路基不均匀沉降对沥青路面结构的影响

孙丽娟　苏丹娜　刘兵伟

（1.郑州铁路职业技术学院建筑工程系，河南　郑州　450052；2.河南省交院工程加固检测有限公司，河南　郑州　450052）

路基不均匀沉降对沥青路面结构的影响

孙丽娟1苏丹娜1刘兵伟2

（1.郑州铁路职业技术学院建筑工程系，河南郑州450052；2.河南省交院工程加固检测有限公司，河南郑州450052）

本论文采用ABAQUS软件分析了地基的不均匀沉降量对沥青路面结构层的应力分析。通过计算分析认为随着地基不均匀沉降量的增加，路面各结构层的水平附加应力呈现增加的趋势；路基的不均匀沉降量对面层竖向附加应力值影响较小，但是对基层和底基层层底竖向附加应力值影响较大。在设有底基层的半刚性基层层底拉应力较无底基层的小，因此，增设底基层，可降低路基不均匀沉降量对半刚性基层层底最大拉应力的影响。

地基不均匀沉降；沥青路面；附加应力

在公路工程中，会经常由于路基压实度不够或者路基回填不密实，路基会产生不均匀沉降，本文所分析的路基不均匀沉降为横向沉降差异，会导致路面平整度，使路面横向排水坡度受到影响［1］。由于路基的不均匀沉降将会在路面结构层中产生附加应力，在车辆荷载与温度荷载的共同作用下，会使路面结构层破坏加速，导致路面结构层在车辆反复荷载作用下产生长大、纵向开裂，并伴随着路面车辙、沉陷等损坏，严重影响路面结构的使用性能。文献［2］以解析解的形式详细分析了软土地基上路面结构参数对路面结构附加应力的影响，分析中认为，基层厚度增加时，路面各结构层的附加应力均增加，故在设计当中，以增加基层厚度来降低不均匀沉降所产生的附加应力的做法不可取。文献［3］研究认为采用半刚性基层沥青路面具有消散具有应力消散能力，适应于软土地基的合理沥青路面结构。

1　数值计算模型

本文中采用有限元分析软件ABAQUS软件，建立有限元模型，进行路面结构进行分析。在分析当中，假设路面结构层为弹性多层体系，各路面结构层为完全接触状态，按平面应变问题来进行分析，并考虑分析了碎石稳定底基层对地基不均匀沉降的影响。

1.1模型几何尺寸

沥青混凝土路面结构有限元模型中路面宽度为16.75m，上面层厚度取5cm，下面层厚度7cm，基层考虑半刚性基层材料，厚度取35cm，底基层厚度取20cm的水泥稳定碎石。其模型结构如下图1所示。

图1　附加应力计算模型

1.2材料参数

有限元模型中的材料参数见表1。面层、基层和垫层的材料参数如下表所示。

表1　沥青混凝土结构模型主要材料参数

经过实践验证和计算分析，路基不均匀沉降在路面的横断面往往会引起反拱变形，即路基中心沉降大，两侧小，可用二次抛物线或余弦曲线方程控制，如余弦曲线的方程为［2］：

式中，δmax为路堤中点最大沉降量；B为路面宽。

本次计算模型中，沥青路面的局部不均匀沉降假设为沿线路中线对称发生，沉降半径分别为1m、2m、3m、4m、5m，计算不均匀沉降量δmax在1cm、3cm、5cm、7cm、9cm变化范围内路面结构内部响应，主要计算最不利位置处的应力应变情况。

2　计算结果分析

图2　面层、基层和底基层的附加应力σx

有图2可知，面层、基层和底基层的附加应力随着不均匀沉降量的增加呈线性增加，而且底基层层底的水平附加应力随着地基不均匀沉降量值的增加而变化幅度较小。上面层层底的附加水平应力随着地基不均匀沉降量的增加较下面层层底的水平附加应力值大。

图3　面层、基层和底基层的附加应力σy

由图3可知，随着地基不均匀沉降量的增加，基层和底基层层底产生较大的竖向附加应力值，而且其竖向附加应力值增加幅度值较大；由于地基不均匀沉降，上面层层底产生竖向附加应力值，而且其值随着地基不均匀沉降值的增加而增加，但是下面层层底竖向附加应力值很小，而且随着地基不均匀沉降值的增加而增加缓慢。

图4　层间的附加剪应力τxy

由图4可知地基的不均匀沉降对路面结构层各层间剪应力的影响也呈现线性增大；而且上面层层底的剪应力较下面层层底剪应力值大。

图5　两种情况下基层附加应力σx

由图5可知，在设有底基层的路基上，其半刚性基层层底的附加应力要小于路基上没有设底基层的情况。其主要原因结合图2知，由于路基设有底基层，故地基在不均匀沉降过程中底基层也分担了一部分应力，使得半刚性基层的附加应力减少。

3　结语

通过以上计算分析可得出如下结论：

①路面各结构层随着路基不均匀沉降值的增加，水平附加应力是逐渐增加的，而且对路面结构层层间剪应力的影响较大。

②路基的不均匀沉降量对面层竖向附加应力值影响较小，但是对基层和底基层层底竖向附加应力值影响较大。

③在设有底基层和没有设底基层的路基上，有底基层的基层底部的最大拉应力值小于路基上没有设底基层的基层层底拉应力，因此，增设底基层，可降低路基不均匀沉降量对半刚性基层层底最大拉应力的影响。

［1］廖公云，黄晓明，杨庆刚.不同路面结构对软基不均匀沉降的适应性研究［J］.公路交通科技，2007，4（24）：34-38.

［2］张嘉凡，张慧梅.软土地基路基不均匀沉降引起路面结构附加应力［J］.长安大学学报（自然科学版），2003，5（3）：21-25.

［3］杨庆刚，王鹏.软土地基上不同沥青路面结构的适应性研究［J］.公路交通科技，2006，9（9）：27-31.

U416.22 ；TU447，

A

1003-5168（2015）-12-0026-2