自調(diào)式防沉降檢查井蓋有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

顧 吟，繆 琪，黃書敏，應(yīng)新兵

（1.杭州市市政設(shè)施發(fā)展中心，浙江 杭州310003；2.杭州市路橋集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州310000；3.杭州市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州310001；4.浙江朗洲環(huán)保科技有限公司，浙江 杭州310000）

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化程度的提高，城市基礎(chǔ)設(shè)施日益完善，隨路管線逐漸增加，城市道路中所設(shè)的各類檢查井也隨之增多。近年來，檢查井井蓋井圈破損、周邊道路沉陷、跳車等一系列問題日益突出。隨著城市長(zhǎng)效管理工作要求的提高，井蓋問題已成為城市管理的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。現(xiàn)擬針對(duì)自調(diào)式防沉降井蓋進(jìn)行數(shù)值模擬和優(yōu)化分析，以期獲得合理的結(jié)構(gòu)形式，以及設(shè)計(jì)參數(shù)[1-7]。

1 基本概況

自調(diào)式防沉降檢查井蓋（見圖1）通過擴(kuò)大井蓋底座的受力面積，減少檢查井墻體立面的受力，使檢查井底座與道路基層、蓋框與道路面層形成整體，通過自身調(diào)節(jié)作用，使其與路面保持在同一水平面上，改變因檢查井不均勻沉降而引起檢查井蓋框同步下沉的狀況。

2 有限元模型建立

2.1 建模及相關(guān)參數(shù)

為了便于有限元分析，對(duì)路面體系作如下的基本假設(shè)：（1）各層皆由均質(zhì)，各向同性的彈性材料組成；（2）土基在水平方向和深度方向均為無(wú)限，其上各層的厚度均為有限，但水平方向仍為無(wú)限；（3）瀝青面層表面自由，在井蓋和瀝青面層表面其上作用圓形均布垂直荷載；（4）層間接觸面完全連續(xù)；（5）不計(jì)路面結(jié)構(gòu)自重的影響。各種材料具有不同的材料屬性，根據(jù)實(shí)際情況取不同的彈性模量和泊松比。各種材料的參數(shù)取值見表1、表2所列。

2.2 邊界條件及荷載

對(duì)檢查井進(jìn)行靜力分析。靜力荷載采用城-A級(jí)車輛荷載，采用最大輪重100 kN分析。按規(guī)范[1]規(guī)定，100 kN荷載的作用面積為0.6 m×0.25 m=0.15m2，單位面積荷載為666.7 kPa。以上為正常荷載工況。

然而在現(xiàn)實(shí)生活中，超載已是很普遍的現(xiàn)象，考慮超載時(shí)的最大輪重為150 kN，作用面積為0.6m×0.25m=0.15m2，單位面積荷載為1 000 kPa。以上為超載工況。

表2 土層材料模型參數(shù)表

3 瀝青混凝土墊層對(duì)自調(diào)式井蓋結(jié)構(gòu)的影響分析

根據(jù)規(guī)范[2]，考慮自調(diào)式井蓋結(jié)構(gòu)井圈下部的瀝青混凝土墊層的材料變化，其參數(shù)如表3所列。

表3 瀝青墊層參數(shù)變化一覽表

圖2～圖4為各種標(biāo)號(hào)瀝青墊層中和瀝青墊層下路基土層附加應(yīng)力合力情況云圖。表4為瀝青墊層參數(shù)變化對(duì)附加應(yīng)力影響一覽表。

圖2 AC-25

圖3 AC-20

圖4 AC-13

表4 瀝青墊層參數(shù)變化對(duì)附加應(yīng)力影響一覽表

由計(jì)算結(jié)果（見表4）可以看出，瀝青材料的變化引起井筒上部附加應(yīng)力合力影響變化很小，從79.61 kN增大到80.16 kN，增加0.69%；材料變化引起瀝青混凝土墊層本身的附加豎向壓應(yīng)力增大，從3.687 MPa增加到4.185 MPa，增加13.5%；材料變化引起瀝青混凝土墊層下部路基土層附加應(yīng)力減小，從11.66 kPa減少到10.11 kPa，減少13.3%。綜上所述，瀝青混凝土墊層材料的改善在一定程度上可以減小下部路基土層的附加應(yīng)力，從而減少沉降的發(fā)生，但效果不明顯。

4 不同工況下自調(diào)式井蓋結(jié)構(gòu)的受力情況對(duì)比分析

假設(shè)交通荷載分別作用在井蓋中間及井蓋側(cè)邊，對(duì)比兩種工況下自調(diào)式井蓋結(jié)構(gòu)的受力情況（見圖5～圖7及表5）。

圖5 不同加載位置井筒附加應(yīng)力合力示意圖

圖6 不同加載位置井筒附加豎向應(yīng)力示意圖

圖7 不同加載位置瀝青墊層附加豎向應(yīng)力示意圖

表5 中心受力和偏心受力情況對(duì)比一覽表

由計(jì)算結(jié)果（見表5）可得，兩種情況下井筒上方附加應(yīng)力合力并沒有明顯變化，而這兩種情況會(huì)影響井筒頂部和瀝青墊層的附加應(yīng)力分布。其中，井筒頂部最大附加應(yīng)力明顯增大（為中心受力時(shí)的2.62倍），更容易造成檢查井與鄰近路面的沉降或局部破壞。

5 尺寸影響分析

見表6所列及圖8所示。

從圖8可以看出，瀝青墊層在偏心力作用下較大應(yīng)力側(cè)的平均應(yīng)力隨尺寸增大而減少，但隨著尺寸增大，下降幅度漸漸趨于平緩。如果安全系數(shù)取2.0，則井圈尺寸約10.7 cm；如果安全系數(shù)取2.5，則井圈尺寸約15.2 cm左右。

表6 不同井圈尺寸條件下瀝青平均應(yīng)力（偏心荷載較大應(yīng)力處）一覽表

圖8 偏心荷載下較大應(yīng)力側(cè)瀝青平均應(yīng)力曲線圖

6 優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過有限元分析計(jì)算，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等因素，采用井圈尺寸為15.0 cm，并對(duì)自調(diào)式檢查井蓋支承邊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其防沉降能力。其設(shè)計(jì)詳圖見圖9所示。

圖9 自調(diào)式檢查井井蓋防沉降優(yōu)化設(shè)計(jì)詳圖

7 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合杭州市城市道路加固改造工程實(shí)施，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)成果，制定發(fā)布《城市道路檢查井提升改造通用圖》和《防沉降檢查井提升改造施工工法》，組織開展城市道路檢查井防沉降提升改造工作，累計(jì)完成檢查井提升改造1.8萬(wàn)余座，提升了城市道路的平整度和美觀度，取得了良好的效果。