基于不同拓宽模式下路基不均匀沉降对路面结构层的响应分析

王惠勇，朱晓宁

(1.苏交科集团股份有限公司，南京 210017；2.新型道路材料国家工程实验室，南京 211112)



基于不同拓宽模式下路基不均匀沉降对路面结构层的响应分析

王惠勇1，2，朱晓宁1

(1.苏交科集团股份有限公司，南京 210017；2.新型道路材料国家工程实验室，南京 211112)

考虑不均匀沉降与行车荷载的综合作用对路面结构的影响，采用理论解和有限单位法对比计算分析了双侧拓宽、单侧拓宽两种不同的不均匀沉降模式下道路的差异沉降指标以及拉应力的分布变化规律，得到了不同沉降模式下差异沉降指标以及路面结构层裂缝产生的力学机理,为相关设计规范的修订以及类似高等级公路改扩建工程施工质量控制提供借鉴参考。

单侧拓宽；双侧拓宽；沉降变形；差异沉降指标；附加拉应力

0 引 言

在软土地基上修筑高等级公路，最显著的特点是软土地基将发生固结沉降和次固结沉降，而且沉降的发生是不均匀的。由于不均匀沉降导致路面结构层中产生附加应力，如果这种附加应力和车辆荷载产生的附加拉应力之和大于路面结构层的容许强度，则路面结构层将发生破坏，如路面的沉陷、纵横向裂缝等。很多资料表明，软土地基上路基的不均匀沉降都使路面结构产生了较严重的早期破坏。

目前，我国现行的路面设计规范主要考虑了行车荷载产生的附加应力的影响，尚未考虑路基不均匀沉降所引起的路面结构层的附加应力[1]；本文将考虑不均匀沉降与行车荷载的综合作用对路面结构的影响，计算分析双侧拓宽、单侧拓宽两种不均匀沉降模式下道路的差异沉降指标和不同结构层内部应力的分布规律。

1 不同拓宽模式下路基不均匀沉降对路面结构响应分析

1.1 双侧拓宽不均匀沉降引起的路面结构附加应力

先应用弹性力学理论对路基不均匀沉降引起的路面结构层中附加应力进行多层路面结构体系解析解分析，并用有限元分析结果进行验证[2-4]，从路基路面结构性能要求方面，求解软土地基上高等级公路的容许不均匀沉降，以保证路面结构在使用年限内不发生结构性破坏，确保路面的正常使用。

1.1.1 不均匀沉降分布模式

在路基的横断面方向，路基中心沉降量大，两侧沉降量较小，可用余弦曲线方程[5]拟合，见式(1)。

δ=δmaxcos(πx/B)

(1)

式中:δmax为路堤中点最大工后沉降量；B为拓宽后全幅路基宽度。

1.1.2 计算模型

由于高等级公路常用的路面结构为半刚性基层沥青路面，典型结构为四层体系， 故在分析中考虑四层体系(可为多层体系)，面层为沥青混合料，基层、底基层为半刚性材料以及土基，计算模型如图1所示。

图1 附加应力计算模型

计算中采用如下假定:

(1)路面各结构层为连续均质、各向同性线弹性材料，力学特性用弹性模量E和泊松比μ表征；

(2)路面各结构层在垂直方向完全连续，即路基不均匀沉降随使用时间缓慢增长，路面各结构层在交通荷载与自重作用下随之下沉，层间不会出现

脱空现象；沥青面层、基层和底基层间为连续接触条件，考虑到底基层材料与路基之间变形的不协调性，其层间处理为光滑接触条件；

(3)均匀的路基下沉对路面结构的影响不大，故只考虑不均匀沉降引起的附加应力；

(4)按平面应变问题分析。

1.1.3 计算参数的选取

路面结构层计算参数取自312国道沪宁段拓宽改建工程。路面结构层总厚度为74cm，原路堤宽度15m，老路肩开挖宽度为1.5m，双侧拓宽各8m，拓宽后宽度为28m，材料参数取值如表1所示。

表1 路面各结构层材料参数

其中，h为路面结构分层厚度；E为路面弹性模量；μ为泊松比；σsp为路面结构层的劈裂强度。

1.1.4 计算分析与结论

通过计算分析,可以得到双侧拓宽模式在不均匀沉降作用下路面结构层中附加应力的变化，如图2以及表2所示。

图2 不均匀沉降对应的路面结构层受力图(拉应力为负值、压应力为正值)

由于在不均匀沉降的作用下，路面面层处于受压状态，所以不会发生拉裂破坏，故表2中未列出面层中附加应力的数值。

表2 未考虑汽车荷载下路面结构层中附加拉应力 (单位：MPa)

当考虑汽车荷载的作用(p=0.7MPa，δ=10.65cm)时，路面结构层中所受到的应力情况如表3所示。

表3 考虑汽车荷载下路面结构层中总应力 (单位：MPa)

从表2、表3综合可以看出：

(1)不均匀沉降量从4cm增加到8cm，无论是否考虑汽车荷载的影响，解析解、有限元解均十分接近，这也验证了两种分析方法的可靠性。

(2)对于双侧拓宽，沥青面层均处于受压状态，基层与底基层均受到附加拉应力的作用，不均匀沉降作用下裂缝的发展形态为“down-top”型。

(3)考虑汽车荷载时，当不均匀沉降数值超过7.0cm时，底基层底面的拉应力已经超过了其自身的劈裂强度，底基层将会产生拉裂破坏；因此，可以认为容许不均匀沉降为7.0cm，此时的路面横坡改变为0.07/14=5‰。

1.2 单侧拓宽不均匀沉降引起的路面结构附加应力

1.2.1 不均匀沉降分布模式

对于单侧拓宽工程而言，在原有路堤荷载作用下，地基固结已经基本完成，在其一侧加宽扩建时，工后沉降最大值将发生在加宽部分形心附近，附加沉降分布曲线近似可以采用式(2)来拟合[5-7]。

(2)

其中： B为拓宽后全幅路面宽度； x0为工后沉降最大值点离老路左侧边缘的距离； a0、a1为采用余弦曲线拟合的系数。

1.2.2 计算模型

利用平面八结点等参数单元程序，采用弹性力学平面应变有限元进行分析。 其中，模型中有限元网格中共选用了114个单位，425个结点(对于工后沉降较大值附近适当地加密有限元网格)。坐标轴的原点0定在底基层底面左侧边缘，x坐标向右为正，y坐标向上为正，见图3所示。 材料参数取值如表1所示。

图3 有限单元网格划分及其变形网格图

1.2.3 计算分析与结论

通过计算分析,可以得到单侧拓宽模式在不均匀沉降作用下路面结构层中附加应力的变化，如图4以及表4所示。

图4 不均匀沉降对应的路面结构层受力图(拉应力为负值、压应力为正值)

从图4可看出，随着不均匀沉降值的变化，距老路左侧边缘0～9.25m之间，沥青面层和上基层大部分受拉，下基层和底基层处于受压状态；距老路左侧边缘9.25m～27.25m之间，面层和上基层基本受压，下基层和底基层处于受拉状态。

表4 不均匀沉降作用下路面结构层中附加拉应力 (单位：MPa)

通过分析，汽车荷载的作用下所受的附加拉应力(<0.01MPa)相对不均匀沉降产生的附加应力来说很小，可以忽略不计，故各结构层的附件应力可近似按表4来考虑。

从图4和表4综合可以得出：

(1)对于单侧拓宽，有两种不同的裂缝发展方式：当底基层底部先达到其容许抗拉强度时，将出现“down-top”传统型的纵向裂缝；而当面层先达到其容许抗拉强度时，将出现“top-down”的纵向裂缝。

(2)无论是否考虑汽车荷载，当不均匀沉降值超过6.47cm时，底基层底面的拉应力都将可能超过其自身的劈裂强度，路面结构层将会产生拉裂破坏；路面容许的差异沉降率为0.065/19.18=3.4‰。

2 结 语

(1)在不影响路面结构性能的条件下，对于双侧拓宽工程，容许的差异沉降值为7cm，差异沉降坡率为5‰；对于单侧拓宽工程，容许的差异沉降值为6.47cm，差异沉降坡率值为3.4‰，否则路面会因抗拉能力不足而出现拉裂破坏。

(2)对于双侧拓宽，不均匀沉降对基层与底基层均可能产生较大的附加拉应力，沥青面层基本处于受压状态，结构层内部主要产生“down-top”型的纵向裂缝。

(3)对于单侧拓宽工程而言，不均匀沉降对面层顶面、基层顶面与底基层底面均可能承受较大的附加拉应力的作用，将可能产生两种不同的裂缝发展型式：当底基层底部先达到其容许抗拉强度时，将出现“down-top”的纵向裂缝；而当面层先达到其容许抗拉强度时，将出现“top-down”的纵向裂缝。

[1] 江苏省交通厅公路局，江苏省交通科学研究院.312国道沪宁段拓宽改造路基拼接技术研究[R].南京：江苏省交通科学研究院，2007.

[2] 徐芝纶.弹性力学[M].北京: 高等教育出版社，1990.

[3] 蒋维城.固体力学有限元分析[M].北京：北京理工大学出版社，1989.

[4] 朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京：中国水利水电出版社，1998.

[5] 钱劲松.新老路基不协调变形及控制技术研究[D].上海：同济大学，2004.

[6] 贾宁.软土地基高速公路拓宽的沉降性状及处理应用研究[D].杭州：浙江大学，2004.

[7] 章定文.软土地基上高速公路扩建工程变形特性研究[D].南京：东南大学，2004.

Analysis of the Impact on Pavement Structure Caused by Roodbed Uneven Settlement Under Different Widening Modes

WANG Hui-yong1，2, ZHU Xiao-ning1

(1.Jsti Group, Nanjing 210017,China;2. National Engineering Laboratory for Advanced Road Materials, Nanjing 211112,China)

Considering the influence of uneven settlement and traffic load on the pavement structure, the calculation and analysis of the broaden the bilateral and unilateral broaden two different uneven settlement difference of high grade highway in the mode of settlement index and stress field variation. We conclude that the different settlement mechanism produces pavement longitudinal crack mode, and the results present reference and information to the revision of relevant design specification and other highway extension construction.

single-direction widening; double-direction widening; settlement deformation; differential settlement index; additional stress

2016-09-22

江苏交通科技项目(05GK-02)

王惠勇(1979-)，男，湖北浠水人，高级工程师，硕士，E-mail：why@jsti.com。

U416.01

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2016.03.003

1671-234X(2016)03-0011-04

浙江交通职业技术学院学报，第17卷第3期，2016年9月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.17 No.3,Sep.2016