路基不均匀变形对路面影响的研究

谭 悦

(上海机场(集团)有限公司虹桥国际机场公司，上海 200335)

路基是路面结构最下层，由于路面结构的应力扩散效应，行车荷载在传递到路基时应力等级已显著下降。因此，不论是设计还是施工，对路基的重要性往往不足。我国现行的JTG D40-2002公路水泥混凝土路面设计规范［1］对路基的要求为“提供稳定、均匀的支撑”。大量数据显示，很多由于路基的问题导致公路过早出现损坏，无法达到设计使用寿命［2，3］。常见由路基引起的路面损坏现象有:脱空、唧泥、桥头跳车、坍塌、滑坡等。为了提高对路基重要性的认识，本文将从路基不均匀变形的形成机理和路基不均匀变形对路面影响程度两方面进行分析。

1 路基不均匀变形的机理

1)不良地质、土质。当地基中存在软弱土层时，地基的承载能力和抗变形能力较差。在软弱土层具有一定厚度的条件下，由于路堤自重及行车荷载产生的附加应力，软弱土层会发生固结沉降、次固结沉降和侧向塑性挤出，并反映到路基顶面，导致明显的不均匀变形，如图1所示。一般来说，土体的天然含水量越高、天然孔隙比越大，则压缩系数越大、承载力越低，路基的沉降量和沉降差越大;抗剪强度和承载力越低，则侧向塑性挤出甚至局部坍滑的可能性越大。如软土、膨胀土等不良土质，在施工阶段处置不到位，后期很容易产生不均匀变形现象。2)新老路基结合。由于道路扩建或山区的“半填半挖”路基形成的路基结合面，由于两侧土质的差异，很容易出现不均匀变形［4，5］。这种情况下出现不均匀变形的原因有很多，主要包括新老路基的自身压缩变形;新路基作用下土基的固结沉降;新老路基结合部结合强度不足等。新老路基差异沉降示意图见图2。3)冻融。季节性冻胀地区，当地下水较高时，路基中的自由水在气温0℃以下会结冰，体积膨胀，路基易产生冻胀病害。少量冻胀的危害不大，但过量冻胀，特别是不均匀冻胀，可使路面出现隆起变形而影响行驶的平稳性。随着气温的升高，季节冻融层的土由冻结状态变为融化状态，在土体重力作用下进行融化下沉与压密变形。同时，冰转化为水会使路基湿度增大，使得路基承载能力及抗变形能力下降，会加剧路基的不均匀变形，进而导致翻浆、唧泥病害。路基的融沉程度主要与路基的土质、含水量有关［6］。一般来说，粘土的融沉性大于砂土。4)荷载作用。路基的施工主控指标为压实度和弯沉值。但受施工变异性影响，路基在受到外部不均匀荷载作用时可能会出现不均匀变形。路基在运行过程中的荷载作用主要来自两方面:自重和行车荷载。这种情况在填方路基中尤为明显。路基中的附加应力主要来自以下几个方面:a.车载，尤其超载情况;b.含水量变化造成土体容重的改变;c.地下水位升降而导致浮力作用改变;d.土体饱和度改变，引起负孔隙水压力改变。这部分附加应力引起土体中有效应力改变，从而导致土体发生压缩变形。图3为填方路基不均匀变形示意图。

图1 地基中软土层导致的不均匀变形

图2 新老路基差异沉降示意图

图3 填方路基不均匀变形示意图

2 路基不均匀变形对路面的影响

本文借助有限元软件ANSYS，考虑地基的不均匀变形，建立相应的力学模型，模拟水泥路面板的实际工作状况，来求解水泥板的力学响应［7］。

2.1 建立3D有限元数值模型

1)行车荷载。公路车辆荷载分四种基本类型:单轴—单轮，单轴—双轮，双轴—双轮和三轴—双轮。根据我国现行水泥混凝土路面设计规范建议的标准单轴—双轮轴载作用形式，取轴载100 kN，轮胎触地压力0.7 MPa。由于轮距为165 cm～186 cm，可以认为轴两边的轮载在水泥板中不会产生应力叠加，因此力学分析时只考虑一边轮载。轮印随着轮载、充气压力和轮胎类型的不同会呈现出不同的形状。本文选用矩形轮印的假定，单轮轮印尺寸按式(1)和式(2)计算:

其中，La为轮印宽，m;Lb为轮印长，m;P为轮载，MN;p为轮胎触地压力，MPa。

2)单元划分。一般来说，单元划分越细，计算精度越高，但计算时间也越长。因此，模型网格划分的原则是在保证计算精度的前提下，尽量采用较少单元的数量，以优化计算过程。本文结合国内外各类文献，总结了水泥混凝土路面有限元模型的单元划分方法主要有三类，如图4所示。各类型单元划分的优缺点如表1所示。本文在分析中采用第二种单元划分方法。

图4 网格划分方式示意图

表1 网格划分方式比较

3)临界荷位。临界荷位指的是车辆荷载作用在路面上对路面结构最不利的位置，此时的荷载附加应力最大。路面结构设计时偏于保守的考虑，通常取临界荷位的荷载应力进行计算。我国现行的水泥混凝土路面设计规范计算车辆荷载应力时的临界荷位为纵缝板边中部(见图5c))。而本文的车辆荷载应力需考虑地基不均匀变形带来的附加应力，因此临界荷位还可能出现在板角(见图5a))和横缝板边中部(见图5b))。为了确定临界荷位，本文对三种可能临界荷位进行试算。模型参数如表2所示，计算结果见表3。从表3的计算结果可以看出，行车荷载作用在板角时，水泥板的挠度最大;处于横缝中部(b荷位)时，在地基不均匀变形条件下，板中拉应力最大。因此可确定水泥板横缝板边中部位为临界荷位。

4)模型验证。为验证本文建立的三维有限元模型的可靠性，分别与威斯特卡德(Westergaard)解的计算结果进行比较。仍取表2中计算参数，在板中、板边和板角受荷三种情况下，水泥板中最大拉应力和挠度值列于表4中。由表4计算结果对比可知，本文建立的有限元模型与Westergaard解析解计算结果基本相符，证明模型是正确、合理的，可用于下一步结构分析。

图5 轮载作用临界荷位图示

表2 有限元模型计算参数

表3 荷载不同作用位置下水泥板最大弯拉应力及其最大挠度

表4 不同计算模型结果对比

2.2 分析结果

采用上述有限元模型，4种面层厚度、9种基础强度共36种工况条件下的路面荷载应力，如表5所示。

表5 不同工况条件下路面荷载应力

分析表5中数据可以得出以下规律:1)路基出现不均匀变形后，面层的荷载应力会显著增加。2)基础强度越高，路基不均匀变形对路面结构的荷载应力影响也越大。当K从30 MN/m3增长到400 MN/m3时，增长率从20%左右增长到50%左右。3)面层厚度对基础不均匀的影响程度影响不大。

3 结语

通过以上分析，可以得出以下结论:1)路基的不均匀变形机理主要可以分为4个方面，分别为不良地质、冻融作用、新老路基交接面影响和荷载作用。2)通过与Westergaard解析解的对比，验证了本文提出的3D有限元模型是合理可靠的。并通过试算，明确了横缝中部为地基不均匀状态下面层结构受力的最不利荷位。3)路基不均匀变形会导致面层内的荷载应力显著增加，且影响程度会随着基础强度的增长而增长。

［1］ JTG D40-2002，公路水泥混凝土路面设计规范［S］.

［2］ 谈至明，姚祖康.软土地基不均匀沉降对铺面结构影响分析［J］.岩土工程学报，1989，11(2):54-63.

［3］ 文畅平，周建普.刚性路面半刚性基层在路基不均匀沉降下的力学分析［J］.科学技术与工程，2005，5(22):1763-1765，1769.

［4］ 同济大学.新老路基结合部处治技术［A］.西部交通建设科技项目研究报告［C］.2003.

［5］ 傅 波，王桂尧.路基差异沉降的形成原因及对路面开裂的影响分析［J］.中外公路，2006，26(3):39-41.

［6］ 宋 珲，朱 明，袁文忠.季节性冻土地区路基的冻胀与融沉［J］.路基工程，2007(1):26-28.

［7］ 邓卫东，张兴强，陈 波，等.路基不均匀沉降对沥青路面受力变形影响的有限元分析［J］.中国公路学报，2004，17(1):12.