道路擴(kuò)建工程中路堤拼接部力學(xué)特性研究
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鄧松 李方超 姚波
(1．南京市市政設(shè)施綜合養(yǎng)護(hù)管理處南京 210011;
2．南京理工大學(xué)土木工程系 南京 210094)
摘要 道路擴(kuò)建工程中加寬路堤的填筑將會改變原有路基、路面的應(yīng)力場和應(yīng)變場，引起新舊路堤拼接部產(chǎn)生不均勻塑性累積變形和附加應(yīng)力。文中研究了道路擴(kuò)建工程中路堤拼接部力學(xué)特性。結(jié)果表明，道路加寬后路面最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在新舊路堤拼縫舊路側(cè)1m左右的位置，最大橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)在路堤中線位置。剪應(yīng)力相對拉應(yīng)力較小，應(yīng)加強(qiáng)拼縫處的抗拉性能。道路加寬寬度越大，對地基和路堤的沉降影響越不利。道路擴(kuò)建工程須重視拼接部位地基和路堤不均勻沉降及其引發(fā)的病害，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┯枰越鉀Q。
關(guān)鍵詞 道路擴(kuò)建 路堤拼接 不均勻沉降 有限元分析
新舊道路拼接部位的不均勻沉降及其引發(fā)的病害是高速公路擴(kuò)建工程中的主要技術(shù)問題之一。新路堤填筑施工時，舊路堤已經(jīng)過多年行車荷載的反復(fù)振動、沖擊與壓實(shí)，同時也經(jīng)受了多年的氣候變化，以及地下水升降變化的影響，路堤填土的密實(shí)度已接近或達(dá)到最佳密實(shí)狀態(tài)，沉降已趨于穩(wěn)定；而新填路堤盡管嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)與施工規(guī)范進(jìn)行碾壓，但由于未能充分經(jīng)受荷載作用和外部環(huán)境條件的變化，必然要經(jīng)歷固結(jié)沉降的過程，在擴(kuò)建工程完成后長期交通荷載作用下，新舊路堤拼接部產(chǎn)生路面結(jié)構(gòu)的不均勻塑性累積變形和附加應(yīng)力，從而引起縱向開裂并將裂縫反射到路面，減弱路面的整體強(qiáng)度，影響道路的使用性能。
新舊路堤的差異變形主要是由3部分組成：地基在新路堤荷載作用下發(fā)生的固結(jié)變形；新路堤在自身荷載作用下發(fā)生的壓縮變形；新路堤在行車荷載作用下發(fā)生的累計(jì)塑性變形。目前國內(nèi)多用分層總和法和有限單元法來計(jì)算差異沉降，但分層總和法無法考慮新舊路堤的相互影響，在新舊路堤接合處的差異沉降計(jì)算值偏大，不能有效地模擬路堤沉降差異的橫斷面形狀，且只能計(jì)算出地基頂面的不均勻變形，無法反映出路堤頂面的實(shí)際沉降橫斷面圖，而后者對路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有著較大的影響。本文通過有限元方法研究新舊路堤拼接部路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，為高速公路擴(kuò)建工程中新舊路堤接合部處治措施的設(shè)計(jì)提供參考。
1 有限元計(jì)算模型和材料參數(shù)
本文計(jì)算模型基于雙向4車道公路擴(kuò)寬工程，頂面寬24 m，采用在原有道路兩側(cè)對稱加寬的方案。新路堤拼接寬度6分別取4，8，12 m，路基橫向?qū)挾热?0 m。由于路堤結(jié)構(gòu)的對稱性，為保證計(jì)算精度并減小模型和減少計(jì)算量，取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，在對稱面處施加對稱邊界條件，即平面外移動和平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)被設(shè)置為0。路面縱向長度取15 m，計(jì)算時也取一半結(jié)構(gòu)，即7.5 m。新1日路堤高度均取5.0 m，舊路堤和加寬路堤邊坡均取1：1.5。道路拼接結(jié)構(gòu)幾何模型見圖1。
本文采用Abaqus有限元軟件，研究擴(kuò)建道路路堤拼接部路面的力學(xué)特性。對于國內(nèi)大多數(shù)擴(kuò)建道路，舊路路堤均可認(rèn)為已經(jīng)完成固結(jié)沉降，因此路面原結(jié)構(gòu)層和舊路堤假設(shè)為均質(zhì)連續(xù)、各向同性的線彈性材料，其力學(xué)特性采用彈性模量E和泊松比u表征，采用C3D8R單元模擬，其計(jì)算速度快、位移結(jié)果較精確，特別適用于細(xì)分網(wǎng)格；擴(kuò)建側(cè)路堤為彈塑性材料，用Mohr-Coulomb模型模擬；路基路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)取值見表1。
由于地基尺寸大于路堤，而荷載施加于路面表面，因此劃分網(wǎng)格時采用局部加密的方法，地基單元劃分較為稀疏，而路面和路堤單元較細(xì)密。汽車荷載按照單軸雙輪荷載考慮，軸重100 kN，按面積等效轉(zhuǎn)換為0.2 m×0.2 m的方形荷載，中心間距0.3 m，輪胎地面接觸壓力為0.7 MPa，并假定輪載作用于新路面的最外側(cè)。邊界條件為地基底面完全約束，地基外側(cè)橫向位移約束。有限元模型見圖2。
2有限元計(jì)算結(jié)果
2.1變形計(jì)算結(jié)果
道路加寬寬度為8m時地基表面沉降見圖3。
由圖3可見，由于新路堤的影響，路堤中心線處地基向上略有拱起，但位移較小。從路堤中心線向外，地基的沉降值不斷增大，在舊路堤邊坡坡角附近產(chǎn)生最大沉降，最大沉降值約7 cm，再向外側(cè)時沉降又開始減小。因此，新路堤引起地基產(chǎn)生不均勻沉降，影響路面服務(wù)性能。
表2列出了不同道路加寬寬度下地基表面的沉降情況。
由表2可見，隨著道路加寬寬度的增加，施工期末舊路路堤中心處的位移增大，但最大不超過1 cm。最大沉降的位置隨加寬寬度的增加而向外移動，最大沉降值也隨加寬寬度的增加而增加，加寬寬度為12 m時，最大沉降可達(dá)9.8 cm，因此道路擴(kuò)建加寬工程必須高度重視拼接部位地基不均勻沉降及其引發(fā)的病害，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┯枰越鉀Q。
圖4為道路加寬8m時路堤表面的沉降。
由圖4可見，從路堤中心線向外，路堤表面的沉降不斷增大，而且沉降變形主要發(fā)生在新加寬路堤部分，最大沉降可達(dá)3cm。同時，計(jì)算得到的路面表面沉降與路堤表面豎向位移曲線幾乎一致，表明路面結(jié)構(gòu)壓縮變形量較小，主要是隨路堤同步沉降。
表3列出了不同加寬寬度下路堤表面的豎向位移情況。
由表3可見，隨著道路加寬寬度的增加，路堤表面最大沉降量迅速增加，路堤中心線處位移和形成坡度也隨之增大，這表明道路加寬寬度越大，對路堤的影響越不利。
2.2應(yīng)力計(jì)算結(jié)果
圖5為不同加寬寬度時路面橫斷面中剪應(yīng)力分布圖。
由圖5可見，最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在新舊路堤拼縫舊路側(cè)1 m左右，出現(xiàn)的位置與加寬寬度相關(guān)性較小。隨著加寬寬度的增加，最大剪應(yīng)力的數(shù)值隨之增長，但增加的趨勢趨緩。從圖中可以看出，加寬12 m和加寬8m2種條件下路面剪應(yīng)力大小較為相似。對于3種道路加寬寬度，路面剪應(yīng)力均較小，表明剪切破壞并非拼接部路面的主要破壞形式。
圖6為不同加寬寬度時路面橫斷面中的橫向拉應(yīng)力變化。
由圖6可見，最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在路堤中線位置，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在加寬路面邊緣的位置。最大拉應(yīng)力的數(shù)值并非隨加寬寬度的增加而單調(diào)減少，當(dāng)加寬寬度從4m增加到8m，最大拉應(yīng)力從0.19 MPa減少到0.07 MPa；而當(dāng)加寬寬度從8m增大到12 m時，最大拉應(yīng)力又增加到0.15 MPa。因此，道路加寬8m時路面橫向拉應(yīng)力最小。
通過應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，可以看到，面層以及基層的拼縫處均受到剪應(yīng)力和拉應(yīng)力的共同作用，雖然剪應(yīng)力和拉應(yīng)力均不足以造成路面結(jié)構(gòu)的破壞，但本文的有限元分析中沒有考慮拼縫的影響以及由于拼縫而引起的應(yīng)力集中，所以對于拼縫附近應(yīng)力較大的部位，尤其新舊路堤拼縫舊路側(cè)1m左右的位置需予以重視。此外，由圖5和圖6可看出，剪應(yīng)力隨路基拼寬影響較小，而拉應(yīng)力受加寬寬度的影響較大，因此應(yīng)加強(qiáng)拼縫處的抗拉性能，施工時采用具有較好粘附性的改性乳化瀝青粘層油并加強(qiáng)拼縫處的碾壓，提高拼縫處瀝青混凝土的密實(shí)度，必要時可鋪設(shè)土工合成材料。
3結(jié)論
(1)新路堤施工后，從路堤中心線向外，地基的沉降值不斷增大，在舊路堤邊坡坡角附近產(chǎn)生最大沉降，最大沉降值約7 cm，再向外側(cè)時沉降又開始減小。
(2)由于新路堤的影響，路堤中心線處地基向上略有拱起，但位移較小。最大沉降的位置隨加寬寬度的增加而向外移動，最大沉降值也隨加寬寬度的增加而增加，加寬寬度為12 m時，最大沉降可達(dá)9.8 cm。
(3)道路加寬后路面最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在新舊路堤拼縫舊路側(cè)1 m左右的位置，最大橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)在路堤中線位置。剪應(yīng)力相對拉應(yīng)力較小，應(yīng)加強(qiáng)拼縫處的抗拉性能。
(4)道路加寬寬度越大，對地基和路堤的沉降影響越不利。道路擴(kuò)建加寬工程須重視拼接部位地基和路堤不均勻沉降及其引發(fā)的病害，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┯枰越鉀Q。
