車輛荷載對海塘堤頂路面及防滲墻影響三維分析

王斌

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430056）

車輛荷載對海塘堤頂路面及防滲墻影響三維分析

王斌

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430056）

風(fēng)電場建設(shè)期風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)輸過程中，堤頂行駛的重件運(yùn)輸車輛可能會對堤頂路面結(jié)構(gòu)和堤中防滲墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度影響。以某風(fēng)電場工程為例，對路面結(jié)構(gòu)和防滲墻結(jié)構(gòu)在有無車輛荷載作用下的情況進(jìn)行了三維有限元分析，計(jì)算結(jié)果表明，加鋪瀝青混凝土路面能保證路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且對防滲墻的應(yīng)力控制有利。

三維有限元；海塘堤頂路面；車輛荷載；防滲墻；應(yīng)力控制

0　引言

風(fēng)電場建設(shè)所用道路一般利用場區(qū)現(xiàn)有道路，或?qū)⒁延械缆犯慕榕R時道路，道路等級往往較低。風(fēng)機(jī)部件和塔筒均為重型構(gòu)件，因此，在風(fēng)電場建設(shè)期風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)輸過程中，應(yīng)考慮運(yùn)輸要求對路面強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核。尤其是建設(shè)在海塘圍堤附近的風(fēng)電場，運(yùn)輸?shù)缆吠徒x用堤頂?shù)缆?，而堤頂行駛的重件運(yùn)輸車輛可能會對堤頂路面結(jié)構(gòu)和堤中防滲墻（大部分海堤未設(shè)防滲墻）結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的影響。為評價這一影響的程度，以某風(fēng)電場工程為例，采用三維有限元分析軟件對其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以期為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1　計(jì)算條件

2.1計(jì)算模型和相關(guān)參數(shù)

海岸風(fēng)電場利用海塘堤頂?shù)缆纷鳛閳鰞?nèi)交通運(yùn)輸?shù)缆?，故選取典型海塘堤壩斷面建立三維模型，模型包括堤頂路面、堤身、堤基和防滲墻。計(jì)算采用線彈性模型，結(jié)構(gòu)全部采用六面體單元模擬。為消除邊界約束的影響，計(jì)算范圍在堤壩橫斷面方向各外延10 m，沿堤縱向取標(biāo)準(zhǔn)車輛長度向兩端各外延15 m。計(jì)算實(shí)體模型和網(wǎng)格剖分如圖1、圖2所示。

堤壩結(jié)構(gòu)層參數(shù)按照地勘報告給出的參數(shù)建議值取用。地基彈性模量近似取為壓縮模量（見表1）。

圖1計(jì)算實(shí)體模型

圖2　網(wǎng)格剖分模型

表1　地基土彈性模量

因地基土體已經(jīng)固結(jié)完畢，故不考慮地基土體自重。防滲墻重度取為18.5 kN/m3。堤壩外水位按咸潮期設(shè)計(jì)高水位7.0 m取用，堤內(nèi)無水，故以防滲墻為界，堤壩內(nèi)側(cè)土體重度取為18 kN/m3，堤壩外側(cè)土體取浮容重8 kN/m3。堤頂路面重度均取為18 kN/m3。

1.2計(jì)算工況和模型加載

計(jì)算載荷涉及結(jié)構(gòu)自重、水壓力以及堤頂車輛荷載。自重由程序自動計(jì)算，水壓力按面荷載作用加載于防滲墻上下游面?zhèn)?。車輛荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[1]的相關(guān)規(guī)定取用。車輛載荷技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2　車輛載荷主要技術(shù)參數(shù)

邊界條件取地基四周及堤壩兩側(cè)法向約束。

為分析運(yùn)輸車輛對防滲墻、堤頂路面結(jié)構(gòu)的影響，分以下兩類工況計(jì)算：

（1）泥結(jié)石路面：堤頂路面為200 mm厚石渣墊層和200 mm厚泥結(jié)石臨時路面，分別按無車輛荷載作用和有車輛荷載作用進(jìn)行分析。

（2）瀝青混凝土路面：堤頂路面為200 mm厚石渣墊層、300 mm厚水泥碎石穩(wěn)定層和80 mm厚瀝青混凝土路面。僅模擬有車輛荷載作用的情況[2-3]。

車輛荷載作用位置不同對防滲墻內(nèi)力影響不同，通過試算發(fā)現(xiàn)，一側(cè)輪壓作用于防滲墻內(nèi)側(cè)邊緣時防滲墻內(nèi)力最大，故計(jì)算時按該模型選取，車輪間距1.8 m，輪壓作用點(diǎn)見圖3。

圖3　車輛荷載的輪壓作用點(diǎn)示意圖(單位:mm)

2　計(jì)算成果分析

2.1運(yùn)輸車輛對堤頂路面影響評價

泥結(jié)石路面無車輛荷載作用時的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖4和圖5。

圖4　無車輛荷載作用時結(jié)構(gòu)整體圖（單位：Pa）

圖5　無車輛荷載作用時路面結(jié)構(gòu)豎向正應(yīng)力Sz（單位：Pa）

泥結(jié)石路面有車輛荷載作用時結(jié)構(gòu)整體的豎向位移見圖6。

圖6　泥結(jié)石路面有車輛荷載時結(jié)構(gòu)整體豎向位移Uz（單位：m）

泥結(jié)石路面有車輛荷載作用時的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖7、圖8。

圖7　泥結(jié)石路面有車輛荷載時結(jié)構(gòu)整體圖（單位：Pa）

圖8　泥結(jié)石路面有車輛荷載時結(jié)構(gòu)整體豎向位移Uz（單位：m）

瀝青混凝土路面有車輛荷載作用時結(jié)構(gòu)整體的豎向位移見圖9。

圖9　瀝青混凝土路面有車輛荷載時結(jié)構(gòu)整體豎向位移Uz（單位：m）

瀝青混凝土路面有車輛荷載作用時的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖10、圖11。

圖10　瀝青混凝土路面有車輛荷載時結(jié)構(gòu)整體圖（單位：Pa）

圖11　瀝青混凝土路面有車輛荷載時結(jié)構(gòu)整體豎向位移Uz（單位：m）

泥結(jié)石路面無車輛荷載作用時，堤頂路面壓應(yīng)力最大值為65 kPa，路面最大拉應(yīng)力18 kPa。泥結(jié)石路面增加車輛荷載后，整體豎向位移增加13 mm，堤頂路面壓應(yīng)力最大為433 kPa，路面最大拉應(yīng)力為106 kPa。瀝青混凝土路面增加車輛荷載后，整體豎向位移增加8 mm，堤頂路面壓應(yīng)力最大為466 kPa，路面最大拉應(yīng)力為120 kPa。有車輛荷載作用時，堤頂輪壓附近會產(chǎn)生應(yīng)力集中，泥結(jié)石路面和瀝青混凝土路面對應(yīng)的堤頂路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值比較見表3。

由表3所列結(jié)果可知，車輛荷載對堤頂路面壓應(yīng)力有一定影響。堤頂路面在輪壓區(qū)附近范圍內(nèi)會出現(xiàn)拉應(yīng)力，因泥結(jié)石材料不能承受拉應(yīng)力，故臨時路面對應(yīng)的堤頂路面結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)局部破壞。瀝青混凝土路面對應(yīng)的堤頂路面結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力極值為120 kPa，該值小于瀝青路面材料的最大容許拉應(yīng)力值600～1 000 kPa，因此可以認(rèn)為瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)是安全的。

表3　堤頂路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值

3.2運(yùn)輸車輛對防滲墻影響評價

泥結(jié)石路面無車輛荷載作用時防滲墻的位移和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖12、圖13。

圖12　無車輛荷載作用時防滲墻水平向位移Ux（單位：m）

圖13　無車輛荷載作用時防滲墻圖（單位：Pa）

泥結(jié)石路面有車輛荷載作用時防滲墻的位移和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖14、圖15。

圖14　泥結(jié)石路面有車輛荷載作用時防滲墻水平向位移Ux（單位：m）

圖15　泥結(jié)石路面有車輛荷載作用時防滲墻圖（單位：Pa）

瀝青混凝土路面有車輛荷載作用時防滲墻的位移和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖16、圖17。

圖16　瀝青混凝土路面有車輛荷載作用時防滲墻水平向位移Ux（單位：m）

圖17　瀝青混凝土路面有車輛荷載作用時防滲墻圖（單位：Pa）

泥結(jié)石路面無車輛荷載作用時，防滲墻最大水平向位移為15 mm，豎向正壓應(yīng)力為177 kPa。不出現(xiàn)拉應(yīng)力。泥結(jié)石路面增加車輛荷載后，防滲墻的水平位移基本沒有變化，防滲墻水平和豎向正應(yīng)力分別為82 kPa和260 kPa，豎向正應(yīng)力較無車輛荷載時增大83 kPa。路面鋪設(shè)瀝青混凝土路面后，在車輛荷載作用下，防滲墻水平和豎向正應(yīng)力為45 kPa和237 kPa，較泥結(jié)石路面有所減少。泥結(jié)石路面和瀝青混凝土路面兩種情況對應(yīng)的防滲墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移極值的比較見表4。

表4　防滲墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移極值

由表4所列結(jié)果可知，運(yùn)輸車輛會使防滲墻內(nèi)壓應(yīng)力有所增大，但該值小于墻體水泥土材料的最大容許壓應(yīng)力1 000 kPa。瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層加厚對防滲墻的應(yīng)力控制是有利的。

3　結(jié)　論

通過對車輛荷載作用下路面結(jié)構(gòu)和防滲墻結(jié)構(gòu)的三維模擬可知，對臨時路面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚愉仦r青混凝土）能保證運(yùn)輸過程中路面結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度，同時對防滲墻的應(yīng)力控制也是有利的。采用這種處理方式，可以認(rèn)為重型運(yùn)輸車輛對海塘堤頂路面和防滲墻的影響是可控的。

[1]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]龔曙光,等.ANSYS基礎(chǔ)應(yīng)用及范例解析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[3]龔曙光,謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

U416.01

A

1009-7716（2016）02-0020-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.006

2015-10-23

王斌（1982-），男，河北衡水人，高級工程師，工程師，主要從事道梁設(shè)計(jì)與科研工作。