趙全滿，任瑞波，劉 瑤，李志剛，戶桂靈

(山東建筑大學 交通工程學院，山東 濟南 250101)

0 引 言

城市管網(wǎng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，被喻為“城市動脈”，而檢查井是城市管網(wǎng)必不可少的組成部分。在城市管網(wǎng)建設(shè)中，受其他管網(wǎng)的布置和路幅寬度的空間限制，有相當數(shù)量的檢查井布置在城市道路上，成為了整個道路的薄弱部位[1]。在車輛荷載的反復(fù)作用下，檢查井周圍路面(簡稱“井周路面”)極易產(chǎn)生沉陷、開裂、坑槽等早期病害(圖1)，影響行車舒適及安全。在市政道路養(yǎng)護中，每年用于檢查井及井周路面養(yǎng)護維修的費用巨大，但井周路面因位置及結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致其耐久性差，病害頻發(fā)[2]。同時，由于檢查井的存在不利于道路施工，井周路基、路面極難壓實，導(dǎo)致井周路面結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。當車輛經(jīng)過不平整的檢查井及井周路面時，井蓋將發(fā)生明顯的變形和振動，產(chǎn)生刺耳的撞擊聲和較大的沖擊荷載，加速了汽車構(gòu)件的磨損及井周路面的破壞，導(dǎo)致路面平整度進一步降低，反過來將繼續(xù)加大車輛的振動沖擊荷載，形成惡性循環(huán)[3]。

圖1 城市道路井周路面病害

較大的車輛沖擊荷載是導(dǎo)致井周路面破壞的重要原因之一，因而有必要對車輛經(jīng)過檢查井時的動載特性進行研究。目前車輛動載特性的研究方法主要有3種：數(shù)學建模[4]、數(shù)值分析[5]及現(xiàn)場測試[6]，其中以數(shù)學建模方法為主。數(shù)學建模時，由于車輛是一個復(fù)雜的多質(zhì)點振動系統(tǒng)，研究時需要根據(jù)研究目的不同對車輛模型進行適當?shù)暮喕?。常用簡化模型包?/4[7]和1/2[8]車輛模型。研究表明：采用1/4車輛振動模型可滿足大部分研究的精度要求[9]。井周路面破壞機理分析時，研究方法以病害調(diào)查和數(shù)值模擬為主，分別有學者針對廣州[10]、天津[2]、長沙[11]等地的檢查井及井周路面病害展開調(diào)查，劃分病害類型和等級，分析病害原因，提出防治措施；數(shù)值模擬方面，通過建立檢查井及井周路面模型[3]，計算井周路面在車輛靜荷載作用下的拉、壓、剪應(yīng)力，揭示其破壞機理[12]。

雖然國內(nèi)外學者圍繞檢查井井周路面破壞機理展開大量研究，取得了豐碩的研究成果，但仍有一些問題尚待解決：如井周路面病害可達范圍并未確定(即井周路面的定義)；井周路面受力分析時多采用靜載，并未考慮車輛沖擊荷載的作用；研究時并未考慮井周路基、路面壓實不足及井周路面平整度差等對井周路面破壞的影響等。因而，筆者以城市道路檢查井井周路面為研究對象，在路面病害調(diào)查的基礎(chǔ)上，建立人-車-井蓋耦合振動模型，分析車輛荷載動態(tài)特性，研究車輛荷載作用下的井周路面力學響應(yīng)，探尋井周路面破壞關(guān)鍵影響因素，揭示其破壞失效機理。

1 檢查井及井周路面病害調(diào)查

為研究井周路面破壞機理，首先必須明確“井周路面”具體概念，即檢查井結(jié)構(gòu)影響下的周圍路面破壞易損范圍。由于檢查井及井周路面平整度狀況均對車輛經(jīng)過時的動載特性影響較大，加速井周路面的破壞。因而，筆者進行檢查井及井周路面病害調(diào)查時重點調(diào)查井周路面病害范圍、檢查井沉降、井周路面平整度狀況三方面內(nèi)容，為車輛動載及井周路面破壞機理分析提供數(shù)據(jù)支撐。

1.1 井周路面病害范圍調(diào)查

為保證調(diào)查數(shù)據(jù)的有效性，選取濟南市經(jīng)十東路、新濼大街、天辰路、雪山路4條道路為調(diào)查對象，分別調(diào)查300、100、100、100處檢查井。調(diào)查時，用直尺量取破壞區(qū)域長、寬，計算破壞區(qū)域面積，然后根據(jù)面積大小將其等效為圓形區(qū)域(包括井蓋)，其大小用半徑r表征，調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 井周路面病害范圍調(diào)查結(jié)果

由表1可知，對于井周路面破壞區(qū)域半徑大小分布區(qū)間，經(jīng)十東路96% 分布于0.6～1.2 m，新濼大街96% 分布于0.4～0.7 m，天辰路99% 分布于0.4～0.9 m，雪山路100% 分布于0.4～0.8 m。由相關(guān)資料查得：經(jīng)十東路已使用15年，雪山路已使用5年，天辰路、新濼大街已使用3年，可見當路面使用時間較短時(3～5年)，井周路面破壞區(qū)域半徑主要集中于0.4～0.9 m；隨著使用年限的增加，井周路面破壞區(qū)域半徑逐漸增加，可達1.2 m，甚至更大。由于經(jīng)十東路已使用15年，達到設(shè)計使用壽命，因而認為井周路面破壞區(qū)域半徑最大值為1.2 m(保證率為97%)。因而定義井周路面為以檢查井井蓋中心為圓心、1.2 m為半徑的城市道路檢查井周圍路面。

1.2 檢查井沉降量及沉降坡度差變化調(diào)查

選取經(jīng)十東路、天辰路2條道路各80處檢查井為調(diào)查對象，統(tǒng)計其檢查井沉降狀況。調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)：檢查井整體并未均勻沉降，車輛先經(jīng)過的檢查井邊緣(稱之為“上行點”)沉降量小于車輛后經(jīng)過的檢查井邊緣(稱之為“下行點”)，形成坡度差Δi=(下行點沉降量-上行點沉降量)/檢查井直徑)。相關(guān)研究表明：路面坡度的變化對車輛動載有較大程度的影響[13]。檢查井沉降量統(tǒng)計結(jié)果見圖2，沉降差導(dǎo)致的路面坡度變化統(tǒng)計結(jié)果見圖3。

圖2 檢查井沉降量

圖3 檢查井沉降差導(dǎo)致的路面坡度變化

由圖2可知，檢查井沉降量主要分布于0～10 mm，較大的沉降量較少，明顯與人們的主觀印象不同。通過調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，其主要是因為沉降量較大的檢查井已被處治(經(jīng)十東路已被多次養(yǎng)護)。由圖3可知，檢查井不均勻沉降導(dǎo)致的坡度變化主要分布于-1%～1%，分別占經(jīng)十東路和天辰路的79%和100%，結(jié)合其已使用年限，可見使用時間越長，檢查井不均勻沉降導(dǎo)致的檢查井坡度變化越大。

1.3 井周路面平整度狀況調(diào)查

目前評價路面平整度的指標較多[14]，筆者選用最大間隙值(以H1表示)指標評價井周路面平整度。調(diào)查時，根據(jù)井周路面定義，采用3 m直尺對經(jīng)十東路80處檢查井井周1.2 m范圍內(nèi)的路面及檢查井3 m以外的常規(guī)路面(測量3 m的距離)進行測量，測得3 m范圍內(nèi)的最大間隙值，并統(tǒng)計80處井周路面最大間隙值大小分布狀況，結(jié)果如圖4。由圖4可知，常規(guī)路面最大間隙值均在5 mm以內(nèi)，井周路面最大間隙值主要分布于5～20 mm，最大間隙值達到35 mm左右，明顯比常規(guī)路面大得多。

圖4 經(jīng)十東路80處井周路面及常規(guī)路面最大間隙值統(tǒng)計

2 車輛動載特性分析

2.1 模型的建立

采用1/4車輛模型進行車輛動載特性分析，分析時考慮到車輛荷載作用下瀝青路面的彎沉值很小，一般在30(0.01 mm)以下，即0.3 mm以下，與瀝青路面病害導(dǎo)致的平整度變化相比很小，予以忽略；加之車輛與瀝青路面的振動為弱耦合系統(tǒng)，路面的振動可以予以忽略[15]。而車輛經(jīng)過井蓋區(qū)域時，井蓋的變形和振動較大，不能忽略。因而，在車輛進入井蓋區(qū)域時，考慮井蓋的變形和振動，建立4自由度車輛振動模型，見式(1)～式(4)，其余階段不考慮路面的變形和振動建立3自由度車輛振動模型，見式(5)～式(7)。研究時，將車輛經(jīng)過檢查井及井周路面的過程分為4個階段：車輛進入井周路面病害區(qū)域；車輛進入井蓋區(qū)域；車輛進入另一側(cè)井周路面病害區(qū)域；車輛進入常規(guī)路面，如圖5。

圖5 車輛振動模型

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：mx為質(zhì)量；1、2、3、4分別表示座椅(包括駕駛員)、車架、車輪、井蓋；yx為相應(yīng)部分的位移；kx為相應(yīng)部分的剛度系數(shù)；cx為相應(yīng)部分的阻尼系數(shù)(井蓋阻尼取0)；ξ(t)為路面的不平整度激勵。

(8)

f=F(t)/F

(9)

式中：F(t)為車輛沖擊荷載；F為車輛靜載。

參考文獻[16]，確定車輛及井蓋模型基本參數(shù)，見表2。通過傳遞矩陣法求解微分方程組式(1)～式(4)和式(5)～式(7)，結(jié)合MATLAB編程獲得任意質(zhì)量體的速度和位移，進而根據(jù)式(8)求得車輛沖擊荷載。

表2 車輛及井蓋模型參數(shù)值

2.2 動載特性分析

假設(shè)井周路面最大間隙值H1=1 cm；檢查井沉降量H2=1 cm；路面出現(xiàn)最大間隙的位置距離井蓋邊緣0.6 m；井蓋直徑為0.7 m；差異沉降導(dǎo)致的坡度差θ=4%；車輛行進方向為路面上坡方向，車速v=36 km/h。以向下方向為正，求解式(1)～式(4)和式(5)～式(7)，結(jié)合式(8)、式(9)、初值條件及MATLAB軟件編程，獲得車輛荷載沖擊系數(shù)隨時間的變化如圖6。

圖6 荷載沖擊系數(shù)時程變化曲線

由圖6可知，時間為0.13 s時，即車輛剛好離開檢查井進入井周路面區(qū)域時，車輛沖擊荷載第一次達到最大，為靜載的1.29倍；時間為0.64 s時，車輛離開檢查井5.1 m時，車輛沖擊荷載達到極大值，為靜載的1.33倍，僅比1.29大3%?？紤]到研究對象為井周路面，因而筆者取第一次達到最大值時的車輛沖擊荷載作為井周路面破壞分析時的車輛荷載。

3 井周路面破壞機理分析

3.1 模型的建立

目前，《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中瀝青路面設(shè)計指標主要包括4個[17]，季凍區(qū)增加低溫開裂指數(shù)，城市道路增加剪應(yīng)力。考慮到城市道路以半剛性基層瀝青路面為主，其設(shè)計指標包括3個：瀝青混合料層永久變形量、無機結(jié)合料層層底拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。1.1節(jié)病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，井周路面車轍類、推移類病害極少，因而筆者以無機結(jié)合料層層底拉應(yīng)力指標控制無機結(jié)合料層的疲勞開裂對井周路面破壞進行研究。

研究時采用有限元數(shù)值計算方法對路面疲勞壽命進行分析，參考文獻[10]建立傳統(tǒng)檢查井及井周路面數(shù)值模型，其中檢查井高度為1.8 m，內(nèi)徑為0.35 m；井蓋厚2 cm，半徑為0.5 m；模型長、寬、高分別為6、5、5 m，長度方向為行車方向，檢查井位于右側(cè)車道處。參考相關(guān)規(guī)范[17]及相關(guān)資料[10]，確定檢查井和井周路面結(jié)構(gòu)及模型參數(shù)，見表3。計算時采用的單元類型為C3D8R單元，建立的有限元模型如圖7。施加荷載為標準軸載100 kN，為便于計算，將其簡化為18.9 cm×18.9 cm的方形荷載，兩側(cè)輪胎間距為1.8 m[16]。

表3 檢查井及井周路面模型參數(shù)[17]

圖7 檢查井及井周路面有限元模型

3.2 井周路面破壞機理分析

為揭示井周路面破壞機理，筆者主要對車輛荷載大小及路基路面壓實不足兩大因素對井周路面受力的影響進行分析。

3.2.1 車輛荷載對井周路面破壞的影響

影響車輛荷載大小的因素較多，筆者重點分析井周路面最大間隙值、檢查井沉降、差異沉降導(dǎo)致的坡度差、行車速度4個因素。分析時基本參數(shù)為井周路面最大間隙值H1=1 cm、檢查井沉降量H2=1 cm、差異沉降導(dǎo)致的坡度差θ=4%和車速v=36 km/h。參數(shù)影響分析時采用變量控制法，分析某一變量時控制其余參數(shù)不變，更改單一變量，計算相應(yīng)參數(shù)下的車輛沖擊荷載系數(shù)，分析各因素對車輛沖擊荷載的影響，而后將車輛沖擊荷載用于路面有限元受力分析，進而研究其對路面基層受力及疲勞壽命的影響。結(jié)合2.1節(jié)、2.2節(jié)車輛動載分析方法及相應(yīng)參數(shù)，獲得不同影響因素下的車輛沖擊荷載，然后以《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》[17]中疲勞開裂模型及相關(guān)參數(shù)為基礎(chǔ)，對井周路面基層疲勞壽命進行分析(計算分析時發(fā)現(xiàn)，面層疲勞壽命比基層疲勞壽命大得多，因而僅計算了基層疲勞壽命)，計算結(jié)果見表4(車輛靜載時計算得到應(yīng)力為0.20 MPa，疲勞壽命為29.29×108次)。

由表4可知：

表4 不同車輛荷載影響因素下井周路面基層疲勞壽命計算結(jié)果

1)車速對車輛動載及基層疲勞壽命影響極大。當車速由20 km/h增加到80 km/h，應(yīng)力增大45.5%，疲勞壽命縮短85.4%，可見車速的增加大大加速了井周路面的破壞。

2)檢查井沉降及井周路面最大間隙對井周路面基層疲勞壽命影響較大。當最大間隙值由1 cm增加到4 cm時，基層疲勞壽命分別縮短43.8%和61.7%，井周路面的平整度對基層疲勞壽命的影響大于檢查井沉陷對基層疲勞壽命的影響。

3)坡度差對井周路面基層疲勞壽命有一定的影響。當坡度差由1%增加為3%時，基層疲勞縮短17.5%，“負”坡度差對基層疲勞壽命的影響小于“正”坡度差。

可見，以上4個因素均對車輛動載產(chǎn)生不同程度的影響，進而影響井周路面基層疲勞壽命。因而當檢查井沉降增加、井周路面最大間隙值變大、坡度差較大時，應(yīng)及時對檢查井及井周路面進行養(yǎng)護，否則將加速檢查井及井周路面的破壞，反過來加大車輛動載，形成惡性循環(huán)。

3.2.2 路基路面壓實不足對井周路面破壞的影響

路基路面壓實不足包括路面各結(jié)構(gòu)層及路基壓實不足，筆者擬通過修改各結(jié)構(gòu)層的模量以表征壓實不足。由于距離井蓋中心越近，路基路面越不容易壓實，因而根據(jù)距離井蓋中心距離的不同，將井周路面分區(qū)，分別賦予不同的模量值，距離井蓋越近模量值越小，分區(qū)情況見表5。

分析時，分為9種工況：工況1各層模量按表3取值；工況2～7各結(jié)構(gòu)層模量如表5(分析時采用變量控制法，例如分析表面層壓實不足時，只改變距離井蓋中心不同位置處表面層的模量，其余結(jié)構(gòu)層的模量不變，與工況1相同)；工況8根據(jù)表5同時修改各結(jié)構(gòu)層模量；工況9在工況8的基礎(chǔ)上，考慮1.5倍的車輛動載。對各結(jié)構(gòu)層力學設(shè)計指標對應(yīng)下的力學響應(yīng)進行計算，計算結(jié)果如表6。

表5 不同結(jié)構(gòu)層各分區(qū)模量值

表6 不同工況下各路面結(jié)構(gòu)層力學響應(yīng)計算結(jié)果

與工況1(各結(jié)構(gòu)層壓實狀況良好，標準軸載作用下的力學響應(yīng))相比，由表6可知：

1)工況2、3和4下，即面層(包括上、中、下)壓實不足時，上面層層底拉應(yīng)變分別增加60.9%、72.4%和27.6%，增加顯著；豎向壓應(yīng)變分別增加16.6%、9.0%和0.1%，但其它結(jié)構(gòu)層力學響應(yīng)變化不大?？梢?，面層壓實不足(尤其是上面層)，上面層更易發(fā)生疲勞開裂。

2)工況5下，即基層壓實不足時，上面層層底拉應(yīng)力增加22.9%，其它結(jié)構(gòu)層力學響應(yīng)變化不大，此時上面層更易疲勞開裂；工況6下，即底基層壓實不足時，上面層層底拉應(yīng)力增加18.3%，基層層底拉應(yīng)力增加20.0%，此時上面層和基層更易疲勞開裂。

3)工況7下，即路基壓實不足時，各結(jié)構(gòu)層力學響應(yīng)均有所增加，其中上面層和底基層層底拉應(yīng)力增加尤為明顯，分別增加22.9%和28.6%，上面層和底基層更易產(chǎn)生疲勞開裂。

4)工況8下，即各結(jié)構(gòu)層均壓實不足時，各結(jié)構(gòu)層力學響應(yīng)增加明顯，面層應(yīng)力、應(yīng)變增加尤為顯著，上、中、下面層層底拉應(yīng)力分別增加110.3%、13.8%和50.9%，上、中、下面層豎向壓應(yīng)變分別增加37.1%、38.0%和26.7%，面層疲勞開裂和永久變形病害更易產(chǎn)生。

5)工況9下，各結(jié)構(gòu)層力學響應(yīng)顯著增加，上、中、下面層層底拉應(yīng)力分別增加166.7%、162.5%和163.6%，上、中、下面層豎向壓應(yīng)變分別增加105.2%、106.9%和90.2%，基層和底基層層底拉應(yīng)力分別增加55.0%和57.1%，路基豎向壓應(yīng)變增加71.7%。此時，路基、路面各結(jié)構(gòu)層裂縫類、變形類病害均更易產(chǎn)生。

4 結(jié) 論

通過研究，主要得出以下結(jié)論：

1)井周路面病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)：井周路面是指以檢查井井蓋中心為圓心、1.2 m為半徑的城市道路檢查井周圍路面；檢查井沉降量主要分布于0～10 mm，檢查井沉降差導(dǎo)致的坡度變化主要分布于-1%～1%，使用時間越長，坡度變化越大；常規(guī)路面最大間隙值均在5 mm以內(nèi)，井周路面最大間隙值主要分布于5～20 mm，最大間隙值達35 mm，井周路面平整度明顯比常規(guī)路面差的多。

2)車輛經(jīng)過平整度不良的井周路面時，車輛將產(chǎn)生明顯的沖擊荷載作用。在一定參數(shù)條件下，車輛沖擊荷載可達靜載的1.29倍，位置為車輛剛好離開檢查井進入井周路面區(qū)域位置。

3)車速、檢查井沉降量、井周路面最大間隙值、坡度差均導(dǎo)致車輛經(jīng)過時產(chǎn)生較大的沖擊荷載，導(dǎo)致基層層底彎拉應(yīng)力顯著增加，基層疲勞壽命明顯縮短。此時，應(yīng)及時對檢查井及井周路面進行養(yǎng)護，否則將加速檢查井及井周路面的破壞，反過來加大車輛沖擊荷載，形成惡性循環(huán)。

4)路基、路面各結(jié)構(gòu)層中任何一個結(jié)構(gòu)層壓實不足時，上面層均更易產(chǎn)生疲勞開裂；底基層壓實不足時，基層更易產(chǎn)生疲勞開裂；路基壓實不足時，底基層更易產(chǎn)生疲勞開裂；各結(jié)構(gòu)層均壓實不足時，面層疲勞開裂和永久變形病害極易產(chǎn)生；各結(jié)構(gòu)層均壓實不足，加之1.5倍的車輛動載作用下時，路基、路面各結(jié)構(gòu)層裂縫類、變形類病害均更易產(chǎn)生?？梢?，車輛沖擊荷載、路基路面壓實不足等多種因素的綜合作用是井周路面快速破壞的主要原因之一。

筆者分析井周路面壓實問題時，井周路基路面模量為擬定值，與真實狀況有所差距，建議后期研究時采用一定的試驗方法實測井周路面不同位置處的模量，進而用于井周路面力學計算。