張建國，李永勝，陳 旭，趙金良

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065； 2.延安市公路勘察設(shè)計院，陜西 延安 716000)

0 引 言

在道路改擴建過程中，新舊地基平均固結(jié)度和應(yīng)力水平存在差異：舊路地基在行車荷載、自重荷載以及其他外荷載作用下固結(jié)度比較大，已基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；新地基土固結(jié)度相對較小，在行車荷載、自重荷載及外荷載作用下會產(chǎn)生比較大的沉降變形。這必將導(dǎo)致新舊路基發(fā)生沉降現(xiàn)象，不均勻沉降最終會使路面形成裂縫，對道路的正常使用產(chǎn)生不利影響[1]。本文把新舊路基、地基和路面建成整體的計算模型，通過更換土的力學(xué)參數(shù)使路基形成不均勻沉降，從而研究路面各層的應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律，建立適于實際工程的不均勻沉降控制標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。由于舊路基的固結(jié)變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因此本文沒有分析舊路基路面在不均勻沉降下的變形，主要研究道路拓寬改建一側(cè)道路在不均勻沉降作用下的控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 不均勻沉降對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)的影響

1.1 計算模型與參數(shù)

本文采用有限元分析軟件FLAC 3D建立計算模型，分析拓寬改建側(cè)道路不均勻沉降對路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響[4]。延安北過境線工程原舊路基寬度為10 m，在一側(cè)加寬13 m，道路中間為2 m的隔離帶，新舊路面各寬10.5 m。用FLAC 3D軟件建立路面模型[5]，如圖1所示。

圖1 計算模型

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)見表1，擬定的路面材料計算參數(shù)見表2。

表1 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

表2 路面材料計算參數(shù)

1.2 路面結(jié)構(gòu)對不均勻沉降的力學(xué)響應(yīng)

1.2.1 路面結(jié)構(gòu)破壞分析

由于新舊路基產(chǎn)生不均勻沉降，使得道路不僅受到自身荷載及行車荷載的作用，道路內(nèi)部還會產(chǎn)生額外的附加應(yīng)力[6]，不均勻沉降對路面結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)在水平附加應(yīng)力上[7]。圖2是鋪筑拓寬道路以后的新路面水平應(yīng)力云圖。

圖2 新路面水平應(yīng)力云圖

分析圖2可得出，新鋪的道路在不均勻沉降作用下會產(chǎn)生一定的水平應(yīng)力，該附加應(yīng)力會導(dǎo)致路面底基層受到拉應(yīng)力，路面的面層會受壓力影響；隨著不均勻沉降的產(chǎn)生，水平應(yīng)力繼續(xù)增加。當(dāng)路面底部受到的附加拉應(yīng)力大于材料的極限抗拉強度時，底部產(chǎn)生裂縫，裂縫不斷向上擴張，直至整個路面產(chǎn)生開裂，最終導(dǎo)致路面發(fā)生破壞[8-9]。所以，很有必要對新舊路基不均勻沉降控制標(biāo)準(zhǔn)進行研究，通過對裂縫位移進行觀測，分析路面的開裂情況，對道路不均勻沉降做出預(yù)判，在出現(xiàn)裂縫道路破壞之前及時預(yù)警并妥善處理[10]。

圖3 底基層底面水平應(yīng)力

圖4 基層底面水平應(yīng)力

圖5 面層頂面水平應(yīng)力

圖6 不均勻沉降與水平應(yīng)力的關(guān)系

分析圖3～6、表3可得，道路各層在各種不均勻沉降下的水平附加應(yīng)力沿著道路橫向逐漸增加，待應(yīng)力值達到峰值后又逐漸減小[11]。因為加寬改建一側(cè)頂面的不均勻沉降為瓢狀，所以加寬側(cè)的路面受到更大的壓縮應(yīng)力[12]。圖6顯示，每層的水平附加應(yīng)力隨不均勻沉降的變化而逐漸增加。加寬路面上，每個結(jié)構(gòu)層的最大水平附加應(yīng)力和最大差異沉降基本上是線性關(guān)系[13]。使用線性插值方法可知，當(dāng)路面底部的水平附加拉伸應(yīng)力達到材料的極限拉伸強度時，產(chǎn)生了拉伸裂紋。此時，加寬路面的寬度為10.5 m，坡度變化率為0.44%。

表3 路面在不均勻沉降下受到的最大水平拉應(yīng)力

1.2.2 路面材料疲勞應(yīng)力破壞分析

當(dāng)?shù)缆穭偼度脒\營時，道路底部的不均勻沉降很小，這時不均勻沉降引起的額外應(yīng)力不足以使瀝青路面產(chǎn)生裂縫。隨著道路使用年限的增加，車輛等外荷載作用下的路面強度逐漸降低。當(dāng)不均勻沉降量過大，無法抵抗附加應(yīng)力時，將會導(dǎo)致道路內(nèi)部產(chǎn)生開裂現(xiàn)象[14]。

由于道路路面反復(fù)多次承受車輛等外載荷，因此當(dāng)路面底部應(yīng)力超過極限承載時，裂縫開始形成，并逐漸膨脹至斷裂。路面結(jié)果強度與其容許應(yīng)力之間有如下關(guān)系。

(1)

式中：σsp為路面結(jié)構(gòu)強度(MPa)；σR為路面結(jié)構(gòu)容許拉應(yīng)力(MPa)，如表4所示；Ks為路面抗拉強度系數(shù)。

表4 新路面各層材料容許拉應(yīng)力

由圖7可得，當(dāng)新路面最大不均勻沉降為14.4 mm時，路面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，開始產(chǎn)生開裂變形[15]。所以，新道路路面在考慮疲勞效應(yīng)開裂破壞影響下的最大差異沉降為14.4 mm時，相應(yīng)的坡度變化率為0.14%。

圖7 新路面各層最大水平附加應(yīng)力與差異沉降的關(guān)系

2 不均勻沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究

在上文中，考慮到路面結(jié)構(gòu)材料的極限抗拉強度，將路面基層的彎曲拉伸應(yīng)力作為路面裂縫的主要控制因素。結(jié)論是，當(dāng)新路面在加寬一側(cè)的不均勻沉降超過46.2 mm時，新道路路面底部的拉應(yīng)力大于基層穩(wěn)定碎石的強度，其相應(yīng)的坡度變化率為0.44%?？紤]路面材料在使用過程中的疲勞影響時，當(dāng)新路面在加寬側(cè)的不均勻沉降大于14.4 mm時，相應(yīng)的坡度變化率為0.14%。由上述計算結(jié)果可知，以基層穩(wěn)定碎石的拉伸應(yīng)力為控制標(biāo)準(zhǔn)時，不均勻沉降控制最為精確[16]。

綜上，以不均勻沉降14.4 mm和對應(yīng)的坡度變化率0.14%作為不均勻沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的最高限制；以46.2 mm和對應(yīng)的坡度變化率0.44%作為不均勻沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的最低限制；以26.0 mm和對應(yīng)的坡度變化率0.25%作為不均勻沉降控制的中值。然后，對加寬改建側(cè)路面底部的不均勻沉降進行分級，結(jié)果見表5。

表5 不均勻沉降分級

當(dāng)不均勻沉降等級判定為“Ⅰ”時，一般視作道路不會發(fā)生實質(zhì)性破壞，無需采取任何措施；當(dāng)不均勻沉降級別為“Ⅱ”時，需要采取措施來防止不均勻沉降給道路帶來進一步的破壞，一般采用強夯法對路面進行加固；當(dāng)不均勻沉降級別為 “Ⅲ”時，路面會發(fā)生開裂破壞，需要通過注漿等方法來加固路面；當(dāng)不均勻沉降級別為“Ⅳ”時，道路開裂十分嚴(yán)重，可以采用多方式相結(jié)合的處理辦法來對路面進行加固[17]。

3 結(jié) 語

本文采用有限元分析軟件建立計算模型，通過更換路基的力學(xué)參數(shù)來使加寬一側(cè)道路發(fā)生不均勻沉降，再分析加寬一側(cè)道路在不均勻沉降下的力學(xué)響應(yīng)，然后對道路不均勻沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)進行研究，最終得出以下結(jié)論。

(1)拓寬道路各層在不均勻沉降下的水平應(yīng)力連續(xù)分布，加寬一側(cè)道路各層水平應(yīng)力隨著不均勻沉降的增加，大體上呈線性分布。

(2)當(dāng)不均勻沉降超過46.2 mm時，其相應(yīng)的坡度變化率為0.44%?？紤]路面材料在使用過程中的疲勞影響，當(dāng)不均勻沉降大于14.4 mm時，相對應(yīng)的坡度變化率為0.14%。

(3)考慮拓寬側(cè)道路材料的拉應(yīng)力和疲勞效應(yīng)的組合作用，得出加寬一側(cè)道路不均勻沉降量為26.0 mm，與之相對應(yīng)的坡度變化率為0.25%，最終把不均勻沉降控制標(biāo)準(zhǔn)分成4個等級。