車輛荷載對海塘堤頂路面及防滲墻影響三維分析

王斌

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430056）

車輛荷載對海塘堤頂路面及防滲墻影響三維分析

王斌

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430056）

風電場建設期風機設備運輸過程中，堤頂行駛的重件運輸車輛可能會對堤頂路面結構和堤中防滲墻結構產生一定程度影響。以某風電場工程為例，對路面結構和防滲墻結構在有無車輛荷載作用下的情況進行了三維有限元分析，計算結果表明，加鋪瀝青混凝土路面能保證路面結構強度，且對防滲墻的應力控制有利。

三維有限元；海塘堤頂路面；車輛荷載；防滲墻；應力控制

0　引言

風電場建設所用道路一般利用場區現有道路，或將已有道路改建為臨時道路，道路等級往往較低。風機部件和塔筒均為重型構件，因此，在風電場建設期風機設備的運輸過程中，應考慮運輸要求對路面強度進行復核。尤其是建設在海塘圍堤附近的風電場，運輸道路往往就近選用堤頂道路，而堤頂行駛的重件運輸車輛可能會對堤頂路面結構和堤中防滲墻（大部分海堤未設防滲墻）結構產生一定程度的影響。為評價這一影響的程度，以某風電場工程為例，采用三維有限元分析軟件對其進行數值模擬分析，以期為工程設計提供參考依據。

1　計算條件

2.1計算模型和相關參數

海岸風電場利用海塘堤頂道路作為場內交通運輸道路，故選取典型海塘堤壩斷面建立三維模型，模型包括堤頂路面、堤身、堤基和防滲墻。計算采用線彈性模型，結構全部采用六面體單元模擬。為消除邊界約束的影響，計算范圍在堤壩橫斷面方向各外延10 m，沿堤縱向取標準車輛長度向兩端各外延15 m。計算實體模型和網格剖分如圖1、圖2所示。

堤壩結構層參數按照地勘報告給出的參數建議值取用。地基彈性模量近似取為壓縮模量（見表1）。

圖1計算實體模型

圖2　網格剖分模型

表1　地基土彈性模量

因地基土體已經固結完畢，故不考慮地基土體自重。防滲墻重度取為18.5 kN/m3。堤壩外水位按咸潮期設計高水位7.0 m取用，堤內無水，故以防滲墻為界，堤壩內側土體重度取為18 kN/m3，堤壩外側土體取浮容重8 kN/m3。堤頂路面重度均取為18 kN/m3。

1.2計算工況和模型加載

計算載荷涉及結構自重、水壓力以及堤頂車輛荷載。自重由程序自動計算，水壓力按面荷載作用加載于防滲墻上下游面側。車輛荷載按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)[1]的相關規定取用。車輛載荷技術指標見表2。

表2　車輛載荷主要技術參數

邊界條件取地基四周及堤壩兩側法向約束。

為分析運輸車輛對防滲墻、堤頂路面結構的影響，分以下兩類工況計算：

（1）泥結石路面：堤頂路面為200 mm厚石渣墊層和200 mm厚泥結石臨時路面，分別按無車輛荷載作用和有車輛荷載作用進行分析。

（2）瀝青混凝土路面：堤頂路面為200 mm厚石渣墊層、300 mm厚水泥碎石穩定層和80 mm厚瀝青混凝土路面。僅模擬有車輛荷載作用的情況[2-3]。

車輛荷載作用位置不同對防滲墻內力影響不同，通過試算發現，一側輪壓作用于防滲墻內側邊緣時防滲墻內力最大，故計算時按該模型選取，車輪間距1.8 m，輪壓作用點見圖3。

圖3　車輛荷載的輪壓作用點示意圖(單位:mm)

2　計算成果分析

2.1運輸車輛對堤頂路面影響評價

泥結石路面無車輛荷載作用時的應力計算結果見圖4和圖5。

圖4　無車輛荷載作用時結構整體圖（單位：Pa）

圖5　無車輛荷載作用時路面結構豎向正應力Sz（單位：Pa）

泥結石路面有車輛荷載作用時結構整體的豎向位移見圖6。

圖6　泥結石路面有車輛荷載時結構整體豎向位移Uz（單位：m）

泥結石路面有車輛荷載作用時的應力計算結果見圖7、圖8。

圖7　泥結石路面有車輛荷載時結構整體圖（單位：Pa）

圖8　泥結石路面有車輛荷載時結構整體豎向位移Uz（單位：m）

瀝青混凝土路面有車輛荷載作用時結構整體的豎向位移見圖9。

圖9　瀝青混凝土路面有車輛荷載時結構整體豎向位移Uz（單位：m）

瀝青混凝土路面有車輛荷載作用時的應力計算結果見圖10、圖11。

圖10　瀝青混凝土路面有車輛荷載時結構整體圖（單位：Pa）

圖11　瀝青混凝土路面有車輛荷載時結構整體豎向位移Uz（單位：m）

泥結石路面無車輛荷載作用時，堤頂路面壓應力最大值為65 kPa，路面最大拉應力18 kPa。泥結石路面增加車輛荷載后，整體豎向位移增加13 mm，堤頂路面壓應力最大為433 kPa，路面最大拉應力為106 kPa。瀝青混凝土路面增加車輛荷載后，整體豎向位移增加8 mm，堤頂路面壓應力最大為466 kPa，路面最大拉應力為120 kPa。有車輛荷載作用時，堤頂輪壓附近會產生應力集中，泥結石路面和瀝青混凝土路面對應的堤頂路面結構應力極值比較見表3。

由表3所列結果可知，車輛荷載對堤頂路面壓應力有一定影響。堤頂路面在輪壓區附近范圍內會出現拉應力，因泥結石材料不能承受拉應力，故臨時路面對應的堤頂路面結構可能會出現局部破壞。瀝青混凝土路面對應的堤頂路面結構的拉應力極值為120 kPa，該值小于瀝青路面材料的最大容許拉應力值600～1 000 kPa，因此可以認為瀝青混凝土路面結構是安全的。

表3　堤頂路面結構應力極值

3.2運輸車輛對防滲墻影響評價

泥結石路面無車輛荷載作用時防滲墻的位移和應力計算結果見圖12、圖13。

圖12　無車輛荷載作用時防滲墻水平向位移Ux（單位：m）

圖13　無車輛荷載作用時防滲墻圖（單位：Pa）

泥結石路面有車輛荷載作用時防滲墻的位移和應力計算結果見圖14、圖15。

圖14　泥結石路面有車輛荷載作用時防滲墻水平向位移Ux（單位：m）

圖15　泥結石路面有車輛荷載作用時防滲墻圖（單位：Pa）

瀝青混凝土路面有車輛荷載作用時防滲墻的位移和應力計算結果見圖16、圖17。

圖16　瀝青混凝土路面有車輛荷載作用時防滲墻水平向位移Ux（單位：m）

圖17　瀝青混凝土路面有車輛荷載作用時防滲墻圖（單位：Pa）

泥結石路面無車輛荷載作用時，防滲墻最大水平向位移為15 mm，豎向正壓應力為177 kPa。不出現拉應力。泥結石路面增加車輛荷載后，防滲墻的水平位移基本沒有變化，防滲墻水平和豎向正應力分別為82 kPa和260 kPa，豎向正應力較無車輛荷載時增大83 kPa。路面鋪設瀝青混凝土路面后，在車輛荷載作用下，防滲墻水平和豎向正應力為45 kPa和237 kPa，較泥結石路面有所減少。泥結石路面和瀝青混凝土路面兩種情況對應的防滲墻結構應力和位移極值的比較見表4。

表4　防滲墻結構應力和位移極值

由表4所列結果可知，運輸車輛會使防滲墻內壓應力有所增大，但該值小于墻體水泥土材料的最大容許壓應力1 000 kPa。瀝青混凝土路面結構層加厚對防滲墻的應力控制是有利的。

3　結　論

通過對車輛荷載作用下路面結構和防滲墻結構的三維模擬可知，對臨時路面進行適當的處理（加鋪瀝青混凝土）能保證運輸過程中路面結構層的強度，同時對防滲墻的應力控制也是有利的。采用這種處理方式，可以認為重型運輸車輛對海塘堤頂路面和防滲墻的影響是可控的。

[1]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[2]龔曙光,等.ANSYS基礎應用及范例解析[M].北京:機械工業出版社,2004.

[3]龔曙光,謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數化編程[M].北京:機械工業出版社,2004.

U416.01

A

1009-7716（2016）02-0020-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.006

2015-10-23

王斌（1982-），男，河北衡水人，高級工程師，工程師，主要從事道梁設計與科研工作。