挖掘修復(fù)道路力學(xué)響應(yīng)與設(shè)計方法

昝世輝

(中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，山西太原030024)

0 引言

開挖道路前路面結(jié)構(gòu)以連續(xù)的整體作用抵抗外荷載，由此我國瀝青混凝土路面設(shè)計中以彈性多層體系為理論基礎(chǔ)［1］，把各層在水平方向上視為無限延伸的整體，其簡化后的受力模式見圖1所示。但是路面一經(jīng)開挖鋪設(shè)管道之后，對既有路面結(jié)構(gòu)形成擾動，破壞了原有結(jié)構(gòu)的整體性，因此，不能簡單地將修復(fù)區(qū)域路面與非開挖區(qū)域路面視為一個連續(xù)整體。修復(fù)區(qū)域應(yīng)是具有一定寬度的條形體，并與非開挖區(qū)域之間存在2個豎向接觸面。尤其當(dāng)車輛荷載作用在修復(fù)區(qū)域及其附近時，更不應(yīng)忽視接觸面問題，圖2為開挖后的受力模式。

圖1 開挖前道路受力模式

圖2 開挖后道路受力模式

開挖后受力模式發(fā)生了變化(水平方向存在界面)，而已有模型無法考慮水平方向的邊界條件，以致對結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力計算存在缺陷。為此，需重新建立起開挖后的道路計算模型和相應(yīng)的設(shè)計方法。

1 挖掘修復(fù)道路力學(xué)響應(yīng)

由新受力模式可知，開挖后道路不僅涉及到開挖與非開挖區(qū)域的邊界問題，而且在不同開挖條件下構(gòu)成路表變形和結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算相當(dāng)復(fù)雜。這些因素很難通過純理論解來考慮［2］，而有限元可以考慮復(fù)雜的邊界條件和模擬材料的非線性，為最終計算路表變形和結(jié)構(gòu)應(yīng)力提供合理的依據(jù)。故在道路挖掘修復(fù)的分析中采用有限元法。

1.1 分析模型

為簡化計算，作如下假定:①面層、基層和路基均為彈性材料，以彈性模量E和泊松比μ表征其力學(xué)特性;②各結(jié)構(gòu)層層間完全連續(xù);③行車荷載的影響深度取2.5～6.0 m;④開挖與非開挖區(qū)域各結(jié)構(gòu)層的接觸面在法向完全連續(xù)，不考慮接觸面的穿刺問題，而僅考慮切向的摩擦和滑移［3-5］(以縱向開挖為例，如圖3所示);⑤邊界條件，兩個橫斷面(垂直行車方向)施加垂直方向約束，兩個縱斷面(平行行車方向)施加三個方向約束，路基底面施加豎向約束。

以某次干道縱向開挖為例，開挖位置如圖4所示，其中路幅寬度為13 m，開挖寬度為1.3 m，開挖深度為2.6 m，沿行車方向取6 m。荷載作用位置按不利情況布設(shè)，經(jīng)過有限元分析，最不利荷載位于修復(fù)區(qū)域中間(圖4)，大小取標(biāo)準(zhǔn)荷載0.7 MPa。開挖路面采用原結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)，各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)取值見表1。修復(fù)區(qū)域與非開挖區(qū)域接觸面間的摩擦系數(shù)按表2取值。

圖3 各結(jié)構(gòu)層接觸面考慮

圖4 縱向開挖區(qū)域和荷載作用位置(單位:m)

表1 開挖前后各結(jié)構(gòu)層參數(shù)

表2 各接觸面摩擦系數(shù)取值

采用通用有限元軟件ANSYS中的solid95單元對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.2 結(jié)果分析

開挖后道路在行車荷載作用下的路表變形如圖5所示?？梢?，開挖后荷載作用下道路橫向方向出現(xiàn)明顯的變形不連續(xù)性。圖6為沿輪載中心線(最不利情況下)的道路橫斷面路表變形曲線，由此表明:①溝槽經(jīng)原結(jié)構(gòu)修復(fù)后，修復(fù)區(qū)域的最大變形量將比開挖前增大1.5倍;②修復(fù)區(qū)域與非開挖區(qū)域的最大變形量比為1.5(與現(xiàn)場實(shí)測的彎沉比1.5～8相吻合)，且存在明顯的不協(xié)調(diào)變形;③在兩個豎向接觸面位置，路表變形發(fā)生了突變。尤其是在左側(cè)接觸面位置，由于荷載無法很好地向左連續(xù)傳遞，致使左側(cè)未開挖路面的豎向變形很小;相對而言，因荷載橫跨右側(cè)接觸面，故右側(cè)接觸面位置的變形突變量小得多，但同樣因荷載無法很好地連續(xù)傳遞而形成該接觸面兩側(cè)較大的變形差異。

開挖前的基層層底最大拉應(yīng)力為0.156 MPa，而開挖后修復(fù)區(qū)域基層層底拉應(yīng)力達(dá)到0.229 MPa，比開挖前增大了1.5倍。開挖前路基頂面最大壓應(yīng)變?yōu)?.30，而開挖后路基頂面的最大壓應(yīng)變達(dá)到0.54，將近開挖前的2倍，表明修復(fù)區(qū)域路表變形主要源于路基的壓縮變形。

2 道路挖掘修復(fù)的設(shè)計狀態(tài)和設(shè)計指標(biāo)

圖5 開挖后荷載作用下的路表變形

圖6 開挖前后路表變形曲線的變化

由上述算例分析可知，掘路修復(fù)后，行車荷載作用下的路表變形與結(jié)構(gòu)內(nèi)力均發(fā)生了變化。其中開挖后的路表變形比開挖前增大了1.5倍，且與非開挖區(qū)域之間構(gòu)成不協(xié)調(diào)變形;而開挖后的基層層底彎拉應(yīng)力雖未達(dá)到材料極限破壞值，但不同開挖條件下的基層層底彎拉應(yīng)力增大了50%。并且隨著溝槽路基產(chǎn)生塑性壓縮變形，修復(fù)區(qū)域行車荷載作用下的路表變形增大，以致引發(fā)道路結(jié)構(gòu)的剪切破壞和彎拉開裂。因此，掘路修復(fù)設(shè)計方法應(yīng)當(dāng)基于開挖后修復(fù)區(qū)域路表變形的控制。

2.1 道路挖掘的損壞模式與修復(fù)設(shè)計狀態(tài)

掘路修復(fù)設(shè)計的極限狀態(tài)取決于掘路修復(fù)的損壞模式，現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)值分析均表明，掘路特有的結(jié)構(gòu)性損壞模式主要包括開挖與非開挖區(qū)域沿接觸面剪切開裂、結(jié)合部路面彎拉開裂、修復(fù)區(qū)域道路基層開裂等三種。

圖7為挖與非開挖區(qū)域沿接觸面剪切開裂模式，其形成機(jī)理通常與各種原因引起的開挖與非開挖區(qū)域接觸面滑移有關(guān)。與這類損壞模式相對應(yīng)的設(shè)計狀態(tài)為:接觸面上的剪應(yīng)力＞接觸面抗剪強(qiáng)度。

圖7 沿開挖與非開挖區(qū)域接觸面剪切開裂模式

圖8為開挖與非開挖區(qū)域結(jié)合部面層頂面彎拉開裂模式，其形成機(jī)理為修復(fù)區(qū)域道路發(fā)生沉降，導(dǎo)致在開挖與非開挖區(qū)域結(jié)合部的面層頂面產(chǎn)生附加彎拉應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力超過面層彎拉強(qiáng)度時，即造成結(jié)合部面層頂面的拉裂。與這類損壞模式相對應(yīng)的設(shè)計狀態(tài):修復(fù)區(qū)域沉降引起的結(jié)合部面層頂面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力＞接觸位置面層彎拉強(qiáng)度

圖9為修復(fù)區(qū)域基層層底彎拉開裂模式，其形成機(jī)理為修復(fù)區(qū)域道路發(fā)生沉降，導(dǎo)致修復(fù)區(qū)域道路結(jié)構(gòu)的基層產(chǎn)生附加彎拉應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力超過基層彎拉強(qiáng)度時，即造成修復(fù)區(qū)域基層層底的拉裂。與這類損壞模式相對應(yīng)的設(shè)計狀態(tài):修復(fù)區(qū)域沉降引起的修復(fù)區(qū)域基層層底結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力＞修復(fù)區(qū)域基層彎拉強(qiáng)度

2.2 道路挖掘修復(fù)的設(shè)計指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)

如前所述，掘路修復(fù)后路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力均是由修復(fù)區(qū)域道路過大的變形而導(dǎo)致不協(xié)調(diào)變形引起的，而表征這種變形的指標(biāo)是修復(fù)區(qū)域的彎沉值(或者與非開挖區(qū)域的彎沉比)。因而控制了修復(fù)區(qū)域路表彎沉即控制了路面結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力，故可以選擇“修復(fù)區(qū)域路表彎沉”作為道路挖掘設(shè)計指標(biāo)。

由損壞模式和損壞機(jī)理可知，以結(jié)合部面層頂面彎拉開裂或修復(fù)區(qū)域基層層底彎拉開裂為控制狀態(tài)時，均與修復(fù)區(qū)域的變形有密切關(guān)系，而控制修復(fù)區(qū)域變形則以修復(fù)后路表彎沉為表征。因此，道路開挖修復(fù)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為lr≤l0或lr/l0≤1，其中，lr為開挖區(qū)域修復(fù)后路表彎沉值;l0為開挖前路表彎沉值。

圖8 開挖與非開挖區(qū)域結(jié)合部面層頂面彎拉開裂模式

圖9 修復(fù)區(qū)域基層層底彎拉開裂模式

2.3 道路挖掘修復(fù)設(shè)計方法

設(shè)計流程如圖10所示。設(shè)計步驟為:

(1)舊路路況調(diào)查。包括道路等級、交通量、舊路結(jié)構(gòu)層材料和厚度。

(2)開挖前測定路表彎沉，結(jié)合調(diào)研資料反算各結(jié)構(gòu)和路基模量值。

(3)依據(jù)溝槽開挖特點(diǎn)，如開挖位置、寬度和管道埋設(shè)深度等，從而選定溝槽路基修復(fù)材料(模量)和路面修復(fù)結(jié)構(gòu)。

(4)運(yùn)用有限元方法進(jìn)行路表變形分析，確保修復(fù)區(qū)域路表變形控制在容許范圍內(nèi)。如果路表變形不滿足設(shè)計要求，則重新調(diào)整修復(fù)路面結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

圖10 設(shè)計流程圖

(1)修道路路表變形比開挖前增大1.5倍，基底彎拉應(yīng)力增大50%。

(2)掘路特有的結(jié)構(gòu)性損壞模式主要包括開挖與非開挖區(qū)域沿接觸面剪切開裂、結(jié)合部路面彎拉開裂、修復(fù)區(qū)域道路基層開裂三種。

(3)以“修復(fù)區(qū)域路表彎沉”作為道路挖掘設(shè)計指標(biāo)，要求修復(fù)區(qū)域路表彎沉值不大于非開挖區(qū)域路表彎沉值。

(4)為挖掘修復(fù)道路設(shè)計提供了設(shè)計流程與設(shè)計步驟。

［1］姚祖康.道路路基和路面工程［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1994.

［2］王碩，劉占輝.非飽和重塑黃土抗剪強(qiáng)度影響因素的試驗研究［J］.石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010(3):86-88.

［3］葉先磊，史亞杰.ANSYS工程分析軟件應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［4］王勖成.有限元單元法［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［5］Duan Shaowei，Shen Pusheng.Crack analysis of concrete road with excavation of deep foundation pit［J］.Gongcheng Lixue/Engineering Mechanics，2004，21(3):40-43.