姚學(xué)昌，張榮利，呂錫平，李善強(qiáng)

(1.佛開高速公路南段改擴(kuò)建項(xiàng)目管理處,廣東 江門 529000；2.廣東華路交通科技有限公司,廣州 510420)

0 引言

對(duì)既有高速公路進(jìn)行拓寬改建，不僅能充分利用既有公路，不會(huì)增大占地面積，而且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。與新建公路相比，舊路加寬改造具有施工難度大、工藝復(fù)雜、質(zhì)量要求高等特點(diǎn)[1]。

E Vos[2]以及Van Meurs等[3]對(duì)拓寬路基填土采用間歇法填筑進(jìn)行了有限元分析。R Brinkgre等[4]對(duì)新老路基選取不同本構(gòu)關(guān)系時(shí)的差異沉降進(jìn)行了對(duì)比分析。章定文[5]分析了臺(tái)階寬度對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力的影響，表明新老路面拼接時(shí)設(shè)置臺(tái)階可以有效地降低拼接路面結(jié)構(gòu)中的剪應(yīng)力以及不協(xié)調(diào)變形。杜衛(wèi)民[6]通過(guò)對(duì)幾種軟土地基加固處理后的實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，表明采用PCC管樁加固的路段，路面總的變形大、工后沉降小。

現(xiàn)有研究中，備受關(guān)注的技術(shù)主要為：(1)新老路基差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)；(2)路基路面拼接技術(shù)；(3)特殊地基加固處治方式。現(xiàn)有研究對(duì)舊路面的承載力準(zhǔn)確評(píng)估尚較少涉及。因此，本文以佛開高速公路改擴(kuò)建工程為依托，根據(jù)佛開高速公路改擴(kuò)建工程的特點(diǎn)，通過(guò)理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式，基于最大程度利用硬路肩的綠色理念，對(duì)佛開高速公路復(fù)合式路面硬路肩的彎沉修正及承載力進(jìn)行了研究。

1 工程概況

佛開高速公路于1996年12月建成通車，雙向四車道，路基寬度為24.5m。車道主要結(jié)構(gòu)形式為26cm水泥砼面板+18cm6%水泥穩(wěn)定石屑+15cm4%水泥穩(wěn)定顆粒，路肩的主要結(jié)構(gòu)型式為22cm水泥砼面板+21cm6%水泥穩(wěn)定石屑。當(dāng)時(shí)考慮排水的需要，在硬路肩水泥板下設(shè)置了排水盲溝，排水盲溝設(shè)置間距為20m。

在重交通荷載的作用下，原路面行駛性能下降幅度較大，故于2008年對(duì)原路面進(jìn)行加鋪瀝青層改造,加鋪后主線的結(jié)構(gòu)型式見表1。隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，加鋪后的復(fù)合式路面在通車十多年后，通行能力已不能滿足現(xiàn)狀需求。因此，2018年對(duì)佛開高速公路進(jìn)行改擴(kuò)建，由雙向四車道拓寬為雙向八車道。

表1 佛開高速公路路面結(jié)構(gòu)型式

秉承綠色工程的理念，在佛開高速公路改擴(kuò)建工程中，項(xiàng)目組創(chuàng)新性地提出了最大程度利用舊路肩的思路。對(duì)舊路肩承載力進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估是最大程度利用硬路肩的基礎(chǔ)，而在現(xiàn)有路面檢測(cè)的手段中，采用FWD進(jìn)行彎沉檢測(cè)是較為有效、準(zhǔn)確的方法。

由表1可見，在佛開高速公路改擴(kuò)建工程中，利用硬路肩的復(fù)雜性在于硬路肩結(jié)構(gòu)與主線不一致，厚度較行車道薄，結(jié)構(gòu)薄弱，且硬路肩設(shè)置了排水盲溝，因此，需要對(duì)硬路肩的承載能力進(jìn)行評(píng)估；而改擴(kuò)建工程往往工期緊、交通組織困難，在進(jìn)行FWD彎沉測(cè)試時(shí)，硬路肩一側(cè)的土路肩往往已被挖除，測(cè)試條件發(fā)生了較大變化，如仍采用常規(guī)的測(cè)試和評(píng)價(jià)方法，將會(huì)對(duì)路肩的承載力造成誤判。因此，需對(duì)硬路肩無(wú)側(cè)向約束條件下的承載力進(jìn)行修正，以便準(zhǔn)確地掌握其結(jié)構(gòu)承載力。

2 有限元模型

2.1 建模

擬定路面平面尺寸(長(zhǎng)×寬)取10m×(3.75+2.50)m，其中慢車道寬為3.75m，路肩寬為2.50m；水泥板長(zhǎng)取4.25m，路基計(jì)算深度取6m。邊界條件采用固定路基底面X、Y、Z三個(gè)方向位移，行車方向施加水平約束，約束Y方向位移；橫斷面方向行車道內(nèi)側(cè)施加水平約束，約束Y方向位移；路肩外側(cè)不施加約束。有限元模型中各層材料采用8節(jié)點(diǎn)六面體完全積分單元C3D8模擬。根據(jù)佛開高速公路實(shí)際的路面結(jié)構(gòu)型式，分析采用的有限元模型如圖1所示。

如圖1所示，圖a為行車道水泥板與路肩水泥板的拉桿和傳力桿；圖b為鋼筋埋置在水泥板中的情形；圖c為整個(gè)有限元模型，圓形區(qū)域?yàn)楹奢d施加區(qū)域；圖d為劃分網(wǎng)格后的三維有限元模型。

圖1 有限元建模過(guò)程

2.2 荷載作用模型

在道路結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中，可以使用半波正弦荷載、雙圓垂直荷載、傅里葉級(jí)數(shù)形式、隨機(jī)荷載模型和多自由度模型等近似模擬實(shí)際的汽車荷載[8]。用于道路結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)的FWD的荷載形式是沖擊荷載，而根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)變換可知，一般的沖擊載荷均可以表示為若干個(gè)半正弦波荷載的線性組合，故可將汽車動(dòng)荷載表示為半正弦波荷載。如圖2所示，通過(guò)確定脈沖荷載的周期和脈沖荷載的最大值即可求得該半正弦波的波形。表2是試驗(yàn)路某測(cè)點(diǎn)FWD實(shí)測(cè)彎沉數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為ABAQUS時(shí)程加載曲線。

FWD現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，因施工和交安設(shè)施擺設(shè)而造成橫向測(cè)試空間有限，橫向測(cè)試位置為加載圓盤圓心距慢車道和硬路肩接縫80cm，本次有限元仿真計(jì)算取加載圓盤圓心縱向位置距硬路肩水泥板橫向接縫35cm。

圖2 FWD脈沖荷載時(shí)程曲線

表2 ABAQUS加載曲線

2.3 層間接觸條件

針對(duì)佛開高速公路舊路面通車運(yùn)行已超過(guò)20年，因此，層間粘結(jié)條件不能設(shè)置為完全連續(xù)，需要考慮層間不完全連續(xù)狀態(tài)的接觸模型，共設(shè)置六個(gè)接觸面。

層間摩擦因素的合理取值，是討論層間接觸問(wèn)題的關(guān)鍵?；诂F(xiàn)有研究成果及考慮佛開高速公路的實(shí)際路況，根據(jù)4個(gè)層間接觸面的層間特性將其分成兩類：(1)瀝青面層與面層之間的接觸面，包括第一、第二接觸面，其摩擦因素設(shè)置為0.7；(2)面層與水泥板、水泥板與基層、基層與基層、基層與土基之間的基礎(chǔ)面，包括第三、第四、第五、第六接觸面，其摩擦因素設(shè)置為0.5。

圖3 路面結(jié)構(gòu)接觸面

2.4 模型校準(zhǔn)

為了比對(duì)模型的精確性，課題組于2018年8月進(jìn)行硬路肩現(xiàn)場(chǎng)彎沉測(cè)試，測(cè)試方案見表3。

表3 FWD硬路肩彎沉測(cè)試方案

選擇AK47+500路段為測(cè)試路段，路段測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 AK47+500FWD測(cè)試結(jié)果

本次有限元分析的主要目的在于評(píng)價(jià)現(xiàn)行測(cè)試方法的合理性，因此原路肩暫不考慮盲溝的影響，因此，對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)將盲溝測(cè)試數(shù)據(jù)剔除，求出剩余數(shù)據(jù)的平均值為101.5(001mm)。

有限元模型在不考慮路肩側(cè)向約束的條件下，計(jì)算的彎沉值為95.5(0.01mm)，理論計(jì)算值小于實(shí)測(cè)值，為實(shí)測(cè)值的95.5%，滿足工程精度要求，認(rèn)為該模型精度較高。

3 硬路肩彎沉修正系數(shù)及承載力評(píng)價(jià)

3.1 彎沉修正系數(shù)

上文已建立了路肩無(wú)邊界約束的三維有限元模型，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和模型驗(yàn)算，模型精度較高。本節(jié)主要在于計(jì)算路肩有約束條件下的FWD彎沉值，以進(jìn)行FWD彎沉修正，進(jìn)一步評(píng)價(jià)路肩的承載力。

本節(jié)有限元模型與上節(jié)的唯一不同之處在于：(1)增加路肩外側(cè)的橫向位移約束；(2)對(duì)比相同荷載不同加載位置下的彎沉數(shù)據(jù)，荷載移動(dòng)規(guī)則為保持橫向坐標(biāo)不動(dòng)，沿縱向接縫位置移動(dòng)至板中，每次移動(dòng)增加30cm，提取FWD圓心位置的彎沉。測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 不同位置下的彎沉值

由表5可知:(1)距離接縫位置越遠(yuǎn)，彎沉值越??；(2)在前125cm范圍內(nèi)，彎沉值以35um/30cm、47um/30cm的速率減小。超過(guò)125cm，彎沉減小幅度變小，在245cm位置和215cm位置，差值僅為0.8um和1.7um；(3)增加橫向約束后，彎沉值變小，隨著距離接縫位置的增加，比值逐漸增加，比值的平均值為91.1%。

因此，確定了路肩無(wú)側(cè)向約束下彎沉值的修正系數(shù)，如下式所示。

為了方便起見，取比值的平均值91.1%為彎沉修正系數(shù)值。

3.2 盲溝對(duì)承載力的影響評(píng)價(jià)

將2018年8月的測(cè)試數(shù)據(jù)予以分類，將盲溝處的彎沉值盲溝前、后0.5m的彎沉值予以對(duì)比分析，見表6。

表6 盲溝附近彎沉值測(cè)試情況

由表6可知，測(cè)試五點(diǎn)位置處，有四處盲溝的彎沉值大于位于前后0.5m點(diǎn)位的彎沉值。

剔除BK50+280的數(shù)據(jù)，對(duì)其他四組的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，見表7。

表7 單因素方差分析-盲溝處VS盲溝附近

由表7可見，測(cè)試結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析的結(jié)果中，F(xiàn)小于Fcrit，表明盲溝位置和盲溝前后位置彎沉測(cè)試數(shù)據(jù)均無(wú)顯著性差異，表明盲溝對(duì)結(jié)構(gòu)整體承載力影響不大。

4 結(jié)論

以佛開高速公路改擴(kuò)建工程為依托，基于最大程度利用硬路肩的綠色理念，結(jié)合硬路肩結(jié)構(gòu)薄弱、設(shè)置排水盲溝的項(xiàng)目特點(diǎn)，在建立和校準(zhǔn)三維有限元模型的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析硬路肩有無(wú)側(cè)向約束下的彎沉值及盲溝對(duì)承載力的影響。

硬路肩無(wú)側(cè)向約束條件下的彎沉值大于有側(cè)向約束條件，在測(cè)試點(diǎn)位橫坐標(biāo)固定的條件下，佛開高速公路硬路肩的彎沉修正系數(shù)為91.1%；盲溝位置和盲溝前后位置彎沉測(cè)試數(shù)據(jù)均無(wú)顯著性差異，表明盲溝對(duì)結(jié)構(gòu)整體承載力影響不大。研究成果可為公路改擴(kuò)建工程中的硬路肩承載力評(píng)價(jià)及利用提供參考和借鑒。