双绞合钢丝网加筋涵洞位置的沉降变形特性分析

彭 镇

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 410004)

0 前言

双绞合钢丝网由六边形钢丝网孔相互绞合而成，该技术在欧美国家经历了几十年的发展，大量的理论计算、室内外试验和试验路铺筑表明，双绞合钢丝网在延缓沥青路面反射裂缝、提高路面抗车辙性能、增加路面疲劳寿命等方面效果优良。我国对路面钢丝网加筋技术研究甚少，1992年八达岭公路水泥混凝土路面大修，采用金属网加筋沥青混合料修筑500 m 试验段，使用效果良好。2002年，长沙理工大学郑健龙、周志刚等把钢丝网引入到沥青路面抗裂设计中。2005年，重庆交通大学的蒙云、姜波等人采用钢丝网混凝土和钢纤维混凝土复合而成的高性能混凝土填补旧水泥路面裂缝，并加铺沥青面层，抗裂效果良好。2011年，长沙理工大学黄旭和谢耿依托拓宽改建工程，通过研究表明，双绞合钢丝网相对工程中常用的其他土工加筋材料，加筋效果最佳，具有很好的路用性能。钢丝网在涵洞位置加筋对路基的沉降的影响研究较少，本文结合某市城市道路K1+000～K2+200 段路基施工实例，采用双绞合路面加筋网对涵洞位置进行加筋处理，对不同的加筋方案路基路面的沉降变形特性进行数值模拟计算并分析其沉降变形特性。

1 力学分析模型及计算参数

1.1 数值模型

在建某市城市道路北环线，道路标准横断面为1.5 m 人行道+2.0 m 非机动车道+3.0 m 绿化带+2 × 7.5 m 机动车道+3.0 m 绿化带+2.0 m 非机动车道+1.5 m 人行道，总计28.0 m。路面结构层为:路面面层厚17 cm，水稳基层厚40 cm。K1+000～K2+200 填方段道路下方存在两箱雨水箱涵，涵洞尺寸宽×高为5.0 m×3.5 m，涵洞钢筋砼结构厚度为50 cm，涵洞上方回填土厚1 m，涵洞置于基岩上方。由于路基是左右对称，故取右侧一半作为计算模型。模型根据面层与水稳层面层是否实际仿真模拟不同，分为两种模型:①按等效荷载施加时，模型尺寸长×宽×高为2 m ×14.0 m ×10.6 m，划分为1.8 万个网格单元，见图1(1－a、1－b);②按实际仿真模拟时，模型尺寸长×宽×高为2 m ×14.0 m×10.6 m，划分为2.1 万个网格单元见图1(2－a、2－c)。建立FLAC3D数值模型如图1所示。

图1 各工况计算模型(单位:m，待续)

续图1 各工况计算模型(单位:m)

1.2 计算参数

参考有关地质物探资料，在相关现行规范的基础上，结合商家提供的相关技术参数，材料物理力学计算参数如表1、表2所示。

表1 材料的物理力学参数

表2 双绞合路面加筋网的技术参数

1.3 边界条件与初始条件

1.3.1 边界条件

位移边界条件:模型边界采用位移约束，即左右、前后分别约束X、Y 方向的位移;底部约束Z 方向的位移;顶面水平面为自由面。

1.3.2 初始应力场

根据岩土体自重应力场和现行相关规范，竖向总应力按σzz=ρdgz 计算，水平应力为竖向应力0.5倍。即水平应力σxx=0.5σzz。其中，ρd为土体干密度;z 为深度。

1.3.3 等效荷载

模型上方施加的等效荷载为沥青砼面层与水稳基层自重，即:

1.4 模拟计算步骤

计算原始岩土体应力场→涵洞作业面开挖→涵洞施作→涵洞两侧土石回填→填筑路基→沉降平衡计算。

2 计算结果分析

2.1 等效荷载模型

2.1.1 涵洞外侧设置加筋网

为了便于对比分析加筋网效果，先针对计算模型图1中1－a，即涵洞外侧设置钢丝网的情况进行计算，分析单层加筋网加筋长度的变化和加筋网层数的变化对路基顶面沉降的影响。

1)单层加筋网长度。

取不设钢丝网和钢丝网长度分别为1、2、3、4 m考虑，从图2可以看出，钢丝网布置前后，沉降曲线均出现缓和段，布置1 m 钢丝网后沉降约减少1.2 cm。对于缓和段的长度，加筋长度1 m 缓和段约0.5 m，长度4 m 约为3.7 m。加筋网长度3 m 时，缓和范围为2.5 m，可满足设计要求。

图2 加筋网长度与1/2 路基顶面沉降曲线

2)3 m 长加筋网层数。

通过加筋网长度定量分析，可知加筋长度3 m时，能满足抵抗路基差异性沉降的要求。因此，设定3 m 长加筋网，分析层数分别设置1、2、3 层时路基沉降的变化情况。

据图3可知，布置与未布置比较，布置加筋网后，皆出现缓和段，且布置后沉降量有明显降低。但随着层数增加，缓和段差异沉降量弱增加。可见，增加加筋网层数后，下部的格栅不能充分发挥其抗拉效果，增加层数抵抗沉降的效果不明显。

图3 加筋网层与1/2 路基顶面沉降曲线

2.1.2 涵洞上方铺设钢丝网

针对计算模型图1中1－b，对涵洞上方布置加筋网的处理效果进行数值模拟分析，即在涵洞上方铺设钢丝网，其搭接长度分别取1、2、3、4 m。如图4所示，随着搭接长度的增加，沉降量减少，当搭接长度≥2 m 时，路基顶面沉降曲线基本接近，可见搭接长度取2 m 即可满足要求。

图4 涵洞上方加筋网搭接长度与1/2 路基顶面沉降曲线

2.2 仿真模型

2.2.1 水稳基层顶面加筋网长度

针对计算模型图1中2－c，水稳基层顶面布置加筋网，长度分别取2、4、6、8 m，由图5可见，当加筋网长度≥6 m 时，抵抗差异沉降的效果较明显。

图5 水稳基层顶面加筋网搭接长度与1/2 路基顶面沉降曲线

2.2.2 各工况对比分析

工况模式分为5 种:

1)不布置加筋网(即工况一);

2)涵洞外侧布置单层3 m 加筋网(即工况二(2－a));

3)涵洞上方布置单层6 m 加筋网(即工况三(2－b));

4)水稳基层顶面布置单层6 m 加筋网(即工况四(2 －c));

5)涵洞外侧、涵洞上方和水稳基础顶面同时分别布置3 m、6 m、6 m 的单层钢丝网(工况五)。

5 种工况条件下路基顶面沉降曲线如图6所示，并考察中距5.75～7.5 m 范围内5 种工况条件的路基顶面的沉降值，分别列出如表3和表4。

图6 5种工况条件的1/2 路基顶面沉降曲线

表3 5种工况条件下路基顶面沉降值 m

表4 5种工况条件下路基顶面沉降值 m

由图6和表3、表4可看出，5 种工况中，工况五抵抗沉降效果显著。中距为6.5 m 与中距为5.75 m 的差异沉降量大小:工况一＞工况四＞工况三＞工况二＞工况五，中距为7.5 m 与中距为5.75 m 的差异沉降量大小:工况一＞工况二＞工况三＞工况四＞工况五。

3 结论

通过路基采用的土工格栅加筋网的数值模拟分析，结果表明:

1)双绞合钢丝网很大程度地提高了路基的抗差异沉降能力。

2)单层加筋网为长度3 m 时，可满足设计要求;增加加筋网层数，抵抗差异沉降效果不明显;搭接长度取2 m 可满足要求。

3)通过5 种工况的沉降曲线分析表明，在工况五(涵洞外侧、涵洞上方和水稳基础顶面同时布单层钢丝网)条件下路面顶面沉降值最小。

［1］刘文怿.玻纤格栅在防治路面反射裂缝中的应用［J］.北方交通，2008(9).

［2］郑健龙，周志刚，张起森.沥青路面抗裂设计理论与方法［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［3］慕长春，蒙 云，姜 波，等.“白加黑”路面反射裂缝防治技术研究［A］.2006 中国交通土建工程学术论文集［C］.成都:西南交通大学出版社，2006.

［4］蒙 云，姜 波.应用F.C.防治旧砼路面反射裂缝的探索［J］.重庆交通学院学报，2007，26(3):62 －64.

［5］黄 旭.双绞合钢丝网加筋新老路面结合部的抗反射开裂力学分析［D］.长沙:长沙理工大学，2011.

［6］黄琴龙，凌建明，唐伯明，等.新老路基不协调变形模拟试验研究［J］.公路交通科技，2004(12).

［7］周 文.新老路基强度不均匀性对拓宽路面结构影响分析［J］.公路工程，2009，34(5).