路面結(jié)構(gòu)對填砂路基不均勻沉降變形的力學(xué)響應(yīng)*

嚴(yán)超群，錢勁松，楊 戈

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌712100；2.同濟(jì)大學(xué)，上海201804）

路面結(jié)構(gòu)對填砂路基不均勻沉降變形的力學(xué)響應(yīng)*

嚴(yán)超群1，錢勁松2，楊 戈2

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌712100；2.同濟(jì)大學(xué)，上海201804）

針對填砂路基產(chǎn)生不均勻沉降對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破環(huán)的情況，建立起能反映填砂路堤不均勻沉降對瀝青路面結(jié)構(gòu)影響的有限元分析模型，通過計算分析不均勻沉降量對瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響，研究不同路面結(jié)構(gòu)層次組合對填砂路堤不均勻沉降的適應(yīng)性。根據(jù)研究成果提出，實際工程應(yīng)采取有效措施控制填砂路堤的不均勻沉降，從而延長路面使用壽命；在保證路表彎沉、道路承載能力的前提下，可適當(dāng)選用模量較低的基層材料；隨著底基層厚度的增加，基層底面水平向附加拉應(yīng)力減小，故在實際施工中可適當(dāng)增大級配碎石底基層的厚度。關(guān)鍵詞：填砂路基；不均勻沉降；路面結(jié)構(gòu)；模量；應(yīng)力

建設(shè)在地勢較低、水系密集的沖積平原地區(qū)的公路工程，經(jīng)常會遇到缺乏傳統(tǒng)良好路基填料土源的問題。近年來在這些地方以江（河）砂作為路堤填料，就地取材的工程實例漸多，如石黃高速公路藁城段、京珠高速公路廣珠段、?？谑形鳝h(huán)線等工程［1－3］。砂路基不僅料源豐富、取料方便，而且可以疏浚河道、保護(hù)生態(tài)、節(jié)約耕地，減少道路修筑對當(dāng)?shù)刭Y源和環(huán)境產(chǎn)生的破壞，同時砂還具有水穩(wěn)性好，施工時受水和不利季節(jié)的影響小等特點［4－6］。越來越多的研究人員開始研究砂路基的各種性能。這些工程實例和相關(guān)研究表明，砂路基作為路基填料是可行的。但應(yīng)采取各種各樣的措施，來削減砂路基過大的變形，尤其是產(chǎn)生的不均勻沉陷問題。因為不均勻沉陷將使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，并且不均勻沉降越大，結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力越大，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定值時，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力與輪載引起的荷載應(yīng)力疊加可能超過路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)破壞，這些破壞輕者需修復(fù)路面而帶來經(jīng)濟(jì)損失，重者產(chǎn)生交通事故造成人員傷亡，這也是公路引起的一種災(zāi)害。研究和分析路面結(jié)構(gòu)對填砂路基不均勻沉降變形的力學(xué)響應(yīng)，明確典型瀝青路面結(jié)構(gòu)對填砂路基不均勻沉降的承受能力，不僅能獲得適宜的填砂路基的路面結(jié)構(gòu)層形式，也可以做為選擇填砂路基處治措施的技術(shù)依據(jù)，減少災(zāi)害的發(fā)生。

1 分析計算模型

1.1 路面結(jié)構(gòu)層模型

根據(jù)已有填砂路基工程實際情況和經(jīng)驗，假定采用瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層模型，上面層采用AK－13A級配（使用SBS改性瀝青I－D），中面層采用AC－20I級配（SBS改性瀝青I－D），下面層采用AC－25I級配（AH－70），面層之間需設(shè)置粘層，下面層與基層之間設(shè)置0.5 cm下封層和透層（乳化改性瀝青），面層石料與瀝青的粘附性小于5級需摻入消石灰、水泥等抗剝落劑；上下基層采用水穩(wěn)碎石、砂礫，其比例分別為60%、40%，上下基層7 d抗壓強(qiáng)度不小于4 MPa，級配碎石底基層采用滿鋪路基的方式。表1中列出了典型路面結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)，所列的材料參數(shù)主要參考了《公路設(shè)計手冊——路面》［7］。

表1 典型路面結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

1.2 計算分析假定

為計算簡便，將上述路面結(jié)構(gòu)簡化為瀝青混凝土面層、水穩(wěn)碎石與砂礫基層、級配碎石底基層共三層，計算中采用如下假定：①路面各結(jié)構(gòu)層均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的線彈性材料，力學(xué)特性的表征用彈性模量E和泊松比μ；②路面各結(jié)構(gòu)層在垂直方向均是完全連續(xù)的，不均勻沉降隨使用時間緩慢增長，因而路面各結(jié)構(gòu)層層間不會出現(xiàn)脫空；③瀝青面層與基層、基層與底層、基層與底基層為連續(xù)接觸條件，考慮到底基層材料與路基之間變形的不同步，假定其層間為光滑接觸條件；④只考慮不均勻沉降引起的附加應(yīng)力，因為均勻的路基沉降對路面結(jié)構(gòu)的影響很?。虎莅雌矫鎽?yīng)變問題分析。

1.3 計算分析模型

分析已知地基沉降下的路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力是主要問題，采用平面有限元商業(yè)軟件SIGMA／W進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分析。計算分析模型如圖1所示，取1／2結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，坐標(biāo)原點在模型左下角，即道路的中心線處。模型邊界條件為底基層底面豎直方向直接施加不均勻沉降變形，左側(cè)為路堤中心對稱線，水平方向約束，其它各邊自由。在實際計算分析時，因路面厚度相對于路基來說不大，且路面的寬度遠(yuǎn)大于厚度，故不考慮路堤邊坡的斜坡面，而將其視為一豎直自由邊坡的坡面，這樣的處理將方便建模，且對計算結(jié)果的影響也不大［8］。

圖1 計算分析模型

相關(guān)分析已初步表明，在路基的橫斷面方向，路基的不均勻沉降使路基中心沉降量較大，兩側(cè)沉降量較小，這樣不妨將路基頂面的不均勻沉降變形簡化為一條余弦曲線，路基中心線處路基頂面的不均勻沉降最大，路基邊緣處路堤頂面的不均勻沉降為零，表達(dá)式為［9］：

式中：x為單元格距離道路中心線的距離；y為不同位置的差異沉降量；L為半幅路基寬度，取16.75 m，坐標(biāo)原點位于道路的中心線處。

2 主要計算成果及討論

2.1 不均勻沉降量對路面結(jié)構(gòu)的影響

經(jīng)過計算分析，路面三個結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力隨不均勻沉降量而變化的關(guān)系，繪制在圖2中。由圖2中關(guān)系可見，隨著不均勻沉降量的增大，面層、基層與底基層底面附加拉應(yīng)力均近線性增大，面層底面、基層底面附加拉應(yīng)力受不均勻沉降的影響程度要大于底基層底面?？紤]到面層瀝青混凝土具有較好的柔性，可允許較大的變形，不致于造成路面結(jié)構(gòu)的破壞，而基層、底基層材料的抗拉強(qiáng)度較低，所以填砂路堤的不均勻沉降限值應(yīng)主要由（底）基層材料的強(qiáng)度控制?？紤]到車輛荷載作用下，荷載應(yīng)力與不均勻沉降引起的附加應(yīng)力相互疊加，將可能超過半剛性（底）基層材料的抗拉強(qiáng)度，因此，受不均勻沉降作用，填砂路堤瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)將可能首先在（底）基層底面開裂，先使路面整體強(qiáng)度降低，裂縫逐漸向面層擴(kuò)展、傳遞，最終形成貫穿整個路面厚度的裂縫，雨水可由裂縫進(jìn)入，裂縫加劇發(fā)展，從而導(dǎo)致路面損壞，使用壽命縮減。故必須在填砂路堤路面設(shè)計中，采取一定措施控制路堤的差異沉降以保證路面結(jié)構(gòu)正常工作［10］。

圖2 路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力隨不均勻沉降量變化

2.2 路面結(jié)構(gòu)對不均勻沉降的適應(yīng)性分析

圖2中的分析結(jié)果也說明，在表1所列的路面結(jié)構(gòu)層次組合條件下，基層底面附加拉應(yīng)力受不均勻沉降的影響要大于底基層，基層底產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力要大于底基層附加拉應(yīng)力，在不均勻沉降值較大的情況下表現(xiàn)得更明顯，故在體現(xiàn)填砂路堤不均勻沉降對瀝青路面結(jié)構(gòu)影響分析時，應(yīng)以基層底面附加拉應(yīng)力為控制指標(biāo)。為進(jìn)一步說明，下面將保持最大不均勻沉降量δ＝6 cm，然后分別調(diào)整路面各結(jié)構(gòu)層的模量、厚度，以基層底附加拉應(yīng)力為關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)，來進(jìn)一步觀察路面結(jié)構(gòu)層次組合對結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力的影響。

（1）基層底面水平向附加應(yīng)力隨結(jié)構(gòu)層模量變化情況。

圖3所示為基層底面附加應(yīng)力隨面層模量而變化的關(guān)系曲線?？梢?，隨著面層模量的增加，基層底面附加拉應(yīng)力增大。

圖4所示為基層底面附加應(yīng)力隨基層模量而變化的關(guān)系曲線?？梢?，隨著基層模量的增加，基層底面水平向附加拉應(yīng)力增大。

圖5所示為基層底面附加應(yīng)力隨底基層模量而變化的關(guān)系曲線?？梢?，隨著底基層模量的增加，基層底面水平向附加拉應(yīng)力增大。

圖3 基層底面附加應(yīng)力隨面層模量變化

圖4 基層底面附加應(yīng)力隨基層模量變化

圖5 基層底面附加應(yīng)力隨底基層模量變化

將三幅圖形繪制在同一坐標(biāo)軸內(nèi)，以觀察基層底面附加拉應(yīng)力受何結(jié)構(gòu)層模量的影響更大。具體見圖6，可見，基層模量對基層底面附加拉應(yīng)力的影響最大，其次為底基層模量，面層模量對基層底面附加拉應(yīng)力的影響最小。

（2）基層底面水平向附加應(yīng)力隨結(jié)構(gòu)層厚度變化的情況

圖7所示為基層底面附加應(yīng)力隨面層厚度而變化的關(guān)系曲線?？梢姡S著面層厚度的增加，基層底面水平向附加拉應(yīng)力近線性增大。

圖6 基層底面水平向附加應(yīng)力隨結(jié)構(gòu)層模量變化

圖7 基層底面附加應(yīng)力隨面層厚度變化

圖8所示為基層底面附加應(yīng)力隨基層厚度而變化的關(guān)系曲線。可見，隨著基層厚度的增加，基層底面水平向附加拉應(yīng)力相應(yīng)增大，在基層厚度小于40 cm前，增加趨勢較明顯，大于40 cm后，增加趨勢變得相對平緩。

圖8 基層底面附加應(yīng)力隨基層厚度變化

圖9所示為基層底面附加應(yīng)力隨底基層厚度而變化的關(guān)系曲線?？梢?，隨著底基層厚度的增加，基層底面水平向附加拉應(yīng)力減小，在底基層厚度較小時，減小的趨勢顯得更為明顯。

同樣，將三幅圖形繪制在同一坐標(biāo)軸內(nèi)，以觀察基層底面附加拉應(yīng)力受何結(jié)構(gòu)層厚度的影響更大。具體見圖10，底基層厚度對基層底面附加拉應(yīng)力的影響最大，其次為面層厚度，基層厚度對基層底面附加拉應(yīng)力的影響最小。

圖9 基層底面附加應(yīng)力隨底基層厚度變化

圖10 基層底面水平向附加應(yīng)力隨結(jié)構(gòu)層厚度變化

3 結(jié)論與建議

通過以上對有限元計算模型的分析，可獲得如下結(jié)論：

（1）填砂路堤的不均勻沉降將使得路面各結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，隨著不均勻沉降量的增大，面層、基層與底基層底面附加拉應(yīng)力均呈線性增大，面層底面、基層底面附加拉應(yīng)力受影響程度要大于底基層底面附加拉應(yīng)力。

（2）應(yīng)以基層底面附加拉應(yīng)力作為體現(xiàn)填砂路堤不均勻沉降對瀝青路面結(jié)構(gòu)影響分析時的控制指標(biāo)。

（3）基層模量對基層底面附加拉應(yīng)力的影響最大，其次為底基層模量，面層模量對基層底面附加拉應(yīng)力的影響最小。

（4）底基層厚度對基層底面附加拉應(yīng)力的影響最大，其次為面層厚度，基層厚度對基層底面附加拉應(yīng)力的影響最小。

基于以上分析，建議實際工程應(yīng)采取有效措施控制填砂路堤的不均勻沉降，以削減因路堤不均勻沉降而使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加不利力學(xué)響應(yīng)，從而延長路面使用壽命，如在砂路基頂面設(shè)置頂封層的做法。在保證路面承載能力的前提下，可適當(dāng)選用模量較低的基層材料，即采用柔性基層。因路面各結(jié)構(gòu)層在材料給定的情況下，其模量一般變化不大，而隨著底基層厚度的增加，基層底面水平向附加拉應(yīng)力減小，故在實際施工中可適當(dāng)增大底基層的厚度。為了減少公路的病害，要根據(jù)存在問題做相應(yīng)調(diào)整。

［1］ 張大偉.長江口細(xì)砂在高等級道路工程中的應(yīng)用［J］.城市道橋與防洪，2002，18（4）：33－37.

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［3］ 王大群，吳豪，王燕，等.高速公路填砂路基的設(shè)計與應(yīng)用［J］.交通科技，2011，26（1）：54－57.

［4］ 砂土填筑高速公路路基新技術(shù)［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2008，31（Supp 1）：223－225.

［5］ 黃琴龍，凌建明，錢勁松.新老路基工后差異變形對路面結(jié)構(gòu)的影響［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，49（6）：4－7.

［6］ 蔣鑫，邱延峻.半填半挖式路基差異沉降對瀝青路面結(jié)構(gòu)影響分析［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2006，49（4）：16－19.

［7］ 姚祖康.公路設(shè)計手冊——路面［M］.3版.北京：人民交通出版社，2006.

［8］ 黃仰賢.路面分析與設(shè)計［M］.北京：人民交通出版社，1998.

［9］ 中華人民共和國交通部.JTGD30－2004公路路基設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中華人民共和國交通部，2004.

［10］范云，汪英珍.細(xì)砂填料改良技術(shù)的試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2003，24（6）：965－968.

M echanical Response of Pavement Structure on Uneven Settlement Deformation of Sand-filled Subgrade

Yan Chaoqun1，Qian Jingsong2and Yang Ge2
（1．Yangling Vocational and Technical College，Yangling 712100，China；2．Tongji University，Shanghai201804，China）

According to the destruction of uneven settlement of sand-filled subgrade to pavement structure，a finite element analysismodel is set up，which can reflect the influence of uneven settlement of sand-filled subgrade on asphalt pavement structure.Through calculation and analysis on the influence of uneven settlement on asphalt pavement structure，adaptabilities of different pavement structure combinations to uneven settlement of sand-filled subgrade are studied.According to the research results，the actual engineering should take effective measures to control the uneven settlement of sand-filled subgrade to prolong the service life of the pavement.In the guarantee of the road surface deflection and road carrying capacity，a lowermodulus basematerial could be chosen.Along with the increase of base thickness，base layer of additional horizontal tensile stress decreases，the thickness of graded broken stone base can thus be increased in the actual construction.

sand-filling subgrade；uneven settlement；pavement structure；modulus；stress

U416.01；X43

A

1000－811X（2014）02－0016－04

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.02.004

嚴(yán)超群，錢勁松，楊戈.路面結(jié)構(gòu)對填砂路基不均勻沉降變形的力學(xué)響應(yīng)［J］.災(zāi)害學(xué)，2014，29（2）：16－19.［Yan Chaoqun，Qian Jingsong，Yang Ge.Mechanical Response of Pavement Structure on Uneven Settlement Deformation of Sand-filled Subgrade［J］.Journal of Catastrophology，2014，29（2）：16－19.］

2013－10－06

2013－12－10

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃課題（2012AA1122505）

嚴(yán)超群（1980－），女，陜西咸陽人，碩士，講師，主要從事道路橋梁工程技術(shù)設(shè)計、施工、災(zāi)害等研究工作. E-mail：20596680＠qq.com