路基不均勻變形對路面影響的研究

譚 悅

(上海機場(集團)有限公司虹橋國際機場公司，上海 200335)

路基是路面結(jié)構(gòu)最下層，由于路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力擴散效應(yīng)，行車荷載在傳遞到路基時應(yīng)力等級已顯著下降。因此，不論是設(shè)計還是施工，對路基的重要性往往不足。我國現(xiàn)行的JTG D40-2002公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范［1］對路基的要求為“提供穩(wěn)定、均勻的支撐”。大量數(shù)據(jù)顯示，很多由于路基的問題導(dǎo)致公路過早出現(xiàn)損壞，無法達到設(shè)計使用壽命［2，3］。常見由路基引起的路面損壞現(xiàn)象有:脫空、唧泥、橋頭跳車、坍塌、滑坡等。為了提高對路基重要性的認識，本文將從路基不均勻變形的形成機理和路基不均勻變形對路面影響程度兩方面進行分析。

1 路基不均勻變形的機理

1)不良地質(zhì)、土質(zhì)。當?shù)鼗写嬖谲浫跬翆訒r，地基的承載能力和抗變形能力較差。在軟弱土層具有一定厚度的條件下，由于路堤自重及行車荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力，軟弱土層會發(fā)生固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降和側(cè)向塑性擠出，并反映到路基頂面，導(dǎo)致明顯的不均勻變形，如圖1所示。一般來說，土體的天然含水量越高、天然孔隙比越大，則壓縮系數(shù)越大、承載力越低，路基的沉降量和沉降差越大;抗剪強度和承載力越低，則側(cè)向塑性擠出甚至局部坍滑的可能性越大。如軟土、膨脹土等不良土質(zhì)，在施工階段處置不到位，后期很容易產(chǎn)生不均勻變形現(xiàn)象。2)新老路基結(jié)合。由于道路擴建或山區(qū)的“半填半挖”路基形成的路基結(jié)合面，由于兩側(cè)土質(zhì)的差異，很容易出現(xiàn)不均勻變形［4，5］。這種情況下出現(xiàn)不均勻變形的原因有很多，主要包括新老路基的自身壓縮變形;新路基作用下土基的固結(jié)沉降;新老路基結(jié)合部結(jié)合強度不足等。新老路基差異沉降示意圖見圖2。3)凍融。季節(jié)性凍脹地區(qū)，當?shù)叵滤^高時，路基中的自由水在氣溫0℃以下會結(jié)冰，體積膨脹，路基易產(chǎn)生凍脹病害。少量凍脹的危害不大，但過量凍脹，特別是不均勻凍脹，可使路面出現(xiàn)隆起變形而影響行駛的平穩(wěn)性。隨著氣溫的升高，季節(jié)凍融層的土由凍結(jié)狀態(tài)變?yōu)槿诨癄顟B(tài)，在土體重力作用下進行融化下沉與壓密變形。同時，冰轉(zhuǎn)化為水會使路基濕度增大，使得路基承載能力及抗變形能力下降，會加劇路基的不均勻變形，進而導(dǎo)致翻漿、唧泥病害。路基的融沉程度主要與路基的土質(zhì)、含水量有關(guān)［6］。一般來說，粘土的融沉性大于砂土。4)荷載作用。路基的施工主控指標為壓實度和彎沉值。但受施工變異性影響，路基在受到外部不均勻荷載作用時可能會出現(xiàn)不均勻變形。路基在運行過程中的荷載作用主要來自兩方面:自重和行車荷載。這種情況在填方路基中尤為明顯。路基中的附加應(yīng)力主要來自以下幾個方面:a.車載，尤其超載情況;b.含水量變化造成土體容重的改變;c.地下水位升降而導(dǎo)致浮力作用改變;d.土體飽和度改變，引起負孔隙水壓力改變。這部分附加應(yīng)力引起土體中有效應(yīng)力改變，從而導(dǎo)致土體發(fā)生壓縮變形。圖3為填方路基不均勻變形示意圖。

圖1 地基中軟土層導(dǎo)致的不均勻變形

圖2 新老路基差異沉降示意圖

圖3 填方路基不均勻變形示意圖

2 路基不均勻變形對路面的影響

本文借助有限元軟件ANSYS，考慮地基的不均勻變形，建立相應(yīng)的力學(xué)模型，模擬水泥路面板的實際工作狀況，來求解水泥板的力學(xué)響應(yīng)［7］。

2.1 建立3D有限元數(shù)值模型

1)行車荷載。公路車輛荷載分四種基本類型:單軸—單輪，單軸—雙輪，雙軸—雙輪和三軸—雙輪。根據(jù)我國現(xiàn)行水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范建議的標準單軸—雙輪軸載作用形式，取軸載100 kN，輪胎觸地壓力0.7 MPa。由于輪距為165 cm～186 cm，可以認為軸兩邊的輪載在水泥板中不會產(chǎn)生應(yīng)力疊加，因此力學(xué)分析時只考慮一邊輪載。輪印隨著輪載、充氣壓力和輪胎類型的不同會呈現(xiàn)出不同的形狀。本文選用矩形輪印的假定，單輪輪印尺寸按式(1)和式(2)計算:

其中，La為輪印寬，m;Lb為輪印長，m;P為輪載，MN;p為輪胎觸地壓力，MPa。

2)單元劃分。一般來說，單元劃分越細，計算精度越高，但計算時間也越長。因此，模型網(wǎng)格劃分的原則是在保證計算精度的前提下，盡量采用較少單元的數(shù)量，以優(yōu)化計算過程。本文結(jié)合國內(nèi)外各類文獻，總結(jié)了水泥混凝土路面有限元模型的單元劃分方法主要有三類，如圖4所示。各類型單元劃分的優(yōu)缺點如表1所示。本文在分析中采用第二種單元劃分方法。

圖4 網(wǎng)格劃分方式示意圖

表1 網(wǎng)格劃分方式比較

3)臨界荷位。臨界荷位指的是車輛荷載作用在路面上對路面結(jié)構(gòu)最不利的位置，此時的荷載附加應(yīng)力最大。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時偏于保守的考慮，通常取臨界荷位的荷載應(yīng)力進行計算。我國現(xiàn)行的水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范計算車輛荷載應(yīng)力時的臨界荷位為縱縫板邊中部(見圖5c))。而本文的車輛荷載應(yīng)力需考慮地基不均勻變形帶來的附加應(yīng)力，因此臨界荷位還可能出現(xiàn)在板角(見圖5a))和橫縫板邊中部(見圖5b))。為了確定臨界荷位，本文對三種可能臨界荷位進行試算。模型參數(shù)如表2所示，計算結(jié)果見表3。從表3的計算結(jié)果可以看出，行車荷載作用在板角時，水泥板的撓度最大;處于橫縫中部(b荷位)時，在地基不均勻變形條件下，板中拉應(yīng)力最大。因此可確定水泥板橫縫板邊中部位為臨界荷位。

4)模型驗證。為驗證本文建立的三維有限元模型的可靠性，分別與威斯特卡德(Westergaard)解的計算結(jié)果進行比較。仍取表2中計算參數(shù)，在板中、板邊和板角受荷三種情況下，水泥板中最大拉應(yīng)力和撓度值列于表4中。由表4計算結(jié)果對比可知，本文建立的有限元模型與Westergaard解析解計算結(jié)果基本相符，證明模型是正確、合理的，可用于下一步結(jié)構(gòu)分析。

圖5 輪載作用臨界荷位圖示

表2 有限元模型計算參數(shù)

表3 荷載不同作用位置下水泥板最大彎拉應(yīng)力及其最大撓度

表4 不同計算模型結(jié)果對比

2.2 分析結(jié)果

采用上述有限元模型，4種面層厚度、9種基礎(chǔ)強度共36種工況條件下的路面荷載應(yīng)力，如表5所示。

表5 不同工況條件下路面荷載應(yīng)力

分析表5中數(shù)據(jù)可以得出以下規(guī)律:1)路基出現(xiàn)不均勻變形后，面層的荷載應(yīng)力會顯著增加。2)基礎(chǔ)強度越高，路基不均勻變形對路面結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力影響也越大。當K從30 MN/m3增長到400 MN/m3時，增長率從20%左右增長到50%左右。3)面層厚度對基礎(chǔ)不均勻的影響程度影響不大。

3 結(jié)語

通過以上分析，可以得出以下結(jié)論:1)路基的不均勻變形機理主要可以分為4個方面，分別為不良地質(zhì)、凍融作用、新老路基交接面影響和荷載作用。2)通過與Westergaard解析解的對比，驗證了本文提出的3D有限元模型是合理可靠的。并通過試算，明確了橫縫中部為地基不均勻狀態(tài)下面層結(jié)構(gòu)受力的最不利荷位。3)路基不均勻變形會導(dǎo)致面層內(nèi)的荷載應(yīng)力顯著增加，且影響程度會隨著基礎(chǔ)強度的增長而增長。

［1］ JTG D40-2002，公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ 談至明，姚祖康.軟土地基不均勻沉降對鋪面結(jié)構(gòu)影響分析［J］.巖土工程學(xué)報，1989，11(2):54-63.

［3］ 文暢平，周建普.剛性路面半剛性基層在路基不均勻沉降下的力學(xué)分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2005，5(22):1763-1765，1769.

［4］ 同濟大學(xué).新老路基結(jié)合部處治技術(shù)［A］.西部交通建設(shè)科技項目研究報告［C］.2003.

［5］ 傅 波，王桂堯.路基差異沉降的形成原因及對路面開裂的影響分析［J］.中外公路，2006，26(3):39-41.

［6］ 宋 琿，朱 明，袁文忠.季節(jié)性凍土地區(qū)路基的凍脹與融沉［J］.路基工程，2007(1):26-28.

［7］ 鄧衛(wèi)東，張興強，陳 波，等.路基不均勻沉降對瀝青路面受力變形影響的有限元分析［J］.中國公路學(xué)報，2004，17(1):12.