城市道路地下管道对沥青路面结构影响的力学分析

方诗圣， 李宏卓， 李贺才

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009;2.合肥市城乡建设委员会，安徽合肥 230001)

随着城市交通的发展，市政道路自身的要求越来越高。不同于一般道路，市政道路的显著特点是地下构造物很多，包括雨水管、污水管、窨井及检查井等。路面损坏形式有多种，其中路面裂缝很常见，路面裂缝产生的原因很多，包括路基变形引起的裂缝、起始于沥青磨耗层表面的裂缝、拓宽处裂缝、地下构造物引起路面裂缝等因素[1]。设计人员设计市政道路时，通常将地下构造物尽量避开机动车道埋设。然而市政道路的改造拓宽，就不可避免地将构造物置于快车道下方。由于顶面裂缝暴露在外部环境中，受雨水和温度影响加速了路面的破坏，给市政交通带来了不便。

国内外对构造物上路面设计的研究并不多见，文献[2]中提到，关于沥青混凝土路面，美国怀俄明州在研究涵洞上方路面的沉陷原因时，对160个涵洞作了野外检测，对其中15个涵洞现场进行钻芯取样，进行室内测试研究，并提出了处理办法。文献[3]针对涵洞、通道上沥青混凝土路面的病害现象，应用数值和实验方法详细地研究了其结构性能，得出当填土高度大于110 cm后，构造物对路面的影响可以不计。增加面层和基层的厚度以及提高基层的模量，可以降低面层的拉应力，并将构造物两侧一定范围内的土层换为底基层材料，可以明显改善路表附近的应力分布。目前路面结构设计尚无完善的规范可循，但是在一些高级公路建设的工程实践中，对涵洞、通道附近的沥青混凝土路面设计与施工均提出了不同的措施和要求。而目前的研究文献中很少考虑管道沟槽回填的情况，本文将沟槽回填考虑在内，综合研究了管道及沟槽回填土对路面结构的影响规律。

本文应用有限元方法[4]，借助大型通用有限元软件Ansys对城市道路典型沥青路面结构进行数值模拟，分析了地下管道及沟槽回填造成路面结构的破坏机理，进一步探讨了不同管道埋深和回填土模量对路面沉降和内力的影响规律，为市政道路管道上方路面设计和施工提供参考。

1 数值模拟

(1)模型的简化及计算假定。根据实际工程中的边界条件、埋管结构等特点，建立三维有限元模型。有限元实体仿真分析在路面结构分析中有广阔前景[5，6]，通过试算和相关经验选取足够的管段和土体。由于几何模型规模较大，为节省资源和计算时间，模型网格划分采用映射划分和自由划分相结合的混合方法。模拟计算时，假定填土压缩变形在填筑过程中瞬时完成，不考虑土体的固结等时间因素的影响。由于土体自重作用在浇注路面结构时已经完成，路基虽存在初始地应力场，模型可以不考虑初始地应力场。

(2)车辆荷载布置。三维有限元模型作为整体问题考虑时，车辆荷载采用双圆均布荷载，荷载对称作用于管道正上方路表面，荷载半径为10.65 cm，荷载大小与车辆轮压相等，取标准轴载BZZ-100[7]，整体计算模型如图1所示。

图1 城市沥青道路计算模型

(3)有限元模型的建立。路面结构的三维有限元模型宽度取6 m，管道下方路基土深度取3m，模型厚度取2m。其中，X为行车方向;Y为路面横断面方向;Z为管道方向。有限元计算采用8节点等参元Solid45单元。边界条件设为:底面施加固定约束，左右两侧限制X方向位移，管道方向边界和模型表面自由，层间接触状态视为完全连续。

(4)沥青道路结构及参数。考虑路基及回填土的弹塑性，采用非线性D-P模型，通过输入弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力等参数来体现。将管道和路面其它结构视为线弹性材料，道路结构层可参考文献[8]选取，道路结构几何及材料参数见表1所列。

表1 沥青道路结构几何及材料参数

2 计算结果及分析

2.1 自重作用下路表面沉降计算结果及分析

根据上述方式建立三维有限元模型，如图2a所示，在不考虑车轮荷载的自重作用下沥青道路结构整体沉降如图2b所示。

图2 沥青道路结构三维有限元模型和结构整体沉降

路表面AB沿程沉降曲线，如图3所示。

图3 路表AB沿程沉降曲线

图2b表明，计算模型在自重荷载作用下，自B至A路表(Z=0)发生了不均匀沉降。管道上方路面沉降小于管道周边的路面，主要因为管道的存在改变了该部位的局部刚度，路基刚度的不均匀导致路基的差异沉降，最终影响到路面的沉降[9]，同时在管道顶部路面出现了拉应力区。

2.2 车轮荷载作用下模型计算结果分析

根据上述方式建立三维有限元模型，在双圆均布车轮荷载作用下沥青道路结构发生沉降，影响路面沉降的因素包括管道埋深、回填土模量等。

2.2.1 管道埋深对路面沉降和内力的影响

考虑管道埋深对路面沉降和内力的影响时，取埋深1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7 m一组数值，其它参数不变，分析管道上方路面沉降、内力与埋深的关系。

(1)埋深对路表沉降的影响。经计算，随着管道埋深的增加，路表沉降呈线性减小。计算结果与文献[3]中浅埋时相反，主要是因为文献[3]中所采用的计算模型未考虑沟槽回填的影响，事实上本文考虑了沟槽的开挖回填，回填土模量大于路基模量。当埋深增加时，管道上方回填量与之增加，该部分的刚度也在增大，致使管道上方路表沉降减小。这正说明了在保证回填土充分压实的情况下，增加管道埋深可有效降低路表沉降。管道埋深与路表沉降关系曲线，如图4所示。

图4 路表沉降随管道埋深的变化曲线

(2)埋深对路表拉应力的影响。计算表明，随着管道埋深的增加，管道正上方路面主拉应力先减小后基本保持不变。管道埋深在1.5 m之前减小幅度较大，1.5 m之后基本不发生改变。所以当管道埋深大于1.5 m后，管道上方路面结构的设计可以按普通路面设计。埋深与路表拉应力关系曲线如图5所示。当双轮车辆荷载施加在管道上方路面时，导致道路表面产生拉应力区。

(3)埋深对路层中面最大剪应力的影响。在进行路面设计时，抗剪强度验算最重要的位置为沥青路面上面层和中面层，下面层一般不会超过材料的抗剪强度，可不进行剪应力验算。当上、中面层进行验算时，需找准计算点才能计算出各层内最大剪应力[10]。本文采用中面层为计算层，由有限元软件找准最大剪应力位置，结果如图5所示，随着管道埋深的增加面层中面最大剪应力相应增加，1.0～1.4 m增幅为4%。

2.2.2 回填土模量对路面沉降和内力的影响

考虑回填土模量对路面沉降和内力的影响时，取回填土模量60～900 MPa一组数值，埋深取1.4 m，其它参数不变，分析管道上方路面沉降、内力与埋深的关系。

(1)回填土模量对路表沉降的影响。如图6所示，随着回填模量的增加，路表沉降逐渐降低，超过200MPa之后趋于平稳。因此，当回填模量增加到200 MPa之后，通过增加回填土模量的办法来减少路表沉降的意义不是很大。

图6 路表沉降随回填土模量的变化曲线

(2)回填土模量对路表拉应力的影响。经计算表明，路表拉应力随着回填土模量的增加而增加，并最终趋向于一个定值，如图7所示。

图7 回填土模量与路表拉应力、面层中面最大剪应力的关系

(3)回填土模量对路面层中面最大剪应力的影响。如图7所示，当回填模量增加时，路面层中面最大剪应力降低，60～200 M Pa段降幅最大，200 MPa之后逐渐放缓。当回填土模量小于200 M Pa时，减小回填土模量对降低路面层中面最大剪应力效果较好。

3 结 论

本文通过对典型沥青道路结构三维有限元模拟仿真计算，得出了在自重荷载作用下，管道的存在改变了道路结构的局部刚度，致使管道上方路面发生了差异沉降，进一步得出在车轮荷载作用下，埋深和回填模量对沥青路面内力和沉降的影响规律，通过分析得出以下结论。

(1)自重荷载作用下，由于管道和回填土的存在改变了道路结构的局部刚度，计算模型路面发生了不均匀沉降。在进行管道上方路面设计时，应考虑管道对路面的影响。

(2)车轮荷载作用下，当开挖回填土的模量大于路基土的模量时，随着管道埋深的增大管道正上方路面沉降呈线性降低。在回填土充分压实的情况下，增加管道埋深可有效降低路表沉降。这一结果与单纯考虑管道而不考虑沟槽回填情况时的结果截然不同。

当埋深增加到1.5 m之后，管道上方的路面设计可以按照普通路面设计;埋深大于1.4m，路面中面剪应力变化不大。车辆荷载作用下，路面产生了拉应力区，可以通过在面层底部铺设土工格栅来降低拉应力区的范围。

(3)当回填土模量增大到200 MPa以后，对减少路表沉降意义不大。回填土模量在小于200 MPa时，减小回填土模量对降低路面层中面最大剪应力效果好。

[1] 朱 林，方诗圣.基于半刚性基层的沥青路面裂缝分析及防范策略[J].合肥工业大学学报:自然科学版，2010，33(12): 1839-1842.

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