加寬改造道路路基不均勻沉降指標(biāo)研究

1、<p>　　加寬改造道路路基不均勻沉降指標(biāo)研究</p><p>　　摘要：路基拓寬后的不均勻沉降是產(chǎn)生結(jié)合部處縱向裂縫的主要原因，本文從公路路面結(jié)構(gòu)性指標(biāo)出發(fā)，應(yīng)用有限元方法計(jì)算了由于新舊路基不均勻沉降引起的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力，闡述了舊路拓寬改造后控制結(jié)合部處產(chǎn)生縱向裂縫的容許不均勻沉降指標(biāo)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)性；有限元；舊路拓寬；不均勻沉降 </p>

2、<p>　　中圖分類號(hào)：U213文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A </p><p>　　無(wú)論對(duì)于新建公路，還是老路加寬改造，都存在路基沉降問題，新筑路基的沉降將引起兩方面的影響：一是對(duì)路面功能性的影響，即可能影響路面縱坡、橫坡、以及平整度。二是對(duì)路面結(jié)構(gòu)性的影響，地基不均勻沉降將引起路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，一旦這種應(yīng)力與車輪荷載產(chǎn)生的應(yīng)力之和大于結(jié)構(gòu)層材料的強(qiáng)度，路面的結(jié)構(gòu)將會(huì)破壞，這正是本文的研究所在。因此，要求

3、在公路使用年限內(nèi)最大的不均勻沉降值不超過(guò)容許工后沉降標(biāo)準(zhǔn)。 </p><p>　　舊路拓寬改造后，新路基沉降量較大，而老路基已經(jīng)完成大部分工后沉降。所以路基表面沉降曲線在結(jié)合部位置可能產(chǎn)生突變，從而引起該部位路面各結(jié)構(gòu)層中產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超出路面材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，路面就會(huì)產(chǎn)生開裂，這也是老路拓寬改造后在結(jié)合部位置容易產(chǎn)生縱縫的原因。因此本章將重點(diǎn)計(jì)算新舊路結(jié)合部處的路面結(jié)構(gòu)層應(yīng)力，以確定工后容許沉降標(biāo)準(zhǔn)。 &

4、lt;/p><p>　　1.舊路拓寬后路基沉降曲線模型 </p><p>　　由于路堤表面的不均勻下沉?xí)孤访娴谆鶎优c路堤脫空，路面結(jié)構(gòu)在自重和行車荷載作用下要隨路堤向下發(fā)生跟隨位移和撓曲，而正是撓曲使路面板體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力。因此，要準(zhǔn)確計(jì)算不均勻沉降在路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的應(yīng)力，就必須首先擬合好路基表面的差異沉降曲線。 </p><p>　　對(duì)于新建公路，人們通常用拋物線來(lái)擬合

5、: </p><p><b>　　(1) </b></p><p>　　式中：——曲線中任意點(diǎn)與路面邊緣的不均勻沉降差； </p><p><b>　　——路面寬度； </b></p><p>　　——路基中部和邊緣的最大不均勻沉降差。 </p><p>　　這種曲線類型能相

6、對(duì)較好地?cái)M合路基表面的不均勻沉降情況，具有一定的適用性。 </p><p>　　由于模擬新建公路的拋物線類型比較接近實(shí)際，因此本文對(duì)其進(jìn)行處理，用來(lái)近似模擬舊路拓寬后的沉降曲線。具體思路如下： </p><p>　　圖1拓寬路基沉降變形模擬圖 </p><p>　　①將舊路拓寬后的整個(gè)路基當(dāng)作是新修公路，那么其頂面沉降曲線S總可以用拋物線y1=f1(x1)來(lái)進(jìn)行擬合

7、； </p><p>　　②原有老路基的沉降曲線S舊，仍可用拋物線y2=f2(x2)進(jìn)行擬合； </p><p>　?、蹖?duì)于新拓寬段引起的沉降變形S新，即為兩條拋物線相減的差值y3=y1-y2，如下圖所示： </p><p>　　2.有限元力學(xué)模型的建立 </p><p>　　由于路堤的不均勻沉降會(huì)使路面基層板體與路堤脫空，各層結(jié)構(gòu)在自重的作

8、用下要隨路堤向下發(fā)生跟隨位移和撓曲，如圖2所示，從而在路面各結(jié)構(gòu)層不同位置產(chǎn)生拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。 </p><p>　　圖2路面結(jié)構(gòu)對(duì)路基的跟隨變形圖 </p><p>　　在進(jìn)行有限元分析時(shí)，作如下假定： </p><p>　?。?）假定底基層與路堤接觸邊界是光滑的，無(wú)摩擦力； </p><p>　?。?）路面在自重及外荷作用下的跟隨位移量為

9、路堤表面沉降量，即路基和路面不產(chǎn)生脫空； </p><p>　?。?）各層材料為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性；層間接觸連續(xù)，完全粘合； </p><p>　?。?）采用平面應(yīng)變有限元模型，面層、基層、底基層都采用平面單元。 </p><p>　　在有限元計(jì)算時(shí)路面結(jié)構(gòu)取三層：面層、基層、底基層，路面有限元計(jì)算網(wǎng)格劃分和路面結(jié)構(gòu)見圖3、圖4。其中BC為路面頂面，AB、CD為自

10、由邊，AD為路面與土基接觸邊界，且AD發(fā)生已知節(jié)點(diǎn)位移。劃分單元網(wǎng)格精度為0.25m。 </p><p>　　圖3路面結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算圖 </p><p>　　圖4路面結(jié)構(gòu)極其參數(shù) </p><p>　　3.應(yīng)力及路堤容許不均勻沉降指標(biāo)分析 </p><p>　　通過(guò)有限元法對(duì)不均勻沉降引起的附加應(yīng)力進(jìn)行分析，可以確定容許工后不均勻沉降指標(biāo)，從

11、而對(duì)工后不均勻沉降量加以控制和采取處理措施。 </p><p>　　目前我國(guó)公路與城市道路建設(shè)中普遍采用水泥或二灰穩(wěn)定類作基層和底基層，本文對(duì)常用的路面典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得出在舊路沉降坡度和新路沉降坡度兩者差值變化時(shí)的路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力。在有限元計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，實(shí)際最大應(yīng)力位置并不一定恰好處于新老路基頂部接茬處，而是在其偏向新拓寬路段約1米的區(qū)域內(nèi)。這說(shuō)明引起接合部位置應(yīng)力突變的所謂突變點(diǎn)實(shí)際上是一個(gè)小的區(qū)域，在

12、這個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)可能出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。有限元計(jì)算結(jié)果見表1： </p><p>　　表1瀝青路面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 </p><p>　　計(jì)算結(jié)果表明：由于路堤不均勻沉降產(chǎn)生的附加應(yīng)力在瀝青面層以及基層頂部均為拉應(yīng)力，而在基層底部和底基層均為壓應(yīng)力；而利用彈性層狀體系理論計(jì)算車輪荷載作用下面層、基層及底基層底面的應(yīng)力分別為-0.13、0.08、0.11MPa。因此，由不均勻沉降產(chǎn)生的附加應(yīng)力

13、和由車輛荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)力剛好相反，即：一方為拉應(yīng)力，則另一方為壓應(yīng)力，這也是與新建道路不同的地方。如進(jìn)行兩種應(yīng)力狀態(tài)的疊加，則由車輛荷載引起的引力將部分抵消由不均勻沉降產(chǎn)生的應(yīng)力。 </p><p>　　為保守期間，本文不計(jì)車輛荷載作用下的應(yīng)力，只計(jì)路堤不均勻沉降引起的應(yīng)力；同時(shí)，路面各結(jié)構(gòu)層材料的容許拉應(yīng)力都取規(guī)范中的低值。 </p><p>　　根據(jù)現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[6]，取瀝青

14、面層的容許拉應(yīng)力為0.8Mpa,基層的容許拉應(yīng)力取0.35Mpa，則根據(jù)上表3.1計(jì)算結(jié)果，當(dāng)不均勻沉降坡差超過(guò)0.4%時(shí)，基層頂部（拉應(yīng)力為0.3374MPa）將首先進(jìn)入破壞狀態(tài)。 </p><p>　　由于目前我國(guó)公路與城市道路建設(shè)中普遍采用水泥穩(wěn)定類或二灰穩(wěn)定類材料作路面結(jié)構(gòu)的基層和底基層，因此上述針對(duì)此類材料的計(jì)算結(jié)果具有較廣的適用性。可以認(rèn)為，對(duì)于基層是半剛性材料的瀝青混凝土路面，采用不均勻沉降坡差0.

15、4%來(lái)指導(dǎo)道路拓寬改建工程和進(jìn)行地基及老路基處治是適合的。 </p><p><b>　　4.結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　　本文通過(guò)對(duì)公路與城市道路路面的結(jié)構(gòu)性要求分析，得出了舊路拓寬改造的不均勻沉降指標(biāo)。也即，當(dāng)不均勻沉降坡差控制在0.4%以內(nèi)時(shí)，就不會(huì)影響路面的結(jié)構(gòu)性要求，也不易在新老路基結(jié)合部位置產(chǎn)生縱向裂縫，因此可以認(rèn)為把0.4%的沉降坡度差作為半剛性路