拓寬路基新老路面搭接仿真

樊金山， 吳瑞麟， 雷自強(qiáng)， 馬國(guó)棟,3

(1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056;3.長(zhǎng)沙梅溪湖實(shí)業(yè)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410205)

目前高速公路擴(kuò)建已成為我國(guó)公路工程建設(shè)中一個(gè)熱點(diǎn)，擴(kuò)建工程不可避免地會(huì)在新老路基產(chǎn)生不均勻沉降。在行車(chē)荷載作用下，拼接處出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得新老路面拼接處極易形成縱向裂縫[1～4]。為了更好地銜接新老路面,使新老路面在拼接處具有一定的整體強(qiáng)度,設(shè)置搭接臺(tái)階是一種簡(jiǎn)單有效的方法。若設(shè)置的臺(tái)階過(guò)小，則起不到預(yù)期的效果;而太大的臺(tái)階尺寸可能作用有限,卻增加了銑刨工作量和施工難度,同時(shí)增加了舊料的浪費(fèi)[5～8]。荷載與拼接縫相對(duì)位置不同，將對(duì)拼接道路的路面力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生較大的影響，因此有必要分析荷載不同位置下路面的受力情況，為尋求合理的拼接位置提供依據(jù)。本文通過(guò)建立平面有限元模型，對(duì)新老路面拼接搭接尺寸和荷載相對(duì)拼接縫不利荷載作用范圍進(jìn)行了定量分析，為道路拓寬中新老路面結(jié)構(gòu)拼接的設(shè)計(jì)及施工提供理論參考。

1 搭接尺寸分析

1.1 模型建立

在新老路面拼接過(guò)程中，為了保證新老路面的承載力和平整度，通常是在新老路面上新建加鋪層。參照文獻(xiàn)[9],取該加鋪層的厚度12 cm。為了分析方便，假設(shè)面層搭接時(shí)，基層作為一層，不考慮搭接臺(tái)階；基層搭接時(shí)，基層分為上、下基層兩層考慮，上基層考慮搭接臺(tái)階，面層視為一層不考慮搭接臺(tái)階，將標(biāo)準(zhǔn)軸載等效處理施加到模型上，見(jiàn)圖1。

圖1 面層和基層拼接

假設(shè)層與層之間應(yīng)力、位移連續(xù)，拼接面接觸良好。模型約束條件為前后、左右四面法向約束,底面全約束。有限元模型選用Solid45空間8節(jié)點(diǎn)單元，取各項(xiàng)指標(biāo)收斂時(shí)的尺寸。路面結(jié)構(gòu)材料為理想彈性材料，土體為彈塑性材料，利用ANSYS中Drucker-prager進(jìn)行模擬[10]。

1.2 參數(shù)選取

在進(jìn)行面層和基層拼接分析時(shí)，各結(jié)構(gòu)層參數(shù)選取參考JTG D50-2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中材料設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1和表2所示。

表1 面層搭接時(shí)路基路面結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

表2 基層搭接時(shí)路基路面結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 面層拼接計(jì)算結(jié)果

由于新老路面拼接處始終是路面結(jié)構(gòu)的薄弱處，該處的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致該處開(kāi)裂。取新老面層拼接縫到基準(zhǔn)線的搭接尺寸分別為0 cm、30 cm、60 cm、90 cm，分析新路面最大拉應(yīng)力(A點(diǎn))，老路面最大拉應(yīng)力(B點(diǎn))。在分析該處的剪應(yīng)力情況時(shí)，考慮拼接縫上加鋪層表面剪應(yīng)力、加鋪層內(nèi)最大剪應(yīng)力以及面層拼接縫最大剪應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 面層拉應(yīng)力和剪應(yīng)力變化

由圖2可知，隨著面層搭接尺寸的增大，新路面所受的最大拉應(yīng)力增大，老路面最大拉應(yīng)力有減少的趨勢(shì)。這說(shuō)明，隨著路面搭接尺寸增加，搭接的臺(tái)階使得新老路面拉應(yīng)力更加均勻。不設(shè)臺(tái)階的路面結(jié)構(gòu)在拼接縫位置產(chǎn)生較大的集中剪應(yīng)力，路面在此處可能較易破壞；路面搭接后，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了緩解，并隨搭接寬度增加，其應(yīng)力分布也越來(lái)越均勻，如圖3所示。

圖3 面層不設(shè)搭接和設(shè)60 cm搭接臺(tái)階剪應(yīng)力對(duì)比

由圖2曲線變化趨勢(shì)可知，對(duì)于拉應(yīng)力搭接尺寸至少取60 cm，對(duì)于剪應(yīng)力搭接尺寸至少取30 cm。當(dāng)搭接尺寸達(dá)到60 cm后，既能使新老路面拉應(yīng)力變得更均勻，又能使剪應(yīng)力大大減少，再增加其尺寸意義不大，因此推薦面層搭接尺寸為60 cm。

2.2 基層拼接計(jì)算結(jié)果

參照面層拼接處理方法，對(duì)基層拼接時(shí)路面結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析。與面層搭接分析不同的是，此處考慮的基層拼接縫最大剪應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如圖4，圖5所示。圖4、圖5和圖2、圖3具有相似的規(guī)律，說(shuō)明了基層設(shè)置搭接臺(tái)階能使新老路面受力均勻、能克服拼接處應(yīng)力集中的現(xiàn)象，也明了進(jìn)行路面基層搭接的必要性。當(dāng)搭接尺寸增加到一定程度后(30 cm)，改善路面結(jié)構(gòu)受力情況的意義已經(jīng)不大，過(guò)大的搭接寬度只會(huì)造成開(kāi)挖量的增加。因此推薦基層搭接尺寸為30 cm。

圖4 基層拉應(yīng)力和剪應(yīng)力變化

圖5 基層不設(shè)搭接和設(shè)30 cm搭接臺(tái)階剪應(yīng)力對(duì)比

綜合上述分析：路面面層拼接縫到拼接基準(zhǔn)線搭接尺寸推薦取60 cm，基層拼接縫到拼接基準(zhǔn)線搭接尺寸推薦取30 cm，即面層和基層各設(shè)置30 cm的相對(duì)搭接尺寸后(如圖6)，能有效地改善新老路面結(jié)構(gòu)受力情況。

圖6 面層和基層臺(tái)階設(shè)置

3 不利荷載作用范圍

荷載與拼接縫相對(duì)位置不同，將對(duì)拼接道路的路面力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生較大的影響。因此有必要分析荷載不同位置下路面的受力情況，為尋求合理的拼接位置提供依據(jù)。

分別取搭接尺寸0 cm、30 cm、60 cm、90 cm，建立有限元模型。將車(chē)輛荷載分別加載到上述模型上，其位置從拼接縫的一側(cè)(-1.5 m)變化到另一側(cè)(1.5 m)，得到不同位置對(duì)應(yīng)的加鋪層和拼接縫處的最大剪應(yīng)力，如圖7和圖8所示。

圖7 面層不同搭接尺寸下剪應(yīng)力隨荷載作用相對(duì)位置變化

圖8 基層不同搭接尺寸下剪應(yīng)力隨荷載作用相對(duì)位置變化

由圖7和圖8可知，當(dāng)荷載從拼接縫一側(cè)移動(dòng)至另一側(cè)，路面結(jié)構(gòu)所受剪應(yīng)力變化情況較大。當(dāng)荷載作用在拼接縫處出現(xiàn)剪應(yīng)力最大值，當(dāng)荷載向遠(yuǎn)離拼接縫移動(dòng)時(shí)，路面所受最大剪應(yīng)力迅速減少。特別是當(dāng)移動(dòng)的距離大于50 cm時(shí)，路面所受剪應(yīng)力較小且其值趨于穩(wěn)定?？傮w來(lái)說(shuō)，荷載作用于拼接縫左側(cè)時(shí)(老路面上)的應(yīng)力水平更大。基層搭接與路面面層搭接時(shí)有類似之處規(guī)律。因此可以確定，面層拼接和基層拼接處左右兩側(cè)50 cm范圍內(nèi)為拼接路面4個(gè)不利荷載作用范圍。在進(jìn)行拓寬道路路面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量避免將重車(chē)道輪跡帶布置在這些不利范圍。

4 結(jié)論

(1)隨著面層搭接尺寸的增大，新路面所受的最大拉應(yīng)力增大，老路面最大拉應(yīng)力有減少的趨勢(shì)，加鋪層和面層拼接處剪應(yīng)力比不設(shè)搭接時(shí)明顯減少，這說(shuō)明搭接臺(tái)階使得新老路面受力更加均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了緩解。基層搭接時(shí)也有類似的規(guī)律。

(2)當(dāng)面層拼接縫距離拼接基準(zhǔn)線達(dá)到60 cm、基層拼接縫距離拼接基準(zhǔn)線達(dá)到30 cm時(shí)，再增大該尺寸對(duì)克服拼接處拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的效果不明顯，再大的搭接臺(tái)階意味著銑刨量的增加。因此推薦基層搭接尺寸為30 cm，面層的搭接尺寸為30 cm。

(3)得出了面層拼接縫和基層拼接縫左右兩側(cè)50 cm范圍內(nèi)為拼接路面的不利荷載作用范圍，在進(jìn)行拓寬道路路面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量避免將重車(chē)道輪跡帶布置在這些不利范圍。

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