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        路基不均勻沉降對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響

        2015-10-14 03:21:46孫麗娟蘇丹娜劉兵偉
        河南科技 2015年23期
        關(guān)鍵詞:層底結(jié)構(gòu)層瀝青路面

        孫麗娟 蘇丹娜 劉兵偉

        (1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,河南 鄭州 450052;2.河南省交院工程加固檢測(cè)有限公司,河南 鄭州 450052)

        路基不均勻沉降對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響

        孫麗娟1蘇丹娜1劉兵偉2

        (1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,河南鄭州450052;2.河南省交院工程加固檢測(cè)有限公司,河南鄭州450052)

        本論文采用ABAQUS軟件分析了地基的不均勻沉降量對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力分析。通過計(jì)算分析認(rèn)為隨著地基不均勻沉降量的增加,路面各結(jié)構(gòu)層的水平附加應(yīng)力呈現(xiàn)增加的趨勢(shì);路基的不均勻沉降量對(duì)面層豎向附加應(yīng)力值影響較小,但是對(duì)基層和底基層層底豎向附加應(yīng)力值影響較大。在設(shè)有底基層的半剛性基層層底拉應(yīng)力較無底基層的小,因此,增設(shè)底基層,可降低路基不均勻沉降量對(duì)半剛性基層層底最大拉應(yīng)力的影響。

        地基不均勻沉降;瀝青路面;附加應(yīng)力

        在公路工程中,會(huì)經(jīng)常由于路基壓實(shí)度不夠或者路基回填不密實(shí),路基會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降,本文所分析的路基不均勻沉降為橫向沉降差異,會(huì)導(dǎo)致路面平整度,使路面橫向排水坡度受到影響[1]。由于路基的不均勻沉降將會(huì)在路面結(jié)構(gòu)層中產(chǎn)生附加應(yīng)力,在車輛荷載與溫度荷載的共同作用下,會(huì)使路面結(jié)構(gòu)層破壞加速,導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層在車輛反復(fù)荷載作用下產(chǎn)生長(zhǎng)大、縱向開裂,并伴隨著路面車轍、沉陷等損壞,嚴(yán)重影響路面結(jié)構(gòu)的使用性能。文獻(xiàn)[2]以解析解的形式詳細(xì)分析了軟土地基上路面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力的影響,分析中認(rèn)為,基層厚度增加時(shí),路面各結(jié)構(gòu)層的附加應(yīng)力均增加,故在設(shè)計(jì)當(dāng)中,以增加基層厚度來降低不均勻沉降所產(chǎn)生的附加應(yīng)力的做法不可取。文獻(xiàn)[3]研究認(rèn)為采用半剛性基層瀝青路面具有消散具有應(yīng)力消散能力,適應(yīng)于軟土地基的合理瀝青路面結(jié)構(gòu)。

        1 數(shù)值計(jì)算模型

        本文中采用有限元分析軟件ABAQUS軟件,建立有限元模型,進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。在分析當(dāng)中,假設(shè)路面結(jié)構(gòu)層為彈性多層體系,各路面結(jié)構(gòu)層為完全接觸狀態(tài),按平面應(yīng)變問題來進(jìn)行分析,并考慮分析了碎石穩(wěn)定底基層對(duì)地基不均勻沉降的影響。

        1.1模型幾何尺寸

        瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)有限元模型中路面寬度為16.75m,上面層厚度取5cm,下面層厚度7cm,基層考慮半剛性基層材料,厚度取35cm,底基層厚度取20cm的水泥穩(wěn)定碎石。其模型結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

        圖1 附加應(yīng)力計(jì)算模型

        1.2材料參數(shù)

        有限元模型中的材料參數(shù)見表1。面層、基層和墊層的材料參數(shù)如下表所示。

        表1 瀝青混凝土結(jié)構(gòu)模型主要材料參數(shù)

        經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證和計(jì)算分析,路基不均勻沉降在路面的橫斷面往往會(huì)引起反拱變形,即路基中心沉降大,兩側(cè)小,可用二次拋物線或余弦曲線方程控制,如余弦曲線的方程為[2]:

        式中,δmax為路堤中點(diǎn)最大沉降量;B為路面寬。

        本次計(jì)算模型中,瀝青路面的局部不均勻沉降假設(shè)為沿線路中線對(duì)稱發(fā)生,沉降半徑分別為1m、2m、3m、4m、5m,計(jì)算不均勻沉降量δmax在1cm、3cm、5cm、7cm、9cm變化范圍內(nèi)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部響應(yīng),主要計(jì)算最不利位置處的應(yīng)力應(yīng)變情況。

        2 計(jì)算結(jié)果分析

        圖2 面層、基層和底基層的附加應(yīng)力σx

        有圖2可知,面層、基層和底基層的附加應(yīng)力隨著不均勻沉降量的增加呈線性增加,而且底基層層底的水平附加應(yīng)力隨著地基不均勻沉降量值的增加而變化幅度較小。上面層層底的附加水平應(yīng)力隨著地基不均勻沉降量的增加較下面層層底的水平附加應(yīng)力值大。

        圖3 面層、基層和底基層的附加應(yīng)力σy

        由圖3可知,隨著地基不均勻沉降量的增加,基層和底基層層底產(chǎn)生較大的豎向附加應(yīng)力值,而且其豎向附加應(yīng)力值增加幅度值較大;由于地基不均勻沉降,上面層層底產(chǎn)生豎向附加應(yīng)力值,而且其值隨著地基不均勻沉降值的增加而增加,但是下面層層底豎向附加應(yīng)力值很小,而且隨著地基不均勻沉降值的增加而增加緩慢。

        圖4 層間的附加剪應(yīng)力τxy

        由圖4可知地基的不均勻沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)層各層間剪應(yīng)力的影響也呈現(xiàn)線性增大;而且上面層層底的剪應(yīng)力較下面層層底剪應(yīng)力值大。

        圖5 兩種情況下基層附加應(yīng)力σx

        由圖5可知,在設(shè)有底基層的路基上,其半剛性基層層底的附加應(yīng)力要小于路基上沒有設(shè)底基層的情況。其主要原因結(jié)合圖2知,由于路基設(shè)有底基層,故地基在不均勻沉降過程中底基層也分擔(dān)了一部分應(yīng)力,使得半剛性基層的附加應(yīng)力減少。

        3 結(jié)語(yǔ)

        通過以上計(jì)算分析可得出如下結(jié)論:

        ①路面各結(jié)構(gòu)層隨著路基不均勻沉降值的增加,水平附加應(yīng)力是逐漸增加的,而且對(duì)路面結(jié)構(gòu)層層間剪應(yīng)力的影響較大。

        ②路基的不均勻沉降量對(duì)面層豎向附加應(yīng)力值影響較小,但是對(duì)基層和底基層層底豎向附加應(yīng)力值影響較大。

        ③在設(shè)有底基層和沒有設(shè)底基層的路基上,有底基層的基層底部的最大拉應(yīng)力值小于路基上沒有設(shè)底基層的基層層底拉應(yīng)力,因此,增設(shè)底基層,可降低路基不均勻沉降量對(duì)半剛性基層層底最大拉應(yīng)力的影響。

        [1]廖公云,黃曉明,楊慶剛.不同路面結(jié)構(gòu)對(duì)軟基不均勻沉降的適應(yīng)性研究[J].公路交通科技,2007,4(24):34-38.

        [2]張嘉凡,張慧梅.軟土地基路基不均勻沉降引起路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,5(3):21-25.

        [3]楊慶剛,王鵬.軟土地基上不同瀝青路面結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性研究[J].公路交通科技,2006,9(9):27-31.

        U416.22 ;TU447,

        A

        1003-5168(2015)-12-0026-2

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