基坑開挖對(duì)路面裂縫的影響分析

□文/馬春亭

基坑開挖對(duì)路面裂縫的影響分析

□文/馬春亭

道路建設(shè)是為地塊開發(fā)及居民出行提供服務(wù)，由此道路建設(shè)完成后，往往會(huì)受周邊地塊開發(fā)過程中基坑開挖的影響，導(dǎo)致路面出現(xiàn)各種裂縫?；娱_挖與道路裂縫之間到底存在何種對(duì)應(yīng)關(guān)系以及基坑開挖對(duì)裂縫產(chǎn)生的機(jī)理如何尚不明確。文章以天津?yàn)I海地區(qū)某小區(qū)建設(shè)過程中，導(dǎo)致路面出現(xiàn)裂縫為研究背景，應(yīng)用MIDAS有限元方法建立分析模型，在研究中裂縫擴(kuò)展模式的基礎(chǔ)上，研究基坑開挖對(duì)路面應(yīng)力應(yīng)變的影響，從而揭示基坑開挖引起路面裂縫的原因。

基坑；開挖；裂縫，有限元；路面

道路建設(shè)完成后往往進(jìn)行地塊的開發(fā)與建設(shè)，由此導(dǎo)致路面出現(xiàn)各種病害。其中，裂縫的出現(xiàn)最為普遍，裂縫的產(chǎn)生會(huì)直接影響到路面和基層的穩(wěn)定性，從而降低路面的整體強(qiáng)度和壽命。

如何得出基坑開挖與路面裂縫直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析裂縫產(chǎn)生機(jī)理并在以后實(shí)際工程中有效控制基坑開挖的尺寸、規(guī)模、位置等，從而避免裂縫的產(chǎn)生是本文研究的出發(fā)點(diǎn)。

1　瀝青路面產(chǎn)生裂縫原因

瀝青路面產(chǎn)生裂縫的種類有很多，產(chǎn)生裂縫的原因也多種多樣，本文將重點(diǎn)研究新建瀝青混凝土路面非荷載型裂縫的形成原因。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，該類型裂縫產(chǎn)生原因大致有兩種：一是路面材料選用不當(dāng)或路面材料的施工產(chǎn)生問題；二是路基碾壓不均勻，導(dǎo)致路基產(chǎn)生差異沉降，引起路面產(chǎn)生裂縫。

根據(jù)斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)，路面出現(xiàn)裂紋的主要原因是外力引起的拉應(yīng)力α大于材料的容許拉應(yīng)力α容許，由此導(dǎo)致路面產(chǎn)生水平拉應(yīng)變，既而引起路面出現(xiàn)裂縫。而產(chǎn)生拉應(yīng)力的外力有很多種，既有基坑開挖產(chǎn)生的外力，也有由于溫度變化引起產(chǎn)生的外力，還有車輛荷載作用下產(chǎn)生的外力。

2　基坑開挖對(duì)路面裂縫的作用機(jī)理分析

2.1模型建立以及材料參數(shù)

應(yīng)用MIDAS有限元方法建立分析模型，分析模擬基坑開挖時(shí)瀝青路面各結(jié)構(gòu)層內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變情況。

有限元法模擬基坑開挖過程，開挖荷載計(jì)算是進(jìn)行分析的關(guān)鍵。開挖前土體處于平衡狀態(tài)，開挖后土體應(yīng)力予以釋放，成為應(yīng)力自由面。

土體的本構(gòu)關(guān)系為Drucker-Prager-model。自上而下路面結(jié)構(gòu)各層為4 cm細(xì)粒式瀝青混凝土（AC-13C）+ 8 cm粗粒式瀝青混凝土（AC-25C）+18 cm水泥穩(wěn)定碎石（3.5 MPa/7 d，骨架密實(shí)型）+18 cm水泥穩(wěn)定碎石（3.0 MPa/7 d，骨架密實(shí)型）+18 cm石灰粉煤灰土（12∶35∶53），土基采用石灰土，見表1。

表1　各層參數(shù)

對(duì)路面結(jié)構(gòu)各層做出如下假設(shè)：

1）假設(shè)各結(jié)構(gòu)層為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的線彈性材料；

2）結(jié)構(gòu)層之間完全連續(xù)接觸；

3）模型尺寸為面層50 m×34 m×0.14 m；基層50 m×35 m×0.54 m；土基為50 m×35 m×2 m；

4）xy面上的z方向的位移被約束，x、y方向位移自由，yz面上的x方向位移被約束，y、z方向位移自由；模型底面xz為固定約束；另外，模型四角豎直線上的x、z方向位移約束；

5）基坑開挖維護(hù)結(jié)構(gòu)按混凝土彈性材料考慮，彈性模型取25 000 MPa，圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元采用非協(xié)調(diào)元。

2.2基坑開挖對(duì)路面裂縫的作用機(jī)理

基坑開挖過程會(huì)在路面結(jié)構(gòu)各層內(nèi)產(chǎn)生水平拉應(yīng)力，導(dǎo)致在路面結(jié)構(gòu)中的薄弱位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，在外加荷載的作用下導(dǎo)致實(shí)施水平拉應(yīng)力α實(shí)際＞材料的容許拉應(yīng)力α容許，既而引起路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)變，引起路面產(chǎn)生裂縫。

通過圖1可以看出，基坑開挖完成后，會(huì)在基坑底部及立面位置產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，基坑外側(cè)土體產(chǎn)生向基坑側(cè)滑移的趨勢，既而引起路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力重分布。在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)會(huì)形成應(yīng)力集中群。

圖1　基坑開挖后路面應(yīng)力

3　基坑開挖后路面結(jié)構(gòu)各層內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變模擬

基坑開挖導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)各層內(nèi)應(yīng)力釋放，打破了原有的力學(xué)平衡，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)后方的土體產(chǎn)生位移，帶動(dòng)了路面結(jié)構(gòu)各層向坑內(nèi)方向移動(dòng)。

為便于分析基坑開挖對(duì)路面結(jié)構(gòu)各層的應(yīng)力應(yīng)變影響，在考慮某一因素的影響時(shí)，假定其他條件不變，比如：在考慮路面離基坑遠(yuǎn)近對(duì)其位移的影響時(shí)，均假定路面結(jié)構(gòu)各層材料相同。

3.1基坑遠(yuǎn)近對(duì)路面結(jié)構(gòu)各層應(yīng)力應(yīng)變的影響

1）對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力的影響。路面結(jié)構(gòu)的受力情況因基坑開挖位置的不同而不同，基坑距離道路越近，道路受到的水平拉應(yīng)力越大；基坑距離道路越遠(yuǎn)，道路受到的水平拉應(yīng)力越小。

由于基坑開挖引起的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的彎拉應(yīng)力呈正態(tài)分布，距離基坑最遠(yuǎn)的遠(yuǎn)端拉應(yīng)力最小，距離基坑最近的近端拉應(yīng)力最大。

通過圖2可以看出，路面結(jié)構(gòu)在基坑開挖的情況下產(chǎn)生水平拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在距路面邊線4.5 m位置，基層底部處最大數(shù)值約為0.135 MPa。

圖2　基層底部水平拉應(yīng)力分布（基坑距離道路10 m）

而根據(jù)半剛性基層材料的容許抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式，得出基層底部處的容許抗拉強(qiáng)度為0.123 MPa。由此，基層底部的拉應(yīng)力0.135 MPa＜容許彎拉應(yīng)力0.123 MPa，路面基層產(chǎn)生失穩(wěn)，產(chǎn)生裂縫。

而根據(jù)圖3，基坑距離路面越近，對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉應(yīng)力越大。

圖3　水平拉應(yīng)力隨基坑位置變化曲線

2）對(duì)路面變形的影響。道路距離基坑最近位置，產(chǎn)生的水平位移最大。當(dāng)基坑距離道路10 m時(shí)，產(chǎn)生的水平拉應(yīng)力超過基層的容許拉應(yīng)力，導(dǎo)致路面出現(xiàn)開裂，在此條件下，路面產(chǎn)生裂縫寬度約為7 mm，見圖4。

圖4　基層底部水平位移（基坑距離道路10 m）

隨基坑距離路面位置的不同，在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的水平位移不同，距離路面0時(shí)，水平位移最大，約為1.5 cm，而當(dāng)距離路面20 m時(shí)，數(shù)值最小，約為0.4 mm，，見圖5。

圖5　水平位移隨基坑位置變化曲線

由于路側(cè)基坑的開挖，坑內(nèi)土體應(yīng)力釋放，打破了原有土體的平衡狀態(tài)，土體的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了路面的位移，既而引起路面開裂。

3.2不同路基強(qiáng)度對(duì)裂縫的影響

路基強(qiáng)度對(duì)路面結(jié)構(gòu)的水平位移及豎向位移影響顯著，當(dāng)下臥層土體的彈性模量E從20 MPa變化為40 MPa時(shí)，道路的水平最大位移分別為7.25、7.14、7.08、7.04、7.02 mm，呈逐漸減小趨勢；水平拉應(yīng)力分別為0.2、0.18、0.16、0.14、0.13 MPa，呈逐漸減小趨勢，見圖6和圖7。

圖6　水平位移隨路基強(qiáng)度變化曲線

圖7　水平拉應(yīng)力隨路基強(qiáng)度變化曲線

說明道路的變形隨著路基強(qiáng)度的提高呈逐漸減小趨勢，這是因?yàn)槁坊鶑?qiáng)度的提高，土體的壓縮性降低，因此路基的沉降以及土體向基坑方向的位移減小，所以道路的水平、豎向位移均得到了控制。

4　工程驗(yàn)證

4.1現(xiàn)狀描述

天津?yàn)I海新區(qū)某條道路作為地塊開發(fā)的配套道路，在竣工1 a后，路面出現(xiàn)了一條縱向裂縫，裂縫呈不斷變大的趨勢。經(jīng)過現(xiàn)場勘查，道路南側(cè)為在建住宅，在施工過程中，進(jìn)行了基坑開挖及降水，基坑距離道路邊線10～15 m。

現(xiàn)狀道路產(chǎn)生的裂縫為縱向裂縫，通過鉆芯取樣，裂縫貫穿道路結(jié)構(gòu)層至路基底部，現(xiàn)狀路基未發(fā)現(xiàn)裂縫，裂縫發(fā)展趨勢為自下而上。

基層內(nèi)產(chǎn)生的裂縫尺寸較大，到面層裂縫較小，該結(jié)論與3.1節(jié)分析結(jié)論較為接近，見圖8和圖9。

圖8　現(xiàn)狀裂縫

圖9　芯樣

4.2處置措施

根據(jù)第3節(jié)相關(guān)描述，路面產(chǎn)生裂縫的主要原因是在基坑開挖過程中，在路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，但路面結(jié)構(gòu)內(nèi)集聚的水平拉應(yīng)力超過路面結(jié)構(gòu)的容許拉應(yīng)力后，路面便會(huì)產(chǎn)生裂縫。

為保證路面不會(huì)產(chǎn)生裂縫，就需要增加提高路面結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度。而針對(duì)本項(xiàng)目，采用的處置措施是對(duì)開裂位置進(jìn)行銑刨，然后在搭接部位增加玻纖格柵，通過玻纖格柵提高道路的抗拉伸強(qiáng)度，見圖10。

圖10　處置措施

5　結(jié)論

1）基坑開挖深度越大對(duì)路面結(jié)構(gòu)各層產(chǎn)生的應(yīng)力越大，容易引起路面結(jié)構(gòu)中薄弱部位的應(yīng)力集中，繼而產(chǎn)生裂縫。

2）基坑距離路面越遠(yuǎn)，對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力越小，從而對(duì)路面產(chǎn)生裂縫的可能性越小。

3）不同路基強(qiáng)度對(duì)基坑適應(yīng)性不同，路基強(qiáng)度越大抗變形能力越強(qiáng)，從而抵抗裂縫能力越強(qiáng)。

4）本文的研究暫未考慮地下水變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響。

［1］蒲繼光.瀝青混凝土路面裂縫產(chǎn)生原因及防治措施［J］.2009，（4）：579.

［2］李明華，劉智華.瀝青路面裂縫的原因及處理措施［J］.2008，（23）：220.

U416.2

C

1008-3197（2016）04-68-03

2016-05-06

馬春亭/男，1964年出生，高級(jí)工程師，上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究院天津分院，從事道路設(shè)計(jì)工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.04.027