最大間隙值(以H1表示)指標(biāo)評(píng)價(jià)井周路面平整度。調(diào)查時(shí)，根據(jù)井周路面定義，采用3 m直尺對(duì)經(jīng)十東路80處檢查井井周1.2 m范圍內(nèi)的路面及檢查井3 m以外的常規(guī)路面(測(cè)量3 m的距離)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得3 m范圍內(nèi)的最大間隙值，并統(tǒng)計(jì)80處井周路面最大間隙值大小分布狀況，結(jié)果如圖4。由圖4可知，常規(guī)路面最大間隙值均在5 mm以內(nèi)，井周路面最大間隙值主要分布于5～20 mm，最大間隙值達(dá)到35 mm左右，明顯比常規(guī)路面大得多。

圖4 經(jīng)十東路80處井周路面及常規(guī)路面最大間隙值統(tǒng)計(jì)

2 車輛動(dòng)載特性分析

2.1 模型的建立

采用1/4車輛模型進(jìn)行車輛動(dòng)載特性分析，分析時(shí)考慮到車輛荷載作用下瀝青路面的彎沉值很小，一般在30(0.01 mm)以下，即0.3 mm以下，與瀝青路面病害導(dǎo)致的平整度變化相比很小，予以忽略；加之車輛與瀝青路面的振動(dòng)為弱耦合系統(tǒng)，路面的振動(dòng)可以予以忽略[15]。而車輛經(jīng)過井蓋區(qū)域時(shí)，井蓋的變形和振動(dòng)較大，不能忽略。因而，在車輛進(jìn)入井蓋區(qū)域時(shí)，考慮井蓋的變形和振動(dòng)，建立4自由度車輛振動(dòng)模型，見式(1)～式(4)，其余階段不考慮路面的變形和振動(dòng)建立3自由度車輛振動(dòng)模型，見式(5)～式(7)。研究時(shí)，將車輛經(jīng)過檢查井及井周路面的過程分為4個(gè)階段：車輛進(jìn)入井周路面病害區(qū)域；車輛進(jìn)入井蓋區(qū)域；車輛進(jìn)入另一側(cè)井周路面病害區(qū)域；車輛進(jìn)入常規(guī)路面，如圖5。

圖5 車輛振動(dòng)模型

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：mx為質(zhì)量；1、2、3、4分別表示座椅(包括駕駛員)、車架、車輪、井蓋；yx為相應(yīng)部分的位移；kx為相應(yīng)部分的剛度系數(shù)；cx為相應(yīng)部分的阻尼系數(shù)(井蓋阻尼取0)；ξ(t)為路面的不平整度激勵(lì)。

(8)

f=F(t)/F

(9)

式中：F(t)為車輛沖擊荷載；F為車輛靜載。

參考文獻(xiàn)[16]，確定車輛及井蓋模型基本參數(shù)，見表2。通過傳遞矩陣法求解微分方程組式(1)～式(4)和式(5)～式(7)，結(jié)合MATLAB編程獲得任意質(zhì)量體的速度和位移，進(jìn)而根據(jù)式(8)求得車輛沖擊荷載。

表2 車輛及井蓋模型參數(shù)值

2.2 動(dòng)載特性分析

假設(shè)井周路面最大間隙值H1=1 cm；檢查井沉降量H2=1 cm；路面出現(xiàn)最大間隙的位置距離井蓋邊緣0.6 m；井蓋直徑為0.7 m；差異沉降導(dǎo)致的坡度差θ=4%；車輛行進(jìn)方向?yàn)槁访嫔掀路较颍囁賤=36 km/h。以向下方向?yàn)檎蠼馐?1)～式(4)和式(5)～式(7)，結(jié)合式(8)、式(9)、初值條件及MATLAB軟件編程，獲得車輛荷載沖擊系數(shù)隨時(shí)間的變化如圖6。

圖6 荷載沖擊系數(shù)時(shí)程變化曲線

由圖6可知，時(shí)間為0.13 s時(shí)，即車輛剛好離開檢查井進(jìn)入井周路面區(qū)域時(shí)，車輛沖擊荷載第一次達(dá)到最大，為靜載的1.29倍；時(shí)間為0.64 s時(shí)，車輛離開檢查井5.1 m時(shí)，車輛沖擊荷載達(dá)到極大值，為靜載的1.33倍，僅比1.29大3%。考慮到研究對(duì)象為井周路面，因而筆者取第一次達(dá)到最大值時(shí)的車輛沖擊荷載作為井周路面破壞分析時(shí)的車輛荷載。

3 井周路面破壞機(jī)理分析

3.1 模型的建立

目前，《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)主要包括4個(gè)[17]，季凍區(qū)增加低溫開裂指數(shù)，城市道路增加剪應(yīng)力。考慮到城市道路以半剛性基層瀝青路面為主，其設(shè)計(jì)指標(biāo)包括3個(gè)：瀝青混合料層永久變形量、無機(jī)結(jié)合料層層底拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。1.1節(jié)病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，井周路面車轍類、推移類病害極少，因而筆者以無機(jī)結(jié)合料層層底拉應(yīng)力指標(biāo)控制無機(jī)結(jié)合料層的疲勞開裂對(duì)井周路面破壞進(jìn)行研究。

研究時(shí)采用有限元數(shù)值計(jì)算方法對(duì)路面疲勞壽命進(jìn)行分析，參考文獻(xiàn)[10]建立傳統(tǒng)檢查井及井周路面數(shù)值模型，其中檢查井高度為1.8 m，內(nèi)徑為0.35 m；井蓋厚2 cm，半徑為0.5 m；模型長、寬、高分別為6、5、5 m，長度方向?yàn)樾熊嚪较颍瑱z查井位于右側(cè)車道處。參考相關(guān)規(guī)范[17]及相關(guān)資料[10]，確定檢查井和井周路面結(jié)構(gòu)及模型參數(shù)，見表3。計(jì)算時(shí)采用的單元類型為C3D8R單元，建立的有限元模型如圖7。施加荷載為標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN，為便于計(jì)算，將其簡化為18.9 cm×18.9 cm的方形荷載，兩側(cè)輪胎間距為1.8 m[16]。

表3 檢查井及井周路面模型參數(shù)[17]

圖7 檢查井及井周路面有限元模型

3.2 井周路面破壞機(jī)理分析

為揭示井周路面破壞機(jī)理，筆者主要對(duì)車輛荷載大小及路基路面壓實(shí)不足兩大因素對(duì)井周路面受力的影響進(jìn)行分析。

3.2.1 車輛荷載對(duì)井周路面破壞的影響

影響車輛荷載大小的因素較多，筆者重點(diǎn)分析井周路面最大間隙值、檢查井沉降、差異沉降導(dǎo)致的坡度差、行車速度4個(gè)因素。分析時(shí)基本參數(shù)為井周路面最大間隙值H1=1 cm、檢查井沉降量H2=1 cm、差異沉降導(dǎo)致的坡度差θ=4%和車速v=36 km/h。參數(shù)影響分析時(shí)采用變量控制法，分析某一變量時(shí)控制其余參數(shù)不變，更改單一變量，計(jì)算相應(yīng)參數(shù)下的車輛沖擊荷載系數(shù)，分析各因素對(duì)車輛沖擊荷載的影響，而后將車輛沖擊荷載用于路面有限元受力分析，進(jìn)而研究其對(duì)路面基層受力及疲勞壽命的影響。結(jié)合2.1節(jié)、2.2節(jié)車輛動(dòng)載分析方法及相應(yīng)參數(shù)，獲得不同影響因素下的車輛沖擊荷載，然后以《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]中疲勞開裂模型及相關(guān)參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)井周路面基層疲勞壽命進(jìn)行分析(計(jì)算分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，面層疲勞壽命比基層疲勞壽命大得多，因而僅計(jì)算了基層疲勞壽命)，計(jì)算結(jié)果見表4(車輛靜載時(shí)計(jì)算得到應(yīng)力為0.20 MPa，疲勞壽命為29.29×108次)。

由表4可知：

表4 不同車輛荷載影響因素下井周路面基層疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

1)車速對(duì)車輛動(dòng)載及基層疲勞壽命影響極大。當(dāng)車速由20 km/h增加到80 km/h，應(yīng)力增大45.5%，疲勞壽命縮短85.4%，可見車速的增加大大加速了井周路面的破壞。

2)檢查井沉降及井周路面最大間隙對(duì)井周路面基層疲勞壽命影響較大。當(dāng)最大間隙值由1 cm增加到4 cm時(shí)，基層疲勞壽命分別縮短43.8%和61.7%，井周路面的平整度對(duì)基層疲勞壽命的影響大于檢查井沉陷對(duì)基層疲勞壽命的影響。

3)坡度差對(duì)井周路面基層疲勞壽命有一定的影響。當(dāng)坡度差由1%增加為3%時(shí)，基層疲勞縮短17.5%，“負(fù)”坡度差對(duì)基層疲勞壽命的影響小于“正”坡度差。

可見，以上4個(gè)因素均對(duì)車輛動(dòng)載產(chǎn)生不同程度的影響，進(jìn)而影響井周路面基層疲勞壽命。因而當(dāng)檢查井沉降增加、井周路面最大間隙值變大、坡度差較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)檢查井及井周路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，否則將加速檢查井及井周路面的破壞，反過來加大車輛動(dòng)載，形成惡性循環(huán)。

3.2.2 路基路面壓實(shí)不足對(duì)井周路面破壞的影響

路基路面壓實(shí)不足包括路面各結(jié)構(gòu)層及路基壓實(shí)不足，筆者擬通過修改各結(jié)構(gòu)層的模量以表征壓實(shí)不足。由于距離井蓋中心越近，路基路面越不容易壓實(shí)，因而根據(jù)距離井蓋中心距離的不同，將井周路面分區(qū)，分別賦予不同的模量值，距離井蓋越近模量值越小，分區(qū)情況見表5。

分析時(shí)，分為9種工況：工況1各層模量按表3取值；工況2～7各結(jié)構(gòu)層模量如表5(分析時(shí)采用變量控制法，例如分析表面層壓實(shí)不足時(shí)，只改變距離井蓋中心不同位置處表面層的模量，其余結(jié)構(gòu)層的模量不變，與工況1相同)；工況8根據(jù)表5同時(shí)修改各結(jié)構(gòu)層模量；工況9在工況8的基礎(chǔ)上，考慮1.5倍的車輛動(dòng)載。對(duì)各結(jié)構(gòu)層力學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表6。

表5 不同結(jié)構(gòu)層各分區(qū)模量值

表6 不同工況下各路面結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

與工況1(各結(jié)構(gòu)層壓實(shí)狀況良好，標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的力學(xué)響應(yīng))相比，由表6可知：

1)工況2、3和4下，即面層(包括上、中、下)壓實(shí)不足時(shí)，上面層層底拉應(yīng)變分別增加60.9%、72.4%和27.6%，增加顯著；豎向壓應(yīng)變分別增加16.6%、9.0%和0.1%，但其它結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)變化不大。可見，面層壓實(shí)不足(尤其是上面層)，上面層更易發(fā)生疲勞開裂。

2)工況5下，即基層壓實(shí)不足時(shí)，上面層層底拉應(yīng)力增加22.9%，其它結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)變化不大，此時(shí)上面層更易疲勞開裂；工況6下，即底基層壓實(shí)不足時(shí)，上面層層底拉應(yīng)力增加18.3%，基層層底拉應(yīng)力增加20.0%，此時(shí)上面層和基層更易疲勞開裂。

3)工況7下，即路基壓實(shí)不足時(shí)，各結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)均有所增加，其中上面層和底基層層底拉應(yīng)力增加尤為明顯，分別增加22.9%和28.6%，上面層和底基層更易產(chǎn)生疲勞開裂。

4)工況8下，即各結(jié)構(gòu)層均壓實(shí)不足時(shí)，各結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)增加明顯，面層應(yīng)力、應(yīng)變?cè)黾佑葹轱@著，上、中、下面層層底拉應(yīng)力分別增加110.3%、13.8%和50.9%，上、中、下面層豎向壓應(yīng)變分別增加37.1%、38.0%和26.7%，面層疲勞開裂和永久變形病害更易產(chǎn)生。

5)工況9下，各結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)顯著增加，上、中、下面層層底拉應(yīng)力分別增加166.7%、162.5%和163.6%，上、中、下面層豎向壓應(yīng)變分別增加105.2%、106.9%和90.2%，基層和底基層層底拉應(yīng)力分別增加55.0%和57.1%，路基豎向壓應(yīng)變?cè)黾?1.7%。此時(shí)，路基、路面各結(jié)構(gòu)層裂縫類、變形類病害均更易產(chǎn)生。

4 結(jié) 論

通過研究，主要得出以下結(jié)論：

1)井周路面病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)：井周路面是指以檢查井井蓋中心為圓心、1.2 m為半徑的城市道路檢查井周圍路面；檢查井沉降量主要分布于0～10 mm，檢查井沉降差導(dǎo)致的坡度變化主要分布于-1%～1%，使用時(shí)間越長，坡度變化越大；常規(guī)路面最大間隙值均在5 mm以內(nèi)，井周路面最大間隙值主要分布于5～20 mm，最大間隙值達(dá)35 mm，井周路面平整度明顯比常規(guī)路面差的多。

2)車輛經(jīng)過平整度不良的井周路面時(shí)，車輛將產(chǎn)生明顯的沖擊荷載作用。在一定參數(shù)條件下，車輛沖擊荷載可達(dá)靜載的1.29倍，位置為車輛剛好離開檢查井進(jìn)入井周路面區(qū)域位置。

3)車速、檢查井沉降量、井周路面最大間隙值、坡度差均導(dǎo)致車輛經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生較大的沖擊荷載，導(dǎo)致基層層底彎拉應(yīng)力顯著增加，基層疲勞壽命明顯縮短。此時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)檢查井及井周路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，否則將加速檢查井及井周路面的破壞，反過來加大車輛沖擊荷載，形成惡性循環(huán)。

4)路基、路面各結(jié)構(gòu)層中任何一個(gè)結(jié)構(gòu)層壓實(shí)不足時(shí)，上面層均更易產(chǎn)生疲勞開裂；底基層壓實(shí)不足時(shí)，基層更易產(chǎn)生疲勞開裂；路基壓實(shí)不足時(shí)，底基層更易產(chǎn)生疲勞開裂；各結(jié)構(gòu)層均壓實(shí)不足時(shí)，面層疲勞開裂和永久變形病害極易產(chǎn)生；各結(jié)構(gòu)層均壓實(shí)不足，加之1.5倍的車輛動(dòng)載作用下時(shí)，路基、路面各結(jié)構(gòu)層裂縫類、變形類病害均更易產(chǎn)生。可見，車輛沖擊荷載、路基路面壓實(shí)不足等多種因素的綜合作用是井周路面快速破壞的主要原因之一。

筆者分析井周路面壓實(shí)問題時(shí)，井周路基路面模量為擬定值，與真實(shí)狀況有所差距，建議后期研究時(shí)采用一定的試驗(yàn)方法實(shí)測(cè)井周路面不同位置處的模量，進(jìn)而用于井周路面力學(xué)計(jì)算。