鄧 然

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

近些年來,隨著我國(guó)交通工程建設(shè)不斷推進(jìn),高速公路的總里程數(shù)迅速增加,其覆蓋范圍得到了巨大的改善。瀝青路面因其具有較高的整體強(qiáng)度、低振動(dòng)、良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。但瀝青路面的平整度問題隨著高速公路里程的增加變得更加明顯,導(dǎo)致高速公路常常達(dá)不到其預(yù)期的使用壽命。瀝青路面的不平整原因通常被認(rèn)為是路基不均勻沉降、瀝青混合料質(zhì)量不良、施工工藝存在問題以及長(zhǎng)期的車輛荷載與日照、降雨等外界環(huán)境因素的共同作用導(dǎo)致的[1]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瀝青路面平整度的影響因素研究取得了較多的成果。張曉等[2]通過對(duì)瀝青路面施工的分析,在進(jìn)行影響路面平整度的施工工序中提出相應(yīng)的施工措施。李倩等[3]建立了一個(gè)考慮車-路相互作用的路面平整度劣化模型,分析了路面平整度的劣化機(jī)理。蔣應(yīng)軍等[4]研究了攤鋪工藝和結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路面疲勞性能的影響。王維敏[5]對(duì)公路橋梁過渡段路面壓實(shí)度的變異性與施工控制技術(shù)進(jìn)行了研究,對(duì)壓實(shí)度的影響因素進(jìn)行分析,針對(duì)各影響因素提出了相應(yīng)的施工控制措施。陳闖[6]利用ABAQUS軟件建模分析,研究路面對(duì)路基差異沉降量的承受能力,提出合理的路基差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。孫瑞等[7]利用ANSYS軟件建立了模型,分析了路基不均勻沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)最大彎拉應(yīng)力的影響規(guī)律。崔冀龍[8]通過對(duì)加寬路基沉降變形特性的分析,提出在施工過程中降低不均勻沉降對(duì)半剛性瀝青路面影響的工程措施。孫彩云[9]借助ANSYS軟件建立了某擴(kuò)寬路基的有限元模型,分析了發(fā)生不同差異沉降后,路面結(jié)構(gòu)不同位置附加應(yīng)力的變化情況。周玉[10]從施工角度分析了影響瀝青路面平整度的原因,主要包括路基沉降、混合料質(zhì)量、拌和、攤鋪和碾壓工藝、碾壓機(jī)械等。

本文通過ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了路基差異沉降對(duì)路面平整度的影響,最后提出了相應(yīng)的工程措施,為高速公路瀝青路面施工提供方法借鑒。

1 路面平整度概述

1.1 路面平整度基本概念

瀝青路面除非有明顯的損壞或坑洞,其表面在橫向和縱向基本是平穩(wěn)不變的。但在實(shí)際情況中,路表面在縱向和橫向上都存在一定程度的高低起伏,如圖1所示。

由圖1可知,路面在橫向上的高低起伏通常被稱為車轍,而在縱向上的高低起伏通常被描述為平整度。考慮到車輛行駛方向是沿著道路縱向的,因此路面平整度對(duì)于車輛行駛過程中乘客的舒適性有較大影響。我國(guó)的相關(guān)規(guī)范定義路面平整度為:路表面縱向凹凸量的偏差值。在目前的研究中,道路縱向變形是路面平整度的主要研究對(duì)象。

1.2 路基差異沉降對(duì)路面平整度的影響

路基是道路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),路基的平整度在很大程度上影響著瀝青路面平整度,路基的差異沉降和其他導(dǎo)致路基不平整的因素會(huì)通過道路的各個(gè)結(jié)構(gòu)層逐步映射到瀝青路面表層,進(jìn)而影響瀝青路面的平整度。因此,路基的平整度是影響瀝青路面平整度的首要因素。根據(jù)現(xiàn)有的瀝青路面施工經(jīng)驗(yàn),當(dāng)路基因不均勻沉降等因素出現(xiàn)不平整現(xiàn)象,瀝青路面在很大概率上會(huì)出現(xiàn)開裂或沉陷。當(dāng)瀝青路面出現(xiàn)不平整現(xiàn)象后,路面的破壞往往迅速惡化,以至于出現(xiàn)重大損失。因此,保證路基具有滿足工程要求的平整度、強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性,對(duì)于保證路面平整度有重要意義。

路基的差異沉降對(duì)路面平整度的影響更多出現(xiàn)在公路的改擴(kuò)建工程中,新老路基的差異沉降是影響路面平整度工程質(zhì)量最主要的因素之一,正確認(rèn)識(shí)其產(chǎn)生原因,計(jì)算新老路基差異沉降的大小,是控制差異沉降的前提。根據(jù)已有的研究,導(dǎo)致新老路基差異沉降的原因主要有3個(gè),即新老路基之間的自身變形差異,新老路基的基礎(chǔ)固結(jié)程度差異以及新老路基之間的結(jié)合強(qiáng)度不足。

(1)新老路基的自身變形差異。在最初高速公路設(shè)計(jì)與修建過程中,一般并不會(huì)考慮后期可能進(jìn)行的高速公路改擴(kuò)建工程,因此大多數(shù)老路在進(jìn)行擴(kuò)寬時(shí),新路基的填土壓實(shí)度往往會(huì)達(dá)不到要求,從而導(dǎo)致在運(yùn)營(yíng)過程中產(chǎn)生較大變形。而對(duì)于老路基來說,因長(zhǎng)期承受自重以及車輛荷載,其變形相對(duì)于新路基非常小,新老路基之間的變形差異會(huì)導(dǎo)致路基整體發(fā)生不均勻沉降。

(2)新老路基的固結(jié)和沉降差異。當(dāng)路基土為軟土?xí)r,老路基的固結(jié)度比新路基高很多,新路基的擴(kuò)寬會(huì)產(chǎn)生新的附加應(yīng)力,從而導(dǎo)致沉降比老路基大很多,產(chǎn)生路基的不均勻沉降。

(3)擴(kuò)建路基結(jié)合強(qiáng)度不足。新路基與老路基的物理力學(xué)性質(zhì)不一致,當(dāng)二者共同受力時(shí)會(huì)發(fā)生變形,當(dāng)新老路基交接處的結(jié)合強(qiáng)度不足時(shí),新路基就會(huì)沿接觸面發(fā)生下滑,導(dǎo)致路基的不均勻沉降,甚至發(fā)生路基的整體破壞。

2 路基差異沉降對(duì)路面平整度影響的數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型的建立

本文依托某高速公路改擴(kuò)建工程進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值計(jì)算研究,主要研究改擴(kuò)建工程中新老路基的差異沉降對(duì)新老路面平整度的影響。本文使用ABAQUS軟件建立路基路面組合模型,以施加位移荷載的形式來模擬路基差異沉降,分析路面結(jié)構(gòu)受力、位移情況,以確定路基差異沉降對(duì)路面平整度的影響。

ABAQUS作為應(yīng)用相當(dāng)廣泛的通用有限元軟件,在處理巖土工程問題時(shí)同樣具有很明顯的優(yōu)勢(shì),比如軟件可以提供大量巖土材料常用的本構(gòu)模型,還可以進(jìn)行包括溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)等的多場(chǎng)耦合計(jì)算,軟件的交互性與很多軟件相比更好,操作較為簡(jiǎn)便等。其工作流程如圖2所示。

為研究新舊路基差異沉降對(duì)路面的影響,采用控制變量法,即變量為新舊路基差異沉降量的數(shù)值,其他參數(shù)保持不變。建立計(jì)算模型為高速公路雙側(cè)對(duì)稱拓寬模型,舊路為雙向四車道,路面寬度為28 m,拓寬后路面寬度為42 m,考慮到該路的拓寬方式為雙側(cè)對(duì)稱拓寬,因此可在保證其符合工程實(shí)際情況的基礎(chǔ)上盡可能簡(jiǎn)化其計(jì)算模型。本文考慮取一半的道路結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象,根據(jù)瀝青路面平整無接縫的特點(diǎn),把新舊路面面層看作一個(gè)整體。建立計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型圖

模型自上而下分別為高度為18 cm的面層、厚度為36 cm的基層、厚度為20 cm的底基層、厚度為30 cm的上路床。參數(shù)取值如表1所示。

表1 計(jì)算力學(xué)參數(shù)取值表

本節(jié)所取變量為新舊路基差異沉降量,其他參數(shù)保持不變,模型計(jì)算時(shí)忽略路基的整體沉降影響,僅考慮差異沉降量,具體取值如下頁表2所示。

表2 新老路基差異沉降量取值表

在路面施加10 kPa的均布荷載模擬車輛荷載,網(wǎng)格劃分后的模型如下頁圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果,可將新老路基之間的差異沉降量對(duì)路面的影響大致分為4個(gè)階段。

第一階段差異沉降量為1～5 cm。差異沉降量為5 cm時(shí)路面結(jié)構(gòu)受力云圖如圖5(a)所示,此時(shí)差異沉降量值較小,雖對(duì)路面產(chǎn)生了一定影響,但基本可以忽略不計(jì),此時(shí)基層底面的最大應(yīng)力達(dá)到了其抗彎強(qiáng)度,基層底面逐漸開始屈服,路面平整度所受影響較小。

(a)差異沉降量5 cm

第二階段差異沉降量為7～13 cm。差異沉降量為13 cm時(shí)路面結(jié)構(gòu)受力云圖如圖5(b)所示,此時(shí)基層的屈服逐漸加重,屈服面積逐漸擴(kuò)大,基層在拼接縫位置已經(jīng)出現(xiàn)了大面積屈服現(xiàn)象,基層的頂面和底面均出現(xiàn)了較大面積的屈服,基層的頂面和底面最大應(yīng)力均達(dá)到了基層材料的抗彎強(qiáng)度,基層底面和路基頂面在道路尾部的脫空現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)展得較為明顯,此時(shí)路基的差異沉降對(duì)路面平整度產(chǎn)生了一定影響。

第三階段差異沉降量為15～25 cm。差異沉降量為25 cm時(shí)路面結(jié)構(gòu)受力云圖如圖5(c)所示,此時(shí)基層的屈服面積逐漸擴(kuò)大,基層底部和路基頂面之間的脫空由道路尾部向中線位置逐漸擴(kuò)展,新老路基的差異沉降對(duì)路面的影響已經(jīng)較為嚴(yán)重,路面出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

第四階段差異沉降量為25～30 cm。差異沉降量為30 cm時(shí)路面結(jié)構(gòu)受力云圖如圖5(d)所示,當(dāng)差異沉降量>25 cm時(shí),拓寬部分的路基和路面之間已經(jīng)出現(xiàn)了大面積的脫空,路基對(duì)路面的支撐作用大大減弱,此時(shí)隨著差異沉降量的增大,路面的受力情況逐漸保持穩(wěn)定。

監(jiān)測(cè)不同差異沉降量工況下路面的最大應(yīng)力,如圖6所示。

圖6 路面最大應(yīng)力值隨差異沉降變化曲線圖

如圖6所示,隨著差異沉降量的增大,路面的最大應(yīng)力也在不斷增大,當(dāng)差異沉降>20 cm時(shí),路面的最大應(yīng)力的增長(zhǎng)趨勢(shì)開始逐漸減緩,當(dāng)差異沉降>25 cm時(shí),路面的最大應(yīng)力幾乎不再繼續(xù)增長(zhǎng)。結(jié)合圖5所示的結(jié)構(gòu)受力云圖可知,出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是當(dāng)差異沉降量到達(dá)25 cm后,基層地面和路基頂面之間已經(jīng)出現(xiàn)大范圍的脫空現(xiàn)象,路基對(duì)路面的支撐作用大大減弱,此時(shí)隨著差異沉降量的增大,路面的受力情況逐漸保持穩(wěn)定。可以通過路面的最大應(yīng)力作為描述路面形變的指標(biāo),進(jìn)一步描述路基差異沉降對(duì)路面平整性的影響,即隨著差異沉降逐漸增大,對(duì)路面平整性的影響也逐漸增大,當(dāng)差異沉降達(dá)到某個(gè)值時(shí),隨著差異沉降量的增大,對(duì)路面平整性的影響逐漸保持穩(wěn)定。

3 瀝青路面平整度的施工控制措施

根據(jù)前文的分析,提出減小路基差異沉降的控制措施。

(1)在填筑路基前完成清理工作。將用地范圍內(nèi)的包括垃圾以及植物根等各種污染物全部清理干凈。通過全面碾壓的施工方法,使路基用地達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度。還可以采用挖掘機(jī)將表層土壤全部清除,再填入至少30 cm的無腐殖土,分層壓實(shí)。路基壓實(shí)是保證路基正常工作的重要基礎(chǔ),路塹、路堤以及基底都需要進(jìn)行壓實(shí),其主要目的是減小孔隙比,提高路基土體的密實(shí)度,增加粘聚力,減少路基的沉降。路基的壓實(shí)本質(zhì)上是破壞土體原有結(jié)構(gòu),使土顆粒重新排列分布,達(dá)到更加密實(shí)的新的平衡。此時(shí),土體強(qiáng)度得到了很大提高,也大大減小了路基服役期間的沉降量。

(2)處理半挖半填路基。當(dāng)半挖半填路基連接位置對(duì)應(yīng)的橫向坡度>l∶5但<1∶1.25時(shí),應(yīng)從填方坡腳位置設(shè)置2%～4%的內(nèi)側(cè)傾斜坡,以防止下方路基滑動(dòng)對(duì)上方路面產(chǎn)生影響;當(dāng)半挖半填路基連接位置對(duì)應(yīng)的橫向坡度>1∶1.25時(shí),應(yīng)對(duì)路基邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行檢算,當(dāng)邊坡安全系數(shù)<1.25時(shí),需對(duì)該邊坡設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)。在處理半挖半填路基時(shí)還需注意:當(dāng)挖方區(qū)域的地質(zhì)組成主要為土質(zhì)時(shí),挖方超過80 cm后應(yīng)填補(bǔ)透水材料,同時(shí)鋪設(shè)土工格柵,通過φ10 mm錨固釘對(duì)土工格柵加固,錨固釘?shù)腻^固長(zhǎng)度≥30 cm。在存在地面水匯流的路段,須在施工前完成排水工作,常用的排水方法為開挖排水溝。

(3)選擇優(yōu)質(zhì)的路基填料。路基填料的質(zhì)量對(duì)于路基長(zhǎng)期服役性能的影響較大,級(jí)配良好的礫石混合料、粗砂質(zhì)粉土、輕粉質(zhì)黏土等具有較好的物理力學(xué)性質(zhì),其強(qiáng)度較高、水穩(wěn)定性較好,屬于優(yōu)質(zhì)的路基填料,在實(shí)際工程中可以優(yōu)先選擇,不允許使用淤泥土或含腐殖土的有機(jī)土。我國(guó)規(guī)范中對(duì)于液限超過50、塑性指數(shù)超過26的路基填料的使用做出了明確規(guī)定,即在使用該種填料時(shí),必須對(duì)其采取翻曬或添加如石灰等材料穩(wěn)定劑等措施進(jìn)行改良,在檢查合格后才可使用。

(4)對(duì)特殊地基采取處理措施。當(dāng)用地范圍中包含軟土地基或其他特殊土地基時(shí),在填筑路基前必須采取必要的地基處理手段。當(dāng)淤泥或軟土層厚度較小時(shí)可以采取砂礫墊層或者換填的方法;在軟土地基情況復(fù)雜的地段,主要考慮通過碎石樁、CFG樁等復(fù)合地基或者強(qiáng)夯法對(duì)地基進(jìn)行處理。

4 結(jié)語

本文通過ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了路基差異沉降對(duì)路面平整度的影響,最后提出了相應(yīng)的工程措施,主要結(jié)論如下:

(1)路基的差異沉降和其他導(dǎo)致路基不平整的因素會(huì)通過道路的各個(gè)結(jié)構(gòu)層逐步映射到瀝青路面表層,進(jìn)而影響瀝青路面的平整度。路基的平整度是影響瀝青路面平整度的首要因素。路基的差異沉降對(duì)路面平整度的影響更多出現(xiàn)在公路的改擴(kuò)建工程中。導(dǎo)致新老路基差異沉降的原因主要有3個(gè),即新老路基之間的自身變形差異,新老路基的基礎(chǔ)固結(jié)程度差異以及新老路基之間的結(jié)合強(qiáng)度不足。

(2)根據(jù)ABAQUS數(shù)值計(jì)算結(jié)果,可將新老路基之間的差異沉降量對(duì)路面的影響大致分為4個(gè)階段。隨著差異沉降量的增大,路面的最大應(yīng)力也在不斷增大?？赏ㄟ^路面的最大應(yīng)力作為描述路面形變的指標(biāo),進(jìn)一步描述路基差異沉降對(duì)路面平整性的影響,即隨著差異沉降逐漸增大,對(duì)路面平整性的影響也逐漸增大,當(dāng)差異沉降達(dá)到某個(gè)值時(shí),隨著差異沉降量的增大,對(duì)路面平整性的影響逐漸保持穩(wěn)定。

(3)重點(diǎn)從減少路基差異沉降的角度提高路面平整度。減小路基差異沉降的主要方法包括:在填筑路基前完成清理工作;采用合理的方式處理半挖半填路基;選擇優(yōu)質(zhì)的路基填料;對(duì)特殊地基采取處理措施。