高速公路改扩建工程路面搭接宽度有限元分析

王飞

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075）

0 前言

京藏高速宁夏段路线全长285.337km，随着经济快速发展，交通量增长迅猛，项目的改扩建已迫在眉睫。本文以姚伏叶盛段路面结构及横断面为例，利用有限元软件进行模拟及对路面搭接宽度分析，确定高速公路改扩建工程路面合理搭接宽度。

1 设计原则

项目拓宽路面设计的原则如下：

（1）改扩建必然产生大量的路面铣刨材料，在合理分析评价旧路材料的基础上，对其进行再利用，以降低工程造价，节约成本。

（2）道路4改8后，大型车辆和小型车辆实际运行的分车道现象更加明显，针对这一特点，项目采用分车道设计的原则，更符合道路的实际运行状况。

（3）设计采用有限元模拟道路拼接形式，减轻改扩建中由于路面接缝产生的裂缝病害。

2 原道路主线路面结构

K88+762.72—K106+100主线行车道路面结构：4cm中粒式沥青混凝土+8cm粗粒式沥青混凝土+20cm二灰砂砾+18cm二灰砾石土=50cm。

3 旧路加铺层主线补强结构

K88+762.72—K106+100主线行车道路面结构：4cm SBS改性AC-13+8cm SBS改性AC-20+12cm ATB-25。

4 新建道路主线路面结构

新建部分统一采用：4cm细粒式沥青混凝土AC-13+8cm中粒式沥青混凝土AC-20+12cm密级配沥青稳定碎石ATB-25+40cm水泥稳定碎石+20cm水泥稳定砂砾=84cm。

5 材料参数

由于旧路经过多年使用，旧沥青路面存在一定的老化，且半刚性基层可能存在一定的损坏，因此模型在参数选取上，旧路杨氏模量采用规范推荐值低值；对于加铺及新建部分，杨氏模量采用规范推荐中值。具体如表1～2所示。

表1 旧路路面材料参数

表2 新铺路面材料参数

6 路面拼接形式

根据《沥青混凝土路面养护技术规范》（JTG 5142—2019）要求，建议路面拼接采用搭接形式，搭接宽度宜大于30cm。本次有限元分析，在规范要求的基础上，同时结合前人对路面搭接宽度所进行的研究及本项目特点，模拟了6种搭接形式（见图1）。

图1 搭接形式

表3 搭接形式

7 有限元分析

采用国际通用有限元软件ADINA对以上不同搭接形式分别建立模型。

7.1 模型的建立

（1）基本假设

①建立单侧加宽模型；

②所有材料均采用线弹性各向同性模型；

③路面各层之间采用连续形式；

④路面只进行2级台阶开挖；

⑤为消除模型对分析部位的影响，模型横向选择第2、3和4车道作为模型宽度，纵向建立4m深作为模型的高度。

（2）边界条件

约束模型两侧及底层横向与纵向两个自由度（Y与Z）。

（3）网格划分

路面结构部分，模型纵向网格，按照0.04m左右进行划分，若长度不够则按照3段进行划分；横向网格按照0.03m进行划分。土基部分采用最大网格是最小网格3倍的形式进行划分。

（4）加荷方式

荷载间距按照2.35m进行布设（轮宽外侧之间的宽度）；加载宽度按照双轮组进行加载，轮间距假定为0m，宽度为0.5m；荷载大小按照标准荷载0.7MPa进行施加。

根据以上条件，建立模型如图2所示。

图2 有限元模型

7.2 路面破坏模式

路面在受到车辆荷载作用下，破坏原因主要有以下几种：

（1）沥青层底受到过大的拉应力；

（2）半刚性材料层底受到过大的拉应力；

（3）松散材料顶层受到过大的压应力。

改扩建项目，由于路面搭接问题，容易造成接缝处出现应力集中使得加铺层层底受到过大的拉应力或者竖向剪应力而出现破坏。

根据以上破坏类型，本次有限元分析选择第三车道为分析目标（由内往外，即新建道路和旧路交接的车道），分析点位类型选择如下：

（1）接缝顶点处对应的加铺层层底；

（2）第三车道内侧轮迹带对应的加铺层层底（沥青层层底）；

（3）第三车道外侧轮迹带对应的新建路面结构各层，具体包括：沥青层层底，水泥稳定碎石层层底，水泥稳定砂砾层层底及土基层层顶。

7.3 受力分析

（1）接缝处对应的加铺层层底拉/压应力分析，见表4，图3

表4 接缝处对应的层底拉/压应力 单位：106MPa

图3 接缝顶面加铺层层底拉/压应力

通过分析可知，第二条和顶层接缝对应的加铺层层底基本受压应力，顶层接缝对应的加铺层层底受拉应力，针对本项目，即仅有ATB-25层底受拉应力，水泥稳定碎石层可不做考虑。当不设台阶时，旧路对新建结构的影响最大。顶层的搭接宽度不同，对ATB-25层底拉应力有直接影响，而第二个台阶搭接宽度几乎对ATB层没有影响，当顶层搭接宽度为0.3m时，应力减小了18.47%；当顶层搭接宽度为0.625m时，应力减小了26.34%；当顶层搭接宽度为2.5m时，应力减小了约32.5%。

（2）接缝处对应的加铺层层底剪应力分析，见表5，图4

表5 接缝处对应的层底剪应力 单位：106MPa

图4 接缝顶面加铺层层底剪应力

总体来看，随着搭接宽度的变化，剪应力经历了从大到小，在从小到大的这一过程，但最理想的搭接宽度为一级台阶宽度0.625m，二级台阶宽度0.3m。

（3）轮迹带处应力分析，见表6，图5

表6 轮迹带处应力 单位：106MPa

图5 轮迹带处各层应力

根据分析，台阶开挖宽度不宜过宽，尽量根据实际情况保持在第三车道。

8 推荐台阶开挖宽度

根据以上分析，本着节约成本的原则，建议一级台阶开挖宽度为0.6～0.7m，二级台阶开挖宽度0.4～0.3m。

9 结语

本次有限元分析，在规范要求的基础上，同时结合前人对路面搭接宽度所进行的研究及项目特点，模拟了6种搭接形式，对不同搭接形式下接缝处对应的层底拉/压应力、层底剪应力及轮迹带处应力进行模拟计算分析，依据计算分析结果，台阶开挖宽度不宜过宽，尽量根据实际情况保持在第三车道。根据竣工资料原路面硬路肩路缘带外侧路面结构与行车道不一致，同时考虑到未来道路行驶交通量的分流情况，故项目以第二三车道为分界线，外侧为新建路面结构，内侧设置台阶进行搭接。