王鐵權(quán)，毛雪松，王莉云，王小鵬

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714025；2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710064； 3.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 451450)

0 引 言

為了減少公路病害，提高多年凍土區(qū)公路建設(shè)技術(shù)，國內(nèi)眾多學(xué)者分別以青藏公路和青康公路為研究對象，進(jìn)行了廣泛的研究[1-5]。朱東鵬等根據(jù)青藏公路五道梁路段的氣候環(huán)境與實(shí)際工況，建立了路面結(jié)構(gòu)溫度場有限元計(jì)算模型，并對不同道路結(jié)構(gòu)的路面溫度場分布特性進(jìn)行了對比分析[6]。毛雪松基于高寒地區(qū)特殊的自然環(huán)境和半剛性材料的成形特點(diǎn)，提出并驗(yàn)證了具有高效環(huán)保特性的半剛性基層保溫袋養(yǎng)護(hù)方式，可有效抑制半剛性基層的溫縮裂縫[7]。張久鵬等結(jié)合凍土地區(qū)實(shí)測溫度數(shù)據(jù)，研究了多年凍土區(qū)路基溫度場變化特性和路面結(jié)構(gòu)融沉附加應(yīng)力[8]。李金平等根據(jù)國道G214典型路段的地溫實(shí)測資料，研究了G214沿線瀝青和水泥2種路面結(jié)構(gòu)下路基溫度的差異，分析了不同路面結(jié)構(gòu)對路基溫度的影響[9]。穆柯等基于熱力耦合理論建立了路基路面結(jié)構(gòu)有限元模型，研究了不同路基尺度作用下，路基融沉對不同路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)的影響[10]。王磊等通過ANSY有限元軟件分析了路面面層厚度、面層模量、面層線膨脹系數(shù)和氣溫狀況對瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的影響[11]。王小艷等應(yīng)用ABAQUS軟件分析了青藏公路路面結(jié)構(gòu)對路基不均勻變形的適應(yīng)性，建立路基不均勻變形誘發(fā)路面結(jié)構(gòu)破壞的響應(yīng)模型[12]。李洪蛟等從結(jié)構(gòu)破壞角度、行車舒適安全角度提出了青藏公路路基路面結(jié)構(gòu)橫向、縱向不均勻變形處治指標(biāo)[13]。徐安花通過分析研究國道G214沿線凍土段病害，提出了多年凍土區(qū)公路路面的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)體系[14]。

然而，已有研究成果大多是基于二級(jí)及以下低等級(jí)公路的病害治理，其建設(shè)技術(shù)不能完全滿足多年凍土區(qū)高等級(jí)公路的建設(shè)要求?；谘芯啃螤睿疚囊怨灿窀咚僖黄谠囼?yàn)路段為依托，采用Flac3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究多年凍土區(qū)高等級(jí)公路不同路面結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)和規(guī)律。

1 依托工程

1.1 工程概況

共和至玉樹高速公路始于共和縣恰卜恰鎮(zhèn)，終于玉樹藏族自治州結(jié)古鎮(zhèn)，全長634.88 km，是原有G214共和至玉樹段改建而成。新建高速公路與現(xiàn)有舊路互有交叉，有整幅、分幅、相互交叉等多種形式，分離式單幅路基寬10 m，整體式路基寬21.5 m。本文選取共玉高速一期工程K629+800～K634+200標(biāo)段長4.4 km的試驗(yàn)路段和生產(chǎn)路段為研究對象，進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)變形分析。

1.2 依托工程路面結(jié)構(gòu)

共玉高速GYI-SGB3合同段樁號(hào)K629+800～K634+200標(biāo)段長4.4 km的試驗(yàn)路段和生產(chǎn)路段共有5種不同的路面結(jié)構(gòu)，如表1所示。本文根據(jù)路面結(jié)構(gòu)類型劃分為3類，即：半剛性基層瀝青路面(生產(chǎn)路段)、復(fù)合式基層瀝青路面(K629+800～K630+800)和柔性基層瀝青路面(K630+800～K634+200)。

表1 依托工程路面結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模型的建立

本文運(yùn)用Flac3D軟件構(gòu)建路基路面結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算模型，確定模型的材料參數(shù)、本構(gòu)模型和邊界條件。

2.1 路基路面結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型

2.1.1 路面結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型

本文選取生產(chǎn)路段、試驗(yàn)路段K629+800～K630+800和K632+000～K633+200，建立路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，如圖2所示。

圖1 路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2.1.2 路基結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型

共玉高速公路采用分離式路基，路基邊坡坡度為1∶1.5，路基頂面寬度為10 m。從路基縱向開裂、溫度場分布、凍土保護(hù)等角度給出的不同凍土類型下路基高度的建議值[15]，結(jié)合已有研究成果和試驗(yàn)路段實(shí)際工況，本模型中路基高度取2 m。研究表明，路基坡腳兩側(cè)路基寬度2.5倍以外的天然土體對路基路面的結(jié)構(gòu)行為幾乎無影響，因此計(jì)算模型選取路基坡腳外25 m作為計(jì)算寬度。根據(jù)青藏公路典型土的分布情況和常用路基填料，選取路基填料A為砂礫土；地基分為B、C兩層，B為含礫亞黏土季節(jié)活動(dòng)層，深度取3 m，C為強(qiáng)風(fēng)化泥巖多年凍土層，深度取17 m。

圖2 路基結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2.1.3 路基路面結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型

已知公路結(jié)構(gòu)以路基中心線對稱，為了減少計(jì)算單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)目，本文采用半幅路面進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，如圖3所示。

圖3 路基路面結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

2.2 模型邊界條件

2.2.1 溫度場邊界條件

采用Flac3D流固熱耦合模塊進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，需要確定合理的溫度場邊界條件。俞祁浩、肖璇等[16-17]研究人員在綜合分析了氣溫、輻射、降水等對模型上邊界溫度影響的基礎(chǔ)上，擬合出上邊界溫度隨時(shí)間變化的三角函數(shù)公式

(1)

式中：T0為年平均氣溫，根據(jù)試驗(yàn)路段的自然環(huán)境取-5.5 ℃；ΔT為附面層總溫度增量，瀝青路面、路基邊坡、天然地表取值分別為6.5 ℃、4.5 ℃、2.5 ℃；α為年增溫率，α=0.035 ℃·a-1；t為模型耦合計(jì)算時(shí)間(h)；A為上邊界溫度物理振幅，瀝青路面、路基邊坡、天然地表A的取值分別為15.15 ℃、14.5 ℃、11.5 ℃。

根據(jù)青藏高原地溫監(jiān)測資料確定天然地表以下20 m處的模型底部采用恒溫邊界條件，取值為-2.0 ℃。研究發(fā)現(xiàn)路基對路基坡腳兩側(cè)25 m以外的天然地表溫度場影響甚微，故本文確定模型中地基右側(cè)為絕熱邊界。

2.2.2 水分邊界條件

將瀝青混凝土面層視為不透水界面；路基施工的最佳含水率取14%。

2.2.3 位移邊界條件

在模型左右兩側(cè)x、y方向上施加約束，只允許模型在z方向上發(fā)生位移；地基底部采用固定約束。

2.2.4 荷載邊界條件

初始應(yīng)力場為重力場，將重力荷載施加于計(jì)算模型上。外荷載主要為車輛荷載，根據(jù)依托工程路段的實(shí)際通車情況確定車輛荷載的分布形式。

2.3 模型材料參數(shù)

根據(jù)依托工程實(shí)測資料并參考相關(guān)文獻(xiàn)[18-21]，綜合考慮凍融循環(huán)作用下路基路面材料性能隨時(shí)間的變化，確定了道路模型數(shù)值計(jì)算所需要的熱物理參數(shù)(表2)、水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)(表3)和力學(xué)參數(shù)(表4、5)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過分析青藏高原多年凍土區(qū)青康線和青藏線沿線測點(diǎn)的降雨量、年平均氣溫和凍土深度等觀測量可知：5～9月份為青藏高原的雨季，降水量可達(dá)全 年的85%～95%；月平均氣溫在0 ℃以上的為5～9月，其中7月份氣溫全年最高；沿線測點(diǎn)凍土深度在9月份時(shí)全年最低。在雨水入滲、氣溫升高和凍土融化等相互作用下，路基路面結(jié)構(gòu)的承載力降低，剛度減小，變形增大，道路病害顯著增多，因此可初步確定7～9月份是道路結(jié)構(gòu)處于最不利的時(shí)間。根據(jù)依托工程生產(chǎn)路段和試驗(yàn)路段全年實(shí)際調(diào)研結(jié) 果可知，7～9月道路病害顯著增加，且9月時(shí)路基路面的開裂、沉降變形、坑槽等病害最多。綜合考慮氣候條件的影響和實(shí)際調(diào)研結(jié)果，選取9月時(shí)路基路面結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行數(shù)值模擬。

表2 各結(jié)構(gòu)層熱物理參數(shù)

表3 路基、地基及路面墊層的水力學(xué)參數(shù)

表4 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

表5 路基地基及路面墊(基)層力學(xué)參數(shù)

3.1 路基路面結(jié)構(gòu)位移場云圖分析

圖4為3種不同路面結(jié)構(gòu)下第1年9月份的豎向位移云圖。由圖4可知：半剛性基層路面結(jié)構(gòu)、復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)和柔性基層路面結(jié)構(gòu)豎向位移的分布規(guī)律相同，即路面中心處的豎向位移最大，均達(dá)到90 mm左右，右側(cè)路肩和下部路基的位移逐漸減小，坡腳以外的地基豎向位移很小，幾乎為零。結(jié)合9月份試驗(yàn)路段沿線的氣溫和降雨等自然條件、行車荷載及道路結(jié)構(gòu)排水設(shè)施可知，試驗(yàn)段多年凍土區(qū)雨季雨量集中，道路排水條件較差，坡腳常有大量積水，因此水分會(huì)攜帶熱量從路基邊坡、坡腳入滲。水分的入滲一方面加快了地基中多年凍土的消融，降低了地基的承載能力；另一方面又增大了路基填料的含水率，促進(jìn)了路基凍結(jié)土體的融化，降低路基 強(qiáng)度。在路基自重和行車荷載的共同作用下，道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的豎向變形。此外，路表中心處的最大豎向位移是青藏高原太陽輻射強(qiáng)烈，黑色瀝青路面吸收大量熱量并傳遞給路基土體造成的，道路結(jié)構(gòu)中心部位溫度因路面層的保溫作用隨外界氣溫變化較小，因此該處的水-熱-力耦合作用最為強(qiáng)烈，豎向位移最大。

圖4 路基路面結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

圖5 路面結(jié)構(gòu)沉降變形發(fā)展規(guī)律

路面結(jié)構(gòu)厚度相對于路基厚度較小，且路面結(jié)構(gòu)的材料剛度較大，所以公路的豎向沉降主要發(fā)生在路基內(nèi)部，并且隨著深度的增加逐漸減小。路表的豎向沉降變形是路基路面結(jié)構(gòu)與地基在流固熱耦合作用下豎向變形的綜合反映，結(jié)合3種不同公路結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型可知，3種道路結(jié)構(gòu)豎向變形差異是由于路面結(jié)構(gòu)的不同而產(chǎn)生的。

3.2 路表沉降變形隨運(yùn)營時(shí)間的發(fā)展規(guī)律

為了定量對比分析不同路面結(jié)構(gòu)下多年凍土區(qū)高等級(jí)公路沉降變形隨公路運(yùn)營時(shí)間發(fā)展的變化規(guī)律，本文計(jì)算了通車15年內(nèi)各路面結(jié)構(gòu)9月份的路表沉降變形值，如圖5所示。

通過分析圖5中各路面結(jié)構(gòu)沉降變形隨運(yùn)營時(shí)間的發(fā)展規(guī)律可知：從第1年到第15年，各路面結(jié)構(gòu)路表沉降變形均隨著運(yùn)營時(shí)間持續(xù)增大，路表中點(diǎn)沉降量從第1年的9 cm左右增長到第15年的30 cm左右，增幅較大；同一路面結(jié)構(gòu)中路表中心處的沉降變形最大，變形隨著采樣點(diǎn)離路中距離的增大而減小，路肩處的沉降最??；對比分析第1年不同路面結(jié)構(gòu)的路表沉降可知，柔性基層路面結(jié)構(gòu)沉降較大，半剛性基層路面和復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)沉降較小，且二者差異不大；3類路面結(jié)構(gòu)的路表沉降到第3年基本持平，從第3年到第15年路面結(jié)構(gòu)沉降變形持續(xù)增加，其中半剛性基層路面結(jié)構(gòu)沉降變形增長最快，復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)次之，柔性基層路面結(jié)構(gòu)沉降變形增長最慢。

由路基路面結(jié)構(gòu)樣點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)的定量對比不難發(fā)現(xiàn)，雖然柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)初始階段的承載能力較低，沉降變形量大，但是在公路運(yùn)營通車3年后其沉降變形小于半剛性基層和復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)。分析可知，水泥穩(wěn)定類材料受水分和溫度的影響較大，在青藏高原多年凍土區(qū)惡劣自然環(huán)境的作用下，水泥穩(wěn)定類材料強(qiáng)度衰變快，水溫穩(wěn)定性差，其溫縮裂縫、干縮裂縫導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生大量的反射裂縫，加劇了路面結(jié)構(gòu)的破損和變形。相比而言，柔性基層路面結(jié)構(gòu)的水溫穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)性更好，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度衰減速度小于其他2種結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性和耐久性更好。綜上所述，從路基路面結(jié)構(gòu)沉降變形隨時(shí)間發(fā)展的角度而言，多年凍土區(qū)高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)宜優(yōu)先采用柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，其次采用復(fù)合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，慎重選用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 語

(1)通過分析多年凍土區(qū)氣候條件和試驗(yàn)路段調(diào)研的情況，確定9月份為多年凍土區(qū)公路結(jié)構(gòu)最不利時(shí)間。半剛性基層、復(fù)合式基層和柔性基層路面結(jié)構(gòu)位移云圖分布規(guī)律相同，即路中部位水熱力耦合最為強(qiáng)烈，沉降變形最大，路肩和下部路基的位移逐漸減小，坡腳以外地基位移幾乎為零。

(2)柔性基層瀝青路面在初始階段的承載能力較低，沉降變形量最大，第3年3類結(jié)構(gòu)變形基本持平；從第3年到第15年3類路面結(jié)構(gòu)沉降變形持續(xù)增加，其中半剛性基層路面結(jié)構(gòu)沉降變形增長最快，復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)次之，柔性基層路面結(jié)構(gòu)沉降變形增長最慢。

(3)多年凍土區(qū)高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)宜優(yōu)先采用柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，其次采用復(fù)合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，慎重選用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)。