车辆荷载对海塘堤顶路面及防渗墙影响三维分析

2016-11-25王斌

城市道桥与防洪 2016年2期

关键词：堤顶防渗墙沥青

王斌

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430056）

车辆荷载对海塘堤顶路面及防渗墙影响三维分析

王斌

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430056）

风电场建设期风机设备运输过程中，堤顶行驶的重件运输车辆可能会对堤顶路面结构和堤中防渗墙结构产生一定程度影响。以某风电场工程为例，对路面结构和防渗墙结构在有无车辆荷载作用下的情况进行了三维有限元分析，计算结果表明，加铺沥青混凝土路面能保证路面结构强度，且对防渗墙的应力控制有利。

三维有限元；海塘堤顶路面；车辆荷载；防渗墙；应力控制

0　引言

风电场建设所用道路一般利用场区现有道路，或将已有道路改建为临时道路，道路等级往往较低。风机部件和塔筒均为重型构件，因此，在风电场建设期风机设备的运输过程中，应考虑运输要求对路面强度进行复核。尤其是建设在海塘围堤附近的风电场，运输道路往往就近选用堤顶道路，而堤顶行驶的重件运输车辆可能会对堤顶路面结构和堤中防渗墙（大部分海堤未设防渗墙）结构产生一定程度的影响。为评价这一影响的程度，以某风电场工程为例，采用三维有限元分析软件对其进行数值模拟分析，以期为工程设计提供参考依据。

1　计算条件

2.1计算模型和相关参数

海岸风电场利用海塘堤顶道路作为场内交通运输道路，故选取典型海塘堤坝断面建立三维模型，模型包括堤顶路面、堤身、堤基和防渗墙。计算采用线弹性模型，结构全部采用六面体单元模拟。为消除边界约束的影响，计算范围在堤坝横断面方向各外延10 m，沿堤纵向取标准车辆长度向两端各外延15 m。计算实体模型和网格剖分如图1、图2所示。

堤坝结构层参数按照地勘报告给出的参数建议值取用。地基弹性模量近似取为压缩模量（见表1）。

图1计算实体模型

图2　网格剖分模型

表1　地基土弹性模量

因地基土体已经固结完毕，故不考虑地基土体自重。防渗墙重度取为18.5 kN/m3。堤坝外水位按咸潮期设计高水位7.0 m取用，堤内无水，故以防渗墙为界，堤坝内侧土体重度取为18 kN/m3，堤坝外侧土体取浮容重8 kN/m3。堤顶路面重度均取为18 kN/m3。

1.2计算工况和模型加载

计算载荷涉及结构自重、水压力以及堤顶车辆荷载。自重由程序自动计算，水压力按面荷载作用加载于防渗墙上下游面侧。车辆荷载按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)[1]的相关规定取用。车辆载荷技术指标见表2。

表2　车辆载荷主要技术参数

边界条件取地基四周及堤坝两侧法向约束。

为分析运输车辆对防渗墙、堤顶路面结构的影响，分以下两类工况计算：

（1）泥结石路面：堤顶路面为200 mm厚石渣垫层和200 mm厚泥结石临时路面，分别按无车辆荷载作用和有车辆荷载作用进行分析。

（2）沥青混凝土路面：堤顶路面为200 mm厚石渣垫层、300 mm厚水泥碎石稳定层和80 mm厚沥青混凝土路面。仅模拟有车辆荷载作用的情况[2-3]。

车辆荷载作用位置不同对防渗墙内力影响不同，通过试算发现，一侧轮压作用于防渗墙内侧边缘时防渗墙内力最大，故计算时按该模型选取，车轮间距1.8 m，轮压作用点见图3。

图3　车辆荷载的轮压作用点示意图(单位:mm)

2　计算成果分析

2.1运输车辆对堤顶路面影响评价

泥结石路面无车辆荷载作用时的应力计算结果见图4和图5。

图4　无车辆荷载作用时结构整体图（单位：Pa）

图5　无车辆荷载作用时路面结构竖向正应力Sz（单位：Pa）

泥结石路面有车辆荷载作用时结构整体的竖向位移见图6。

图6　泥结石路面有车辆荷载时结构整体竖向位移Uz（单位：m）

泥结石路面有车辆荷载作用时的应力计算结果见图7、图8。

图7　泥结石路面有车辆荷载时结构整体图（单位：Pa）

图8　泥结石路面有车辆荷载时结构整体竖向位移Uz（单位：m）

沥青混凝土路面有车辆荷载作用时结构整体的竖向位移见图9。

图9　沥青混凝土路面有车辆荷载时结构整体竖向位移Uz（单位：m）

沥青混凝土路面有车辆荷载作用时的应力计算结果见图10、图11。

图10　沥青混凝土路面有车辆荷载时结构整体图（单位：Pa）

图11　沥青混凝土路面有车辆荷载时结构整体竖向位移Uz（单位：m）

泥结石路面无车辆荷载作用时，堤顶路面压应力最大值为65 kPa，路面最大拉应力18 kPa。泥结石路面增加车辆荷载后，整体竖向位移增加13 mm，堤顶路面压应力最大为433 kPa，路面最大拉应力为106 kPa。沥青混凝土路面增加车辆荷载后，整体竖向位移增加8 mm，堤顶路面压应力最大为466 kPa，路面最大拉应力为120 kPa。有车辆荷载作用时，堤顶轮压附近会产生应力集中，泥结石路面和沥青混凝土路面对应的堤顶路面结构应力极值比较见表3。

由表3所列结果可知，车辆荷载对堤顶路面压应力有一定影响。堤顶路面在轮压区附近范围内会出现拉应力，因泥结石材料不能承受拉应力，故临时路面对应的堤顶路面结构可能会出现局部破坏。沥青混凝土路面对应的堤顶路面结构的拉应力极值为120 kPa，该值小于沥青路面材料的最大容许拉应力值600～1 000 kPa，因此可以认为沥青混凝土路面结构是安全的。

表3　堤顶路面结构应力极值

3.2运输车辆对防渗墙影响评价

泥结石路面无车辆荷载作用时防渗墙的位移和应力计算结果见图12、图13。

图12　无车辆荷载作用时防渗墙水平向位移Ux（单位：m）

图13　无车辆荷载作用时防渗墙图（单位：Pa）

泥结石路面有车辆荷载作用时防渗墙的位移和应力计算结果见图14、图15。

图14　泥结石路面有车辆荷载作用时防渗墙水平向位移Ux（单位：m）

图15　泥结石路面有车辆荷载作用时防渗墙图（单位：Pa）

沥青混凝土路面有车辆荷载作用时防渗墙的位移和应力计算结果见图16、图17。

图16　沥青混凝土路面有车辆荷载作用时防渗墙水平向位移Ux（单位：m）

图17　沥青混凝土路面有车辆荷载作用时防渗墙图（单位：Pa）

泥结石路面无车辆荷载作用时，防渗墙最大水平向位移为15 mm，竖向正压应力为177 kPa。不出现拉应力。泥结石路面增加车辆荷载后，防渗墙的水平位移基本没有变化，防渗墙水平和竖向正应力分别为82 kPa和260 kPa，竖向正应力较无车辆荷载时增大83 kPa。路面铺设沥青混凝土路面后，在车辆荷载作用下，防渗墙水平和竖向正应力为45 kPa和237 kPa，较泥结石路面有所减少。泥结石路面和沥青混凝土路面两种情况对应的防渗墙结构应力和位移极值的比较见表4。