魏連雨，李 昊，2,馬新衛(wèi)

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2. 河北水利電力學(xué)院，河北 滄州 061000)

基于ABAQUS的檢查井井周路面力學(xué)特征分析及病害防治研究

魏連雨1，李 昊1，2,馬新衛(wèi)1

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2. 河北水利電力學(xué)院，河北 滄州 061000)

以天津市快速路為研究對(duì)象，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立檢查井井周路面結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析模型，分析了井周結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力的受力特點(diǎn)和變化規(guī)律，對(duì)防治檢查井井周病害提出的4種混凝土鋼筋骨架井圈做了可行性應(yīng)力分析。研究結(jié)果顯示：在汽車荷載駛?cè)胗蛛x開檢查井井周的過程中，檢查井井周混凝土頂層壓應(yīng)力和底層拉應(yīng)力都呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)；在混凝土井圈內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量等級(jí)的鋼筋骨架，可以有效地幫助混凝土承擔(dān)汽車荷載所造成的拉應(yīng)力作用，避免底層拉應(yīng)力破壞的現(xiàn)象發(fā)生，為檢查井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、井周病害防治以及施工提供了參考價(jià)值。

道路工程；檢查井；病害；有限元；力學(xué)分析；鋼筋骨架；防治措施

0 引 言

檢查井作為城市管網(wǎng)的重要組成部分，通常設(shè)置在城市道路上。檢查井的病害不僅影響道路的平整，還會(huì)對(duì)行駛車輛和行人的安全造成嚴(yán)重威脅。隨著我國(guó)城市機(jī)動(dòng)車數(shù)量逐年激增和城市居民出行頻率逐年增加，檢查井病害已經(jīng)對(duì)人們的生活和車輛的行駛安全造成相當(dāng)程度的影響，并受到各界的關(guān)注。對(duì)天津市路網(wǎng)道路中檢查井及井周路面病害進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如表1[1-5]，調(diào)查發(fā)現(xiàn)處于車行道上的檢查井井周破壞比較嚴(yán)重，出現(xiàn)面層龜裂、井口凹陷現(xiàn)象如圖1。為了解決檢查井井周病害問題，筆者以天津市快速路為研究對(duì)象，建立檢查井井周路面結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析模型，理論分析了井周結(jié)構(gòu)受力變化特點(diǎn)，并對(duì)提出的檢查井井周病害防治4種配筋措施做了分析。

表1 檢查井破壞情況統(tǒng)計(jì)Table 1 The damage of inspection chamber /座

圖1 檢查井破壞示例Fig.1 Example of the damages to the inspection well surroundings

1 檢查井井周路面力學(xué)模型

運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立力學(xué)模型進(jìn)行分析。模型采用天津市常用城市井體乙型結(jié)構(gòu)體，并簡(jiǎn)化成半圓柱形，模型半徑為1 400 mm，深640 mm，模型計(jì)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2，結(jié)構(gòu)分層模型如圖3。檢查井井蓋材料為鑄鐵，井圈周圍鋼筋混凝土選用直徑為8 mm的HRB335鋼筋，混凝土強(qiáng)度為C30，用MU10砌塊和M7.5的砂漿砌筑檢查井井筒。通過對(duì)天津市快速路路面結(jié)構(gòu)形式的調(diào)查，選取了具有代表性的路面結(jié)構(gòu)形式并設(shè)定了各材料的參數(shù)如表2[6-8]。

圖2 有限元模型計(jì)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(單位：mm)Fig.2 Structure diagram of finite element model

圖3 檢查井結(jié)構(gòu)分層模型Fig.3 The layered structure model of inspection well表2 各等級(jí)道路結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Table 2 The material parameters of each grade road structure

道路等級(jí)名稱厚度h/cm彈性模量E/MPa泊松比γ快速路細(xì)粒式瀝青混凝土412000.30粗粒式瀝青混凝土610000.30水泥穩(wěn)定碎石1815000.25快速路石灰粉煤灰碎石1814000.25石灰粉煤灰土188000.30

有限元分析的荷載采用城-A級(jí)車輛荷載[9-11]。由CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，城-A級(jí)車輛荷載以五軸式貨車加載為標(biāo)準(zhǔn)，最大軸重200 kN，作用面積為2×0.25×0.6=0.30 m2，單位面積上的荷載為0.67 MPa。由于模型采用半圓柱體進(jìn)行分析[12-15]，取單位面積均布矩形荷載0.67 MPa，作用面積為0.25×0.3=0.075 m2。

將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的A,B,C,H,I,J點(diǎn)和瀝青層中的三分點(diǎn)E,F,G點(diǎn)如圖4,共計(jì)9個(gè)點(diǎn),以及這些點(diǎn)對(duì)稱到左側(cè)的A’,B’,C’,H’,I’,J’,E’,F’,G’點(diǎn)，共計(jì)18個(gè)點(diǎn)作為分析點(diǎn)。假設(shè)井蓋中心為原點(diǎn)，研究車輛荷載由原點(diǎn)移動(dòng)到模型邊緣過程中，其作用中心橫坐標(biāo)分別為0,250,500,750,1 000,1 250 mm 6個(gè)位置的時(shí)候，18個(gè)分析點(diǎn)的受力狀況。根據(jù)對(duì)稱性，最終可以得到A,B,C,H,I,J,E,F,G各點(diǎn)從荷載-1 250 mm到1 250 mm位置的應(yīng)力變化情況。圖5為檢查井荷載作用位置圖。

圖4 模型分析點(diǎn)位置(單位：mm)Fig.4 Location of model analysized points

圖5 荷載作用位置(單位：mm)Fig.5 The map of loaded position

2 檢查井井周路面力學(xué)分析

分別對(duì)6種荷載位置時(shí)的模型進(jìn)行計(jì)算。圖6為點(diǎn)A,B,C的壓應(yīng)力σc和剪應(yīng)力τ隨荷載作用位置變化的曲線圖。

圖6 混凝土壓應(yīng)力及剪應(yīng)力變化曲線Fig.6 Change curve of compressive stress and shear stress of the concrete

由圖6(a)可知，在汽車荷載駛?cè)胗蛛x開檢查井井周的過程中，處于混凝土頂部的A,B,C3點(diǎn)的壓應(yīng)力總體呈現(xiàn)先逐漸增大后逐漸減小的變化過程。在汽車駛?cè)霗z查井井周的早期還呈現(xiàn)較弱的拉應(yīng)力現(xiàn)象，拉應(yīng)力在C點(diǎn)達(dá)到最大值為98.8 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于混凝土最大抗拉強(qiáng)度，不會(huì)導(dǎo)致混凝土頂層發(fā)生太大的受拉破壞。

由圖6(b)可知，在汽車荷載駛?cè)胗蛛x開檢查井井周的過程中，混凝土頂部的剪應(yīng)力產(chǎn)生兩次剪切作用，A,B,C3點(diǎn)的剪切峰值不同，但呈現(xiàn)的剪切曲線規(guī)律大體相似。剪切應(yīng)力在A點(diǎn)達(dá)到最大值為1.24 MPa，遠(yuǎn)低于混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗剪強(qiáng)度。不難看出由于在單次汽車荷載作用過程中，混凝土層中就會(huì)經(jīng)歷兩次反復(fù)剪切破壞，頻繁的剪切作用是加快混凝土層破壞、造成檢查井井周混凝土破碎開裂的又一大因素。

分別通過有限元模型對(duì)H,I,J3點(diǎn)進(jìn)行拉應(yīng)力σc計(jì)算，對(duì)E,F,G3點(diǎn)進(jìn)行剪應(yīng)力τ計(jì)算，得到各點(diǎn)隨作用位置變化的曲線圖，如圖7、圖8。

圖7 混凝土底層拉應(yīng)力變化曲線Fig.7 Change curve of bottom layer tensile stress of the concrete

由圖7可知，在汽車荷載駛?cè)胗蛛x開檢查井井周的過程中，快速路檢查井混凝土底層的H,I,J3點(diǎn)的拉應(yīng)力總體呈現(xiàn)先逐漸增大后逐漸減小的變化過程，各點(diǎn)在荷載經(jīng)過混凝土正上方時(shí)得到最大拉應(yīng)力值。3點(diǎn)最大拉應(yīng)力值為H點(diǎn)在橫坐標(biāo)500 mm處得到的2.38 MPa，高于C30混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度取值2.01 MPa,已經(jīng)可以對(duì)混凝土底層處產(chǎn)生破壞，且最大值發(fā)生在靠近井內(nèi)側(cè)的H點(diǎn)，更易造成檢查井井周的混凝土破損、龜裂。

圖8 瀝青層剪應(yīng)力變化曲線Fig.8 Change curve of shear stress of the asphalt

由圖8可知，在汽車荷載駛?cè)胗蛛x開檢查井井周的過程中，快速路檢查井瀝青層E,F,G3點(diǎn)分別產(chǎn)生兩次剪切作用。3點(diǎn)的剪切峰值不同，但呈現(xiàn)的剪切曲線規(guī)律大體相似，剪切應(yīng)力在F點(diǎn)達(dá)到最大值為0.21 MPa，低于瀝青標(biāo)準(zhǔn)抗剪強(qiáng)度。不難看出由于在單次汽車荷載作用過程中，瀝青層中就會(huì)經(jīng)歷兩次反復(fù)剪切破壞，頻繁的剪切作用將加速造成檢查井井周路面瀝青面層破碎開裂。

3 檢查井病害防治措施研究

由第2節(jié)受力分析可知，檢查井井周病害產(chǎn)生的一個(gè)重要原因便是混凝土底層抗拉強(qiáng)度無法抵抗汽車荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力。因此，選用直徑為8 mm的HRB335鋼筋，在混凝土井圈內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量等級(jí)的鋼筋骨架，可以有效地幫助混凝土承擔(dān)汽車荷載所造成的拉應(yīng)力作用，避免底層拉應(yīng)力破壞的現(xiàn)象發(fā)生。以下提出了幾種鋼筋骨架的方式，其所能承受的拉應(yīng)力能力由弱到強(qiáng)，如圖9。

圖9 鋼筋骨架模型Fig.9 Reinforcement cage model

在快速路路面結(jié)構(gòu)下，經(jīng)有限元模型計(jì)算，4種鋼筋模型的最大底層拉應(yīng)力σmax值隨荷載位置的變化情況如圖10。

圖10 混凝土底層最大拉應(yīng)力Fig.10 Max. tensile stress on the concrete basecourse

通過圖10分析可知，配置了模型1和模型2鋼筋骨架井圈的檢查井，當(dāng)汽車荷載經(jīng)過時(shí)，模型1混凝土底層最大拉應(yīng)力的峰值2.37 MPa和模型2的峰值2.27 MPa仍高于C30混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度取值；模型3和模型4是在模型2雙圈雙層鋼筋骨架的基礎(chǔ)上又加置了一定數(shù)量的方形鋼筋，模型3混凝土底層最大拉應(yīng)力的峰值為1.95 MPa，模型4混凝土底層最大拉應(yīng)力的峰值為1.86 MPa，都低于C30混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，兩種鋼筋骨架井圈很好地提高了鋼筋混凝土井圈承受底層拉應(yīng)力的能力，使檢查井能夠抵擋汽車荷載經(jīng)過產(chǎn)生的抗拉破壞，有效防止了井周病害的產(chǎn)生。

4 結(jié) 論

通過建立ABAQUS有限元模型，以天津市快速路為例對(duì)檢查井井周路面進(jìn)行力學(xué)分析，并對(duì)4種鋼筋骨架模型在快速路檢查井井周路面病害中的防治做了可行性應(yīng)力分析，得到如下結(jié)論：

1)在汽車荷載駛?cè)胗蛛x開檢查井井周的過程中，檢查井井周混凝土頂層壓應(yīng)力和底層拉應(yīng)力都呈現(xiàn)先增大又減小的變化趨勢(shì)；混凝土底層越靠近井壁內(nèi)側(cè)的點(diǎn)位，受到的拉應(yīng)力值越大，最大值2.38 MPa遠(yuǎn)高于C30混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度取值2.01 MPa,可以對(duì)混凝土底層處產(chǎn)生破壞，最終造成檢查井井周破損、龜裂等病害。瀝青底層的拉應(yīng)力值較小，造成其底層受拉破壞的可能性不大。

2)檢查井井周混凝土層和瀝青層在汽車單次荷載下都經(jīng)歷了兩次反復(fù)剪切作用，頻繁的剪切作用是造成檢查井周路面損壞的一個(gè)重要因素。

3)在混凝土井圈內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量等級(jí)的鋼筋骨架，可以有效地幫助混凝土承擔(dān)汽車荷載所造成的拉應(yīng)力作用，避免底層拉應(yīng)力破壞的現(xiàn)象發(fā)生。經(jīng)驗(yàn)證，在天津市快速路結(jié)構(gòu)中，加置模型3(雙圈雙層+8片方形鋼筋骨架)和模型4(雙圈雙層+12片方形鋼筋骨架)的混凝土井圈底層拉應(yīng)力低于C30混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，使檢查井能夠抵擋汽車荷載經(jīng)過產(chǎn)生的抗拉破壞，有效防止了井周病害的產(chǎn)生。在嚴(yán)格符合國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的前提下，可以根據(jù)實(shí)際交通狀況，長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，對(duì)交通量較大，汽車荷載量偏多偏大的道路，應(yīng)適當(dāng)?shù)奶岣咪摻钍褂脴?biāo)準(zhǔn)。

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Mechanics Analysis and Disease Prevention of the Pavement Around Inspection Well Using ABAQUS

WEI Lianyu1，LI Hao1，2，MA Xinwei1

(1. School of Civil Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，P.R.China；2.Hebei University of Water Resourles and Electric Engineering，Cangzhou 061000，Hebei，P.R.China)

Taking the Tianjin expressway as the research example, the finite element software abaqus was used to establish the finite element structure analysis model of the inspection well surroundings to analyze the force bearing characteristics and the variation of pull stress, compression stress and shear stress surround the inspection well .The results showed that: during the process of the vehicle passing to and from the surrounding area, the top compressive stress and the underlying tensile stress of concrete wells circle firstly increased and then decreased. Setting a certain number of steel skeleton in concrete wells circle helps concrete undertake tensile stress caused by the vehicle load and avoids underlying tensile stress damages. It will provids a great reference value to the inspection well structure design, its surrounding disease prevention and the manhole construction.Key words：highway engineering; inspection chamber;disease; finite element; mechanical analysis; steel skeleton; control measures

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.06

2015-02-20；

2015-06-28

河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(07216923)

魏連雨(1957—)，男，天津市人，教授，主要從事道路工程、交通工程方面的研究。E-mail：wly57@126.com。

李 昊(1987—)，男，河北滄州人，碩士，主要從事交通工程、道路與鐵道工程方面的研究。E-mail：czlh1987@163.com。

U418.6

A

1674-0696(2016)04-025-04