譚 悅

(上海機(jī)場(chǎng)(集團(tuán))有限公司虹橋國(guó)際機(jī)場(chǎng)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(kuò)散效應(yīng)，行車荷載在傳遞到路基時(shí)應(yīng)力等級(jí)已顯著下降。因此，不論是設(shè)計(jì)還是施工，對(duì)路基的重要性往往不足。我國(guó)現(xiàn)行的JTG D40-2002公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范［1］對(duì)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(guò)早出現(xiàn)損壞，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)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(duì)路基重要性的認(rèn)識(shí)，本文將從路基不均勻變形的形成機(jī)理和路基不均勻變形對(duì)路面影響程度兩方面進(jìn)行分析。

1 路基不均勻變形的機(jī)理

1)不良地質(zhì)、土質(zhì)。當(dāng)?shù)鼗写嬖谲浫跬翆訒r(shí)，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(huì)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(lái)說(shuō)，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(qiáng)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(kuò)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(qiáng)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(dāng)?shù)叵滤^高時(shí)，路基中的自由水在氣溫0℃以下會(huì)結(jié)冰，體積膨脹，路基易產(chǎn)生凍脹病害。少量?jī)雒浀奈：Σ淮?，但過(guò)量?jī)雒?，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(jìn)行融化下沉與壓密變形。同時(shí)，冰轉(zhuǎn)化為水會(huì)使路基濕度增大，使得路基承載能力及抗變形能力下降，會(huì)加劇路基的不均勻變形，進(jìn)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(lái)說(shuō)，粘土的融沉性大于砂土。4)荷載作用。路基的施工主控指標(biāo)為壓實(shí)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(shí)可能會(huì)出現(xiàn)不均勻變形。路基在運(yùn)行過(guò)程中的荷載作用主要來(lái)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(lái)自以下幾個(gè)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(fù)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(duì)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(shí)際工作狀況，來(lái)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(guó)現(xiàn)行水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范建議的標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)為軸兩邊的輪載在水泥板中不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力疊加，因此力學(xué)分析時(shí)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(huì)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(jì)算:

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

2)單元?jiǎng)澐?。一般?lái)說(shuō)，單元?jiǎng)澐衷郊?xì)，計(jì)算精度越高，但計(jì)算時(shí)間也越長(zhǎng)。因此，模型網(wǎng)格劃分的原則是在保證計(jì)算精度的前提下，盡量采用較少單元的數(shù)量，以優(yōu)化計(jì)算過(guò)程。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外各類文獻(xiàn)，總結(jié)了水泥混凝土路面有限元模型的單元?jiǎng)澐址椒ㄖ饕腥悾鐖D4所示。各類型單元?jiǎng)澐值膬?yōu)缺點(diǎn)如表1所示。本文在分析中采用第二種單元?jiǎng)澐址椒ā?/p>

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(duì)路面結(jié)構(gòu)最不利的位置，此時(shí)的荷載附加應(yīng)力最大。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)偏于保守的考慮，通常取臨界荷位的荷載應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。我國(guó)現(xiàn)行的水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算車輛荷載應(yīng)力時(shí)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(lái)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(duì)三種可能臨界荷位進(jìn)行試算。模型參數(shù)如表2所示，計(jì)算結(jié)果見表3。從表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，行車荷載作用在板角時(shí)，水泥板的撓度最大;處于橫縫中部(b荷位)時(shí)，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(yàn)證。為驗(yàn)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。仍取表2中計(jì)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(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，本文建立的有限元模型與Westergaard解析解計(jì)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(jì)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(jì)算模型結(jié)果對(duì)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(qiáng)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(huì)顯著增加。2)基礎(chǔ)強(qiáng)度越高，路基不均勻變形對(duì)路面結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力影響也越大。當(dāng)K從30 MN/m3增長(zhǎng)到400 MN/m3時(shí)，增長(zhǎng)率從20%左右增長(zhǎng)到50%左右。3)面層厚度對(duì)基礎(chǔ)不均勻的影響程度影響不大。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，可以得出以下結(jié)論:1)路基的不均勻變形機(jī)理主要可以分為4個(gè)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(guò)與Westergaard解析解的對(duì)比，驗(yàn)證了本文提出的3D有限元模型是合理可靠的。并通過(guò)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(huì)導(dǎo)致面層內(nèi)的荷載應(yīng)力顯著增加，且影響程度會(huì)隨著基礎(chǔ)強(qiáng)度的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

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

［2］ 談至明，姚祖康.軟土地基不均勻沉降對(duì)鋪面結(jié)構(gòu)影響分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，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(jì)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(xiàng)目研究報(bào)告［C］.2003.

［5］ 傅 波，王桂堯.路基差異沉降的形成原因及對(duì)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(qiáng)，陳 波，等.路基不均勻沉降對(duì)瀝青路面受力變形影響的有限元分析［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2004，17(1):12.