不均匀沉降对路面结构力学的影响及控制标准

张建国，李永胜，陈 旭，赵金良

(1.中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065； 2.延安市公路勘察设计院，陕西 延安 716000)

0 引 言

在道路改扩建过程中，新旧地基平均固结度和应力水平存在差异：旧路地基在行车荷载、自重荷载以及其他外荷载作用下固结度比较大，已基本处于稳定状态；新地基土固结度相对较小，在行车荷载、自重荷载及外荷载作用下会产生比较大的沉降变形。这必将导致新旧路基发生沉降现象，不均匀沉降最终会使路面形成裂缝，对道路的正常使用产生不利影响[1]。本文把新旧路基、地基和路面建成整体的计算模型，通过更换土的力学参数使路基形成不均匀沉降，从而研究路面各层的应力、应变变化规律，建立适于实际工程的不均匀沉降控制标准[2-3]。由于旧路基的固结变形已经趋于稳定，因此本文没有分析旧路基路面在不均匀沉降下的变形，主要研究道路拓宽改建一侧道路在不均匀沉降作用下的控制标准。

1 不均匀沉降对路面结构力学的影响

1.1 计算模型与参数

本文采用有限元分析软件FLAC 3D建立计算模型，分析拓宽改建侧道路不均匀沉降对路面结构的力学影响[4]。延安北过境线工程原旧路基宽度为10 m，在一侧加宽13 m，道路中间为2 m的隔离带，新旧路面各宽10.5 m。用FLAC 3D软件建立路面模型[5]，如图1所示。

图1 计算模型

路面结构设计参数见表1，拟定的路面材料计算参数见表2。

表1 路面结构设计参数

表2 路面材料计算参数

1.2 路面结构对不均匀沉降的力学响应

1.2.1 路面结构破坏分析

由于新旧路基产生不均匀沉降，使得道路不仅受到自身荷载及行车荷载的作用，道路内部还会产生额外的附加应力[6]，不均匀沉降对路面结构的影响主要表现在水平附加应力上[7]。图2是铺筑拓宽道路以后的新路面水平应力云图。

图2 新路面水平应力云图

分析图2可得出，新铺的道路在不均匀沉降作用下会产生一定的水平应力，该附加应力会导致路面底基层受到拉应力，路面的面层会受压力影响；随着不均匀沉降的产生，水平应力继续增加。当路面底部受到的附加拉应力大于材料的极限抗拉强度时，底部产生裂缝，裂缝不断向上扩张，直至整个路面产生开裂，最终导致路面发生破坏[8-9]。所以，很有必要对新旧路基不均匀沉降控制标准进行研究，通过对裂缝位移进行观测，分析路面的开裂情况，对道路不均匀沉降做出预判，在出现裂缝道路破坏之前及时预警并妥善处理[10]。

图3 底基层底面水平应力

图4 基层底面水平应力

图5 面层顶面水平应力

图6 不均匀沉降与水平应力的关系

分析图3～6、表3可得，道路各层在各种不均匀沉降下的水平附加应力沿着道路横向逐渐增加，待应力值达到峰值后又逐渐减小[11]。因为加宽改建一侧顶面的不均匀沉降为瓢状，所以加宽侧的路面受到更大的压缩应力[12]。图6显示，每层的水平附加应力随不均匀沉降的变化而逐渐增加。加宽路面上，每个结构层的最大水平附加应力和最大差异沉降基本上是线性关系[13]。使用线性插值方法可知，当路面底部的水平附加拉伸应力达到材料的极限拉伸强度时，产生了拉伸裂纹。此时，加宽路面的宽度为10.5 m，坡度变化率为0.44%。

表3 路面在不均匀沉降下受到的最大水平拉应力

1.2.2 路面材料疲劳应力破坏分析

当道路刚投入运营时，道路底部的不均匀沉降很小，这时不均匀沉降引起的额外应力不足以使沥青路面产生裂缝。随着道路使用年限的增加，车辆等外荷载作用下的路面强度逐渐降低。当不均匀沉降量过大，无法抵抗附加应力时，将会导致道路内部产生开裂现象[14]。

由于道路路面反复多次承受车辆等外载荷，因此当路面底部应力超过极限承载时，裂缝开始形成，并逐渐膨胀至断裂。路面结果强度与其容许应力之间有如下关系。

(1)

式中：σsp为路面结构强度(MPa)；σR为路面结构容许拉应力(MPa)，如表4所示；Ks为路面抗拉强度系数。

表4 新路面各层材料容许拉应力

由图7可得，当新路面最大不均匀沉降为14.4 mm时，路面结构发生破坏，开始产生开裂变形[15]。所以，新道路路面在考虑疲劳效应开裂破坏影响下的最大差异沉降为14.4 mm时，相应的坡度变化率为0.14%。

图7 新路面各层最大水平附加应力与差异沉降的关系

2 不均匀沉降控制标准研究

在上文中，考虑到路面结构材料的极限抗拉强度，将路面基层的弯曲拉伸应力作为路面裂缝的主要控制因素。结论是，当新路面在加宽一侧的不均匀沉降超过46.2 mm时，新道路路面底部的拉应力大于基层稳定碎石的强度，其相应的坡度变化率为0.44%。考虑路面材料在使用过程中的疲劳影响时，当新路面在加宽侧的不均匀沉降大于14.4 mm时，相应的坡度变化率为0.14%。由上述计算结果可知，以基层稳定碎石的拉伸应力为控制标准时，不均匀沉降控制最为精确[16]。

综上，以不均匀沉降14.4 mm和对应的坡度变化率0.14%作为不均匀沉降控制标准的最高限制；以46.2 mm和对应的坡度变化率0.44%作为不均匀沉降控制标准的最低限制；以26.0 mm和对应的坡度变化率0.25%作为不均匀沉降控制的中值。然后，对加宽改建侧路面底部的不均匀沉降进行分级，结果见表5。

表5 不均匀沉降分级

当不均匀沉降等级判定为“Ⅰ”时，一般视作道路不会发生实质性破坏，无需采取任何措施；当不均匀沉降级别为“Ⅱ”时，需要采取措施来防止不均匀沉降给道路带来进一步的破坏，一般采用强夯法对路面进行加固；当不均匀沉降级别为 “Ⅲ”时，路面会发生开裂破坏，需要通过注浆等方法来加固路面；当不均匀沉降级别为“Ⅳ”时，道路开裂十分严重，可以采用多方式相结合的处理办法来对路面进行加固[17]。

3 结 语

本文采用有限元分析软件建立计算模型，通过更换路基的力学参数来使加宽一侧道路发生不均匀沉降，再分析加宽一侧道路在不均匀沉降下的力学响应，然后对道路不均匀沉降的控制标准进行研究，最终得出以下结论。

(1)拓宽道路各层在不均匀沉降下的水平应力连续分布，加宽一侧道路各层水平应力随着不均匀沉降的增加，大体上呈线性分布。

(2)当不均匀沉降超过46.2 mm时，其相应的坡度变化率为0.44%。考虑路面材料在使用过程中的疲劳影响，当不均匀沉降大于14.4 mm时，相对应的坡度变化率为0.14%。

(3)考虑拓宽侧道路材料的拉应力和疲劳效应的组合作用，得出加宽一侧道路不均匀沉降量为26.0 mm，与之相对应的坡度变化率为0.25%，最终把不均匀沉降控制标准分成4个等级。