行車荷載作用下含埋地管道瀝青路面結(jié)構(gòu)受力狀況分析

許海亮，覃吉寧，任合歡，何 煉

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144)

城市道路除了是交通出行的主要載體，也是城市市政管線布設(shè)的主要通道，包括給排水管道、燃氣管道等。道路路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)必然會受到埋地管道(特別是淺埋管道)影響。大量工程表明，埋地管道的設(shè)置不當(dāng)會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)過早出現(xiàn)破壞，路面結(jié)構(gòu)使用年限減短。現(xiàn)行規(guī)范中，道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中未考慮路面結(jié)構(gòu)受埋地管道的不利影響，缺少含埋地管道路面結(jié)構(gòu)的控制指標(biāo)，因此開展行車荷載對含埋地管道瀝青路面結(jié)構(gòu)受力分析具有一定的理論和應(yīng)用價值。

作為研究熱點，相關(guān)學(xué)者對其進行了大量研究，現(xiàn)有研究成果主要集中在車輛荷載作用下管道的受力狀態(tài)：如張土喬、王直民、楊俊濤等對埋地管道受交通荷載作用下的力學(xué)性狀進行了研究[1-2]。金賢玉、杜健對交通荷載作用下井的沉降進行了數(shù)值模擬和試驗研究[3]。BAJCAR對交通振動荷載對天然氣輸送管道的影響進行了研究[4]。OZDEMIR采用數(shù)值計算方法研究了路面破碎作業(yè)對埋地管道產(chǎn)生的振動效應(yīng)[5]。李新亮等對交通荷載作用下的埋地管道進行了應(yīng)力分析和現(xiàn)場測試試驗[6]。劉嘯奔等對斷層作用下埋地管道應(yīng)變分析方法研究進展進行了分析[7]。從路面不平整度方面對車路耦合作用也開展了相關(guān)研究[8-9]，但有關(guān)路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)研究成果相對較少。

本文綜合考慮上述研究成果，利用有限元數(shù)值模擬軟件，建立含埋地管道瀝青道路結(jié)構(gòu)模型，研究雙圓輪荷載作用下，管道埋深對道路各結(jié)構(gòu)層的力學(xué)影響，為研究含埋地管道瀝青路面結(jié)構(gòu)的破壞機理做準(zhǔn)備，為市政道路管道上方路面設(shè)計和施工提供了理論參考。

1 結(jié)構(gòu)模型的建立

1.1 荷載參數(shù)設(shè)置

行車輪胎與路面之間的接觸面積、接觸形狀和接觸壓強都比較復(fù)雜，因此在模擬計算過程中采用《城市道路路面設(shè)計規(guī)范》(CJJ 169—2012)規(guī)定的雙圓輪荷載模型，計算荷載標(biāo)準(zhǔn)采用軸載BZZ-100。設(shè)計參數(shù)如下：標(biāo)準(zhǔn)軸載為100 kN，輪胎接地壓強為0.70 MPa；單輪傳壓面當(dāng)量直徑d為21.30 cm；兩輪中心距1.5d為31.95 cm。

1.2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)已有經(jīng)驗[10-11]，路面結(jié)構(gòu)計算模型選用尺寸6 m(長)×6 m(寬)×3.06 m(高)能夠滿足計算要求。邊界條件設(shè)置為：頂面為自由面、其它面為全固結(jié)。采用八節(jié)點Solid185等參單元，對模型進行網(wǎng)格劃分，同時對雙輪荷載作用集中區(qū)域2 m(長)×2 m(寬)×0.56 m(高)進行加密網(wǎng)格劃分。預(yù)埋混凝土管道參數(shù)為：內(nèi)徑0.30 m，外徑0.37 m，壁厚3.5 m，長度6 m。采用PIPE288單元進行網(wǎng)格劃分，其有限元計算模型如圖1所示。

圖1 道路結(jié)構(gòu)有限元計算模型圖

1.3 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)和分析面設(shè)置

路面結(jié)構(gòu)包含瀝青面層(上、中、下三層)、水泥穩(wěn)定碎石層(上、下兩層)和路基層，各層參數(shù)設(shè)置如表1所示。管道埋設(shè)于X=3 m中線的正下方，分別計算4種不同工況，管道位置如表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

表2 各工況管道位置

計算過程中將道路結(jié)構(gòu)層視為彈性層狀體，結(jié)構(gòu)層間接觸狀態(tài)假定為完全連續(xù)。同時根據(jù)模型的對稱關(guān)系計算過程中選取1/2模型展開分析，如圖2所示。

圖2 道路結(jié)構(gòu)(1/2)分析模型

2 行車荷載對路面結(jié)構(gòu)位移影響分析

2.1 對路表彎沉值的影響分析

路表彎沉值是道路結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵性評價指標(biāo)，是荷載對路表作用前后路表發(fā)生變形的大小。分析中，路表雙圓輪荷載圓心區(qū)域出現(xiàn)了最大的彎沉值。4種工況下，路表彎沉曲線如圖3所示，其最大彎沉值如表3所示。

圖3 路表彎沉值曲線圖

表3 路表最大彎沉值

由圖3和表3可知管道的埋設(shè)對路表彎沉值有影響，管道埋設(shè)深度越淺，路表彎沉值越小。以計算的4種工況為例，無管道埋設(shè)工況下路表最大彎沉值為0.45 mm，淺埋管道工況下路表最大彎沉值為0.34 mm，相差0.11 mm，減小幅值達到了24.4%。同樣，與無管道埋設(shè)工況相比，中埋管道、深埋管道工況下路表彎沉值均有減少。

2.2 對路面結(jié)構(gòu)各層的豎向位移影響分析

由路面結(jié)構(gòu)各層層底豎向位移圖(圖4、圖5)可知，管道的埋設(shè)減小了各層豎向位移值，管道埋設(shè)深度越淺，層底豎向位移越小。不同工況下路面結(jié)構(gòu)各層層底豎向位移對比結(jié)果如表4所示。以瀝青中面層為例，在無管道埋設(shè)時，層底最大豎向位移為0.40 mm；在淺埋管道工況下，層底最大豎向位移為0.29 mm，相比無管道埋設(shè)工況減小了27.5%，其他各結(jié)構(gòu)層層底豎向位移情況均表現(xiàn)出相近的變化規(guī)律。

混凝土管道的彈性模量遠大于瀝青層和水穩(wěn)層材料的彈性模量，混凝土管道的材料密度也是最大的，因此埋設(shè)管道改變了附近區(qū)域的彈性模量，增加了整體強度。導(dǎo)致隨著管道埋深的減少，彎沉值減少，結(jié)構(gòu)各層層底最大豎向位移越小。

圖4 瀝青上面層層底豎向位移圖

圖5 瀝青下面層層底豎向位移圖

表4 各層層底最大豎向位移

3 行車荷載對路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響分析

3.1 行車荷載對豎向應(yīng)力的影響分析

各工況下管道埋設(shè)對路面結(jié)構(gòu)各層層底豎向應(yīng)力影響如圖6、圖7所示，各層中心點豎向應(yīng)力變化如表5所示。

圖6 瀝青中面層層底豎向應(yīng)力圖

管道的埋設(shè)改變了豎向應(yīng)力的分布情況，增大了路面結(jié)構(gòu)各層層底的豎向應(yīng)力。從表5可知，淺埋管道對瀝青下面層豎向應(yīng)力影響最大，增大幅值為31.80%；中埋管道對水穩(wěn)下基層豎向應(yīng)力影響最大，幅值為699.08%；深埋管道對水穩(wěn)下基層豎向應(yīng)力影響最大，幅值為218.35%。

3.2 行車荷載對水平應(yīng)力的影響分析

圖8、圖9為各工況埋設(shè)管道對瀝青中面層層底和水穩(wěn)上基層層底的水平應(yīng)力影響示意圖。從圖中可知，瀝青中面層主要受水平壓應(yīng)力，水穩(wěn)上基層主要受水平拉應(yīng)力。管道埋設(shè)在一定程度上會減小各層水平應(yīng)力。對4種工況下各結(jié)構(gòu)層中心點處的水平應(yīng)力值進行統(tǒng)計，如表6所示。由表可知，管道埋設(shè)后路面結(jié)構(gòu)各層的水平應(yīng)力均有減小，其幅值為8.20%～46.25%。

圖7 水穩(wěn)上基層層底豎向應(yīng)力圖

由于管道的材料強度較大，埋設(shè)管道對路面結(jié)構(gòu)起到了一定的支撐作用。觀察管道埋設(shè)前后路面結(jié)構(gòu)各層的豎直、水平應(yīng)力變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，與無管道情況對比，管道埋設(shè)增大了路面結(jié)構(gòu)各層層底的豎向應(yīng)力，減小了橫向應(yīng)力的數(shù)值，且管道埋深越淺，橫向應(yīng)力減小的幅度值越大。

4 結(jié)論

本文利用有限元數(shù)值模擬軟件計算在行車荷載作用下，無管道和含淺、中、深埋管道路面結(jié)構(gòu)的豎向、水平位移，豎向、水平應(yīng)力和彎沉值，經(jīng)對比分析得出以下結(jié)論：

表5 各層中心點豎向應(yīng)力變化

圖8 瀝青中面層層底拉應(yīng)力圖

圖9 水穩(wěn)上基層層底拉應(yīng)力圖

表6 各層中心點水平應(yīng)力變化

(1)與無管道工況相比，埋地管道使得路面結(jié)構(gòu)各層的彎沉值減小、豎向應(yīng)力增大、水平應(yīng)力減小；存在埋地管道時，淺埋管道對路面結(jié)構(gòu)受力影響最大。

(2)埋地管道對道路路面結(jié)構(gòu)各層層底的豎向位移有較大影響，各層豎向位移隨管道埋設(shè)的深度減小而減小，其變化幅值為14.0%～30.8%。

由于管道材料強度高于路面材料，增大了管道埋設(shè)區(qū)域的彈性模量，使得路面結(jié)構(gòu)強度均勻性發(fā)生改變，并對路面結(jié)構(gòu)起到了一定的支撐作用，導(dǎo)致其力學(xué)響應(yīng)存在差異，最終使得路面結(jié)構(gòu)各層豎向位移減小、豎向應(yīng)力增大、水平應(yīng)力減小。