路基差異沉降對路面平整度的影響分析

鄧 然

(廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

近些年來,隨著我國交通工程建設不斷推進,高速公路的總里程數迅速增加,其覆蓋范圍得到了巨大的改善。瀝青路面因其具有較高的整體強度、低振動、良好的穩定性等優點,在我國得到了廣泛的應用。但瀝青路面的平整度問題隨著高速公路里程的增加變得更加明顯,導致高速公路常常達不到其預期的使用壽命。瀝青路面的不平整原因通常被認為是路基不均勻沉降、瀝青混合料質量不良、施工工藝存在問題以及長期的車輛荷載與日照、降雨等外界環境因素的共同作用導致的[1]。

目前國內外學者對瀝青路面平整度的影響因素研究取得了較多的成果。張曉等[2]通過對瀝青路面施工的分析,在進行影響路面平整度的施工工序中提出相應的施工措施。李倩等[3]建立了一個考慮車-路相互作用的路面平整度劣化模型,分析了路面平整度的劣化機理。蔣應軍等[4]研究了攤鋪工藝和結構層厚度對路面疲勞性能的影響。王維敏[5]對公路橋梁過渡段路面壓實度的變異性與施工控制技術進行了研究,對壓實度的影響因素進行分析,針對各影響因素提出了相應的施工控制措施。陳闖[6]利用ABAQUS軟件建模分析,研究路面對路基差異沉降量的承受能力,提出合理的路基差異沉降控制標準。孫瑞等[7]利用ANSYS軟件建立了模型,分析了路基不均勻沉降對路面結構最大彎拉應力的影響規律。崔冀龍[8]通過對加寬路基沉降變形特性的分析,提出在施工過程中降低不均勻沉降對半剛性瀝青路面影響的工程措施。孫彩云[9]借助ANSYS軟件建立了某擴寬路基的有限元模型,分析了發生不同差異沉降后,路面結構不同位置附加應力的變化情況。周玉[10]從施工角度分析了影響瀝青路面平整度的原因,主要包括路基沉降、混合料質量、拌和、攤鋪和碾壓工藝、碾壓機械等。

本文通過ABAQUS軟件進行數值模擬,分析了路基差異沉降對路面平整度的影響,最后提出了相應的工程措施,為高速公路瀝青路面施工提供方法借鑒。

1 路面平整度概述

1.1 路面平整度基本概念

瀝青路面除非有明顯的損壞或坑洞,其表面在橫向和縱向基本是平穩不變的。但在實際情況中,路表面在縱向和橫向上都存在一定程度的高低起伏,如圖1所示。

由圖1可知,路面在橫向上的高低起伏通常被稱為車轍,而在縱向上的高低起伏通常被描述為平整度。考慮到車輛行駛方向是沿著道路縱向的,因此路面平整度對于車輛行駛過程中乘客的舒適性有較大影響。我國的相關規范定義路面平整度為:路表面縱向凹凸量的偏差值。在目前的研究中,道路縱向變形是路面平整度的主要研究對象。

1.2 路基差異沉降對路面平整度的影響

路基是道路結構的基礎,路基的平整度在很大程度上影響著瀝青路面平整度,路基的差異沉降和其他導致路基不平整的因素會通過道路的各個結構層逐步映射到瀝青路面表層,進而影響瀝青路面的平整度。因此,路基的平整度是影響瀝青路面平整度的首要因素。根據現有的瀝青路面施工經驗,當路基因不均勻沉降等因素出現不平整現象,瀝青路面在很大概率上會出現開裂或沉陷。當瀝青路面出現不平整現象后,路面的破壞往往迅速惡化,以至于出現重大損失。因此,保證路基具有滿足工程要求的平整度、強度、剛度以及穩定性,對于保證路面平整度有重要意義。

路基的差異沉降對路面平整度的影響更多出現在公路的改擴建工程中,新老路基的差異沉降是影響路面平整度工程質量最主要的因素之一,正確認識其產生原因,計算新老路基差異沉降的大小,是控制差異沉降的前提。根據已有的研究,導致新老路基差異沉降的原因主要有3個,即新老路基之間的自身變形差異,新老路基的基礎固結程度差異以及新老路基之間的結合強度不足。

(1)新老路基的自身變形差異。在最初高速公路設計與修建過程中,一般并不會考慮后期可能進行的高速公路改擴建工程,因此大多數老路在進行擴寬時,新路基的填土壓實度往往會達不到要求,從而導致在運營過程中產生較大變形。而對于老路基來說,因長期承受自重以及車輛荷載,其變形相對于新路基非常小,新老路基之間的變形差異會導致路基整體發生不均勻沉降。

(2)新老路基的固結和沉降差異。當路基土為軟土時,老路基的固結度比新路基高很多,新路基的擴寬會產生新的附加應力,從而導致沉降比老路基大很多,產生路基的不均勻沉降。

(3)擴建路基結合強度不足。新路基與老路基的物理力學性質不一致,當二者共同受力時會發生變形,當新老路基交接處的結合強度不足時,新路基就會沿接觸面發生下滑,導致路基的不均勻沉降,甚至發生路基的整體破壞。

2 路基差異沉降對路面平整度影響的數值模擬分析

2.1 數值模型的建立

本文依托某高速公路改擴建工程進行相關的數值計算研究,主要研究改擴建工程中新老路基的差異沉降對新老路面平整度的影響。本文使用ABAQUS軟件建立路基路面組合模型,以施加位移荷載的形式來模擬路基差異沉降,分析路面結構受力、位移情況,以確定路基差異沉降對路面平整度的影響。

ABAQUS作為應用相當廣泛的通用有限元軟件,在處理巖土工程問題時同樣具有很明顯的優勢,比如軟件可以提供大量巖土材料常用的本構模型,還可以進行包括溫度場、滲流場等的多場耦合計算,軟件的交互性與很多軟件相比更好,操作較為簡便等。其工作流程如圖2所示。

為研究新舊路基差異沉降對路面的影響,采用控制變量法,即變量為新舊路基差異沉降量的數值,其他參數保持不變。建立計算模型為高速公路雙側對稱拓寬模型,舊路為雙向四車道,路面寬度為28 m,拓寬后路面寬度為42 m,考慮到該路的拓寬方式為雙側對稱拓寬,因此可在保證其符合工程實際情況的基礎上盡可能簡化其計算模型。本文考慮取一半的道路結構為分析對象,根據瀝青路面平整無接縫的特點,把新舊路面面層看作一個整體。建立計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型圖

模型自上而下分別為高度為18 cm的面層、厚度為36 cm的基層、厚度為20 cm的底基層、厚度為30 cm的上路床。參數取值如表1所示。

表1 計算力學參數取值表

本節所取變量為新舊路基差異沉降量,其他參數保持不變,模型計算時忽略路基的整體沉降影響,僅考慮差異沉降量,具體取值如下頁表2所示。

表2 新老路基差異沉降量取值表

在路面施加10 kPa的均布荷載模擬車輛荷載,網格劃分后的模型如下頁圖4所示。

圖4 模型網格劃分示意圖

2.2 數值模擬結果分析

根據數值計算的結果,可將新老路基之間的差異沉降量對路面的影響大致分為4個階段。

第一階段差異沉降量為1～5 cm。差異沉降量為5 cm時路面結構受力云圖如圖5(a)所示,此時差異沉降量值較小,雖對路面產生了一定影響,但基本可以忽略不計,此時基層底面的最大應力達到了其抗彎強度,基層底面逐漸開始屈服,路面平整度所受影響較小。

(a)差異沉降量5 cm

第二階段差異沉降量為7～13 cm。差異沉降量為13 cm時路面結構受力云圖如圖5(b)所示,此時基層的屈服逐漸加重,屈服面積逐漸擴大,基層在拼接縫位置已經出現了大面積屈服現象,基層的頂面和底面均出現了較大面積的屈服,基層的頂面和底面最大應力均達到了基層材料的抗彎強度,基層底面和路基頂面在道路尾部的脫空現象已經發展得較為明顯,此時路基的差異沉降對路面平整度產生了一定影響。

第三階段差異沉降量為15～25 cm。差異沉降量為25 cm時路面結構受力云圖如圖5(c)所示,此時基層的屈服面積逐漸擴大,基層底部和路基頂面之間的脫空由道路尾部向中線位置逐漸擴展,新老路基的差異沉降對路面的影響已經較為嚴重,路面出現開裂現象。

第四階段差異沉降量為25～30 cm。差異沉降量為30 cm時路面結構受力云圖如圖5(d)所示,當差異沉降量>25 cm時,拓寬部分的路基和路面之間已經出現了大面積的脫空,路基對路面的支撐作用大大減弱,此時隨著差異沉降量的增大,路面的受力情況逐漸保持穩定。

監測不同差異沉降量工況下路面的最大應力,如圖6所示。

圖6 路面最大應力值隨差異沉降變化曲線圖

如圖6所示,隨著差異沉降量的增大,路面的最大應力也在不斷增大,當差異沉降>20 cm時,路面的最大應力的增長趨勢開始逐漸減緩,當差異沉降>25 cm時,路面的最大應力幾乎不再繼續增長。結合圖5所示的結構受力云圖可知,出現該現象的原因是當差異沉降量到達25 cm后,基層地面和路基頂面之間已經出現大范圍的脫空現象,路基對路面的支撐作用大大減弱,此時隨著差異沉降量的增大,路面的受力情況逐漸保持穩定。可以通過路面的最大應力作為描述路面形變的指標,進一步描述路基差異沉降對路面平整性的影響,即隨著差異沉降逐漸增大,對路面平整性的影響也逐漸增大,當差異沉降達到某個值時,隨著差異沉降量的增大,對路面平整性的影響逐漸保持穩定。

3 瀝青路面平整度的施工控制措施

根據前文的分析,提出減小路基差異沉降的控制措施。

(1)在填筑路基前完成清理工作。將用地范圍內的包括垃圾以及植物根等各種污染物全部清理干凈。通過全面碾壓的施工方法,使路基用地達到規定的壓實度。還可以采用挖掘機將表層土壤全部清除,再填入至少30 cm的無腐殖土,分層壓實。路基壓實是保證路基正常工作的重要基礎,路塹、路堤以及基底都需要進行壓實,其主要目的是減小孔隙比,提高路基土體的密實度,增加粘聚力,減少路基的沉降。路基的壓實本質上是破壞土體原有結構,使土顆粒重新排列分布,達到更加密實的新的平衡。此時,土體強度得到了很大提高,也大大減小了路基服役期間的沉降量。

(2)處理半挖半填路基。當半挖半填路基連接位置對應的橫向坡度>l∶5但<1∶1.25時,應從填方坡腳位置設置2%～4%的內側傾斜坡,以防止下方路基滑動對上方路面產生影響;當半挖半填路基連接位置對應的橫向坡度>1∶1.25時,應對路基邊坡的穩定性進行檢算,當邊坡安全系數<1.25時,需對該邊坡設置支擋結構。在處理半挖半填路基時還需注意:當挖方區域的地質組成主要為土質時,挖方超過80 cm后應填補透水材料,同時鋪設土工格柵,通過φ10 mm錨固釘對土工格柵加固,錨固釘的錨固長度≥30 cm。在存在地面水匯流的路段,須在施工前完成排水工作,常用的排水方法為開挖排水溝。

(3)選擇優質的路基填料。路基填料的質量對于路基長期服役性能的影響較大,級配良好的礫石混合料、粗砂質粉土、輕粉質黏土等具有較好的物理力學性質,其強度較高、水穩定性較好,屬于優質的路基填料,在實際工程中可以優先選擇,不允許使用淤泥土或含腐殖土的有機土。我國規范中對于液限超過50、塑性指數超過26的路基填料的使用做出了明確規定,即在使用該種填料時,必須對其采取翻曬或添加如石灰等材料穩定劑等措施進行改良,在檢查合格后才可使用。

(4)對特殊地基采取處理措施。當用地范圍中包含軟土地基或其他特殊土地基時,在填筑路基前必須采取必要的地基處理手段。當淤泥或軟土層厚度較小時可以采取砂礫墊層或者換填的方法;在軟土地基情況復雜的地段,主要考慮通過碎石樁、CFG樁等復合地基或者強夯法對地基進行處理。

4 結語

本文通過ABAQUS軟件進行數值模擬,分析了路基差異沉降對路面平整度的影響,最后提出了相應的工程措施,主要結論如下:

(1)路基的差異沉降和其他導致路基不平整的因素會通過道路的各個結構層逐步映射到瀝青路面表層,進而影響瀝青路面的平整度。路基的平整度是影響瀝青路面平整度的首要因素。路基的差異沉降對路面平整度的影響更多出現在公路的改擴建工程中。導致新老路基差異沉降的原因主要有3個,即新老路基之間的自身變形差異,新老路基的基礎固結程度差異以及新老路基之間的結合強度不足。

(2)根據ABAQUS數值計算結果,可將新老路基之間的差異沉降量對路面的影響大致分為4個階段。隨著差異沉降量的增大,路面的最大應力也在不斷增大。可通過路面的最大應力作為描述路面形變的指標,進一步描述路基差異沉降對路面平整性的影響,即隨著差異沉降逐漸增大,對路面平整性的影響也逐漸增大,當差異沉降達到某個值時,隨著差異沉降量的增大,對路面平整性的影響逐漸保持穩定。

(3)重點從減少路基差異沉降的角度提高路面平整度。減小路基差異沉降的主要方法包括:在填筑路基前完成清理工作;采用合理的方式處理半挖半填路基;選擇優質的路基填料;對特殊地基采取處理措施。