路基不均勻沉降對瀝青路面變形影響的研究

趙秀云 / 山東協和學院

路基不均勻沉降對瀝青路面變形影響的研究

趙秀云 / 山東協和學院

隨著國內公路建設的快速發展，對路基的要求日益增高。在舊路拓寬中，經常會因為施工、地形等因素導致路基出現不均勻的沉降。如果處理不當，會導致瀝青結構出現破壞。為此，本文對不均勻沉降對瀝青路面變形的影響進行了分析研究。

路基不均勻沉降；瀝青路面；受力變形

1.引言

路基的不均勻沉降會反應在路面的結構響應中。由于不均勻沉降在路面結構中引起的附加應力影響路面的長期使用性能，因此，控制不均勻沉降對于保證路面的設計壽命、改善路面的使用性能、控制路面的損壞以及減少路面的養護維修支出等都具有特別重要的意義[1-2]。基于路基不均勻沉降對路面結構的影響非常困難，而利用數值計算方法和軟件平臺模擬不均勻沉降條件下路面結構層的破壞效果顯著，其結論能夠有效指導路基的填筑及后期維護[3]。

2.數值分析模型的建立

本文采用大型有限元分析軟件ANSYS建立有限元模型，并進行結構分析。

2.1模型幾何尺寸

路面結構是一種多層體系，對于多層體系應力應變的分析通常假定路面結構各層厚度均為有限，水平方向為無限。采用有限元進行模擬分析時，并不需要取其無限大尺寸的結構，實際處理這類問題時，通常在保證計算精度的前提下，對結構取有限尺寸[4-5]。本文取得結構尺寸為：寬慰5.325m，路基及路面總厚度為3.65m。

2.2材料參數

在模擬計算過程中，涉及到了多種材料。其中，面層選用瀝青混凝土，基層選用石灰碎石，底基層選用砂礫石，路基為土。各層材料的參數指標詳見表1。（依據面層、土基1、土基2彈性模量不同計算了四種情況，第一種情況3450、55、27.5；第二種情況3450、55、55；第三種情況3450、27.5、27.5；第四種情況1500、55、27.5）

表1　路基路面結構各層材料特性及厚度取值表

2.3單元類型選擇

路面結構層均采用八節點實體單元。由于混凝土面層與基層、墊層之間接觸關系的模擬是數值仿真分析中的難點問題，本文采用經典的Cou-lomb摩擦模型模擬其接觸關系[6]。由于在長期車輛荷載作用下，面層與基層頂面變形協調，故在加載過程中接觸面兩側單元法向不允許分離。面層與基層間建立接觸面，采用接觸單元與目標單元建立接觸對。

2.4邊界條件和加載方式

計算中考慮路基不均勻變形引起的路面結構附加應力，故模型中約束斷面兩側沿線路走向的位移，計算中采用位移加載的模擬方法，即采用在路面結構層底面施加位移約束的方式施加荷載。對其兩側及底部完全約束，面層表面作為自由面，不進行任何約束。

3.數值模擬結果分析

經過模擬計算，給出了四種情況下結構中面層表面的豎向位移、面層底面、基層及底基層的應力和應變分布情況。

3.1位移

將四種情況下的路標彎沉值對比可以看出，第三種情況的路表彎沉值最大，比第二種情況大0.2479mm，可見路基強度的高低對路表彎沉的影響是很明顯的。雖然第一種情況下的面層材料的強度是第四種情況下的2.3倍，但第四種情況下的路表彎沉值只比第一種情況大0.2693mm，即是它的1.05倍；可見在面層強度滿足行車荷載作用情況下，提高面層材料的強度對路表彎沉的影響并不明顯。

3.2面層底面主應力及主應變

將四種情況下的面層底面主應力及主應變進行比較可見，第二、三種情況下的主應力只有第一、四種情況下的55％左右，可見路基土的均勻穩定對路面面層受力狀況影響極大，所以路基土的施工應該嚴格控制各個環節，保證材料的均一性是至關重要的。另外，雖然第三種情況下的路基土強度只有第二種情況下的50％，但它們面層的主應力相差不到10％，所以只要路基土強度滿足承載要求，材料是否具有均一性直接影響到路面路用狀況的好壞。

3.3基層底面、底基層底面主應力及主應變

當荷載傳遞到基層、底基層時，它們的應力應變值的大小順序依次為：第二種情況<第三種情況<第一種情況<第四種情況；第二種情況下底基層主應力值為0.134Mpa。只有第四種情況下的44.2％；雖然第三種情況下土基強度最低，但它的底基層主應力值也比第四種情況下小25.1％。可見，路基土的不均勻沉降明顯增大了基層、底基層的應力應變值。

4.結論

本文通過建立有限元數值模型，主要分析了不同面層、土基彈性模量下，路表彎沉、面層底面主應力及主應變、基層底基層底面主應力及主應變的變化情況。獲得了如下結論：

4.1路基土的強度對改善路表彎沉有很大的影響，而面層材料的強度對路表彎沉的影響并不顯著。

4.2路基土的均勻穩定對路面面層受力狀況影響極大，在強度滿足承載要求的條件下，材料是否具有均一性直接影響到路面路用狀況的好壞。

4.3路基土的不均勻沉降明顯增大了基層、底基層的應力應變值。

[1]錢家歡，殷宗澤.土工原理和計算[M].北京：中國水利電力出版社，1995.

[2]談至明，姚祖康.軟土地基不均勻沉降對鋪面結構影響的分析[J].巖土工程學報，1989.

[3]周煥云，黃曉明.高速公路軟土地基沉降預測方法綜述[J].交通運輸工程學報，2002.

[4]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社，2009.

[5]餌磊，于清楊.巖土工程數值法[M].長春：吉林大學出版社，2007.

[6]李運光.結構工程有限單元法[M].北京：中國建材工業出版社，2002.

校級科研項目：

路基不均勻支承條件下瀝青路面結構分析，項目編號：XHXY201514。

趙秀云（1986.3—），女，山東聊城人，講師，碩士研究生，從事道路與鐵道工程方向的研究。