市政道路上跨地下結(jié)構(gòu)物路基穩(wěn)定分析

摘 要：采用Midas有限元分析軟件，對車輛荷載作用下市政道路上跨地下環(huán)路時結(jié)構(gòu)物沉降進行分析，發(fā)現(xiàn)上部市政道路呈現(xiàn)路基覆土越厚，沉降值越小，反之沉降越大的規(guī)律，并且當覆土厚度達到9.5m時，可滿足道路路基沉降控制標準。車輛荷載可以顯著增加路基豎向（46%）及側(cè)向（100%）土壓力，此外，由于道路基層使車輛荷載擴散，增加了荷載對地下結(jié)構(gòu)物的影響，因此對道路基層施工進行質(zhì)量控制是工程施工過程中的管控重點。

關(guān)鍵詞：市政工程；市政道路；地下結(jié)構(gòu)；路基穩(wěn)定

中圖分類號：TU 99" " 文獻標志碼：A

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，越來越多的地下空間逐漸開發(fā)利用，市政道路上跨地下結(jié)構(gòu)物也逐漸增加。目前，國內(nèi)外學(xué)者也對此進行研究。張博等[1]對地下結(jié)構(gòu)物及設(shè)施的空間布局進行歸納總結(jié)，指出其在規(guī)劃、建設(shè)和后期運營中存在的問題，并提出對應(yīng)的解決方案。黃業(yè)禹、馬強[2]通過數(shù)值算例，分析了移動荷載作用下非飽和土地基動力響應(yīng)。LI S Y[3]采用2.5維有限元法（FEM）對地基土飽和與否對移動荷載產(chǎn)生的振動幅值的影響進行分析。WANG X D等[4]基于三階剪切變形理論（TSDT）發(fā)現(xiàn)，在移動荷載作用下，路面溫度較高會導(dǎo)致柔軟度和車轍深度增加。趙亞軍等[5]采用移動均布荷載模擬車輛荷載，分析不同的行車速度和車輛荷載作用下土石混填路基動應(yīng)力、變形的響應(yīng)規(guī)律，并確定路基工作區(qū)深度。

雖然目前國內(nèi)外學(xué)者取得了大量的研究成果，但基本集中在地下結(jié)構(gòu)物空間布局以及車輛荷載作用下的路基土動力響應(yīng)，對車輛荷載作用下的地下結(jié)構(gòu)物與上部道路之間的路基穩(wěn)定方面研究較少，因此分析道路上跨地下結(jié)構(gòu)物路基具有重要的實用價值。

1 道路上跨地下環(huán)路結(jié)構(gòu)物沉降分析

1.1 車輛荷載對地下環(huán)路結(jié)構(gòu)影響

T5站前商務(wù)區(qū)市政道路投入使用后，在車輛荷載作用下，上部市政道路與地下環(huán)路之間的覆土層將會產(chǎn)生應(yīng)力重分布，導(dǎo)致市政道路基礎(chǔ)變形。同時，車輛荷載通過覆土層作用到地下環(huán)路結(jié)構(gòu)物上，將會影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。對市政道路近距離跨接地下結(jié)構(gòu)物來說，此影響非常重要，在變形超過限值后，會對上部的道路基礎(chǔ)與下部的地下結(jié)構(gòu)物造成損壞，危及人員行車及行走安全。

由車輛荷載作用引起的土體應(yīng)力重分布，根據(jù)文獻[6]所述，可按圖1的傳播方式進行預(yù)測。由圖1可以看出，當?shù)叵颅h(huán)路頂部覆土較淺時，土體分散車輛荷載發(fā)揮的作用較小，地下環(huán)路結(jié)構(gòu)物受到的影響較大。

1.2 道路上跨地下環(huán)路數(shù)值模型

采用Midas有限元分析軟件對空港新城T5站前商務(wù)區(qū)市政道路車輛荷載作用下，地下環(huán)路頂部覆土層，即道路路基所受影響進行數(shù)值模擬。

結(jié)構(gòu)模型選取地下環(huán)路縱向10m，橫向兩側(cè)各5m范圍為研究對象。根據(jù)表1中的地基土物理力學(xué)指標及各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)，以0.5m×0.5m的單元模擬土體，土體符合摩爾—庫倫理論。假定各結(jié)構(gòu)層之間連續(xù)，忽略同質(zhì)材料之間的相互作用，建立如圖2所示的數(shù)值模型，均采用線彈性模型。參照規(guī)范標準，汽車荷載等級取公路—Ⅱ級，其車道荷載的均布荷載標準值為7.875kN/m。

表1 模型材料參數(shù)表

序號 結(jié)構(gòu)層 材料類型 彈性模量/MPa 泊松比

1 面層 瀝青 1400 0.35

2 基層 水泥穩(wěn)定碎石 3000 0.2

3 褥墊層 碎石 300 0.25

4 土基 回填土 30 0.35

5 地基土 30 0.35

1.3 道路上跨地下環(huán)路計算結(jié)果分析

在車輛荷載作用下，上部市政道路路基與下部地下環(huán)路將會產(chǎn)生沉降[7]。在有限元模型中，以模型縱向中心為原點，以線路前進方向為正，得到結(jié)構(gòu)物沉降隨原點距離變化曲線，如圖3所示。

由圖3可知，在車輛荷載作用下，地下環(huán)路整體沉降相對較小且基本保持平穩(wěn)發(fā)展，地下環(huán)路為整體現(xiàn)澆，其結(jié)構(gòu)物剛度較大，并且地下環(huán)路基礎(chǔ)相對較為牢固。因為距原點的距離不同時，其道路下覆土厚度存在差異，所以上部市政道路路基土沉降則變化較大。對模型計算結(jié)果來說，距原點-5m處的覆土厚度最大，此時道路路基沉降量最小，從-2m至原點區(qū)間，覆土厚度逐漸減少，沉降值則在逐漸增加，這與土體應(yīng)力分布傳播方式造成的影響相吻合。

在車輛荷載作用下，基本可以忽略對地下環(huán)路結(jié)構(gòu)物的影響，但其對市政道路路基土的影響較大，且呈現(xiàn)路基覆土越厚，沉降值越小，反之沉降越大的趨勢。

1.4 道路路基最佳覆土厚度分析

地下環(huán)路主要布置于地下2層，為避免地下環(huán)路主線上方覆土過厚造成土壓力增加，影響環(huán)路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時結(jié)合研究中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，須對市政道路路基覆土厚度進行分析，保證在不對地下環(huán)路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的情況下，減少市政道路路基沉降，保證地上、地下結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定。

為確定最適宜的道路路基覆土厚度，對模型中覆土厚度參數(shù)進行調(diào)整計算，得到結(jié)構(gòu)物沉降隨覆土厚度變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，隨著覆土厚度不斷增加，道路路基沉降逐漸減少，對地下環(huán)路來說，沉降值變化整體較平穩(wěn)。根據(jù)項目管理規(guī)定，并結(jié)合工程實際情況，道路路基沉降以6mm為標準進行控制。結(jié)合圖5的計算結(jié)果，當覆土厚度達到9.5m時，各結(jié)構(gòu)物均能滿足沉降控制要求。

2 道路結(jié)構(gòu)層車輛荷載影響分析

在T5站前商務(wù)區(qū)市政道路投入使用后，實際車輛荷載工況是十分復(fù)雜且難以精準預(yù)測的，在有限元數(shù)值模型中，道路不同結(jié)構(gòu)層施加不同車輛荷載，對道路路基覆土的土壓力受荷載影響變化進行計算分析，是一種較為有效且符合實際工況的方法[8]。

2.1 土基頂面車輛荷載影響分析

根據(jù)有限元模型，在土基頂面施加100kN、150kN、200kN、250kN這4種車輛荷載，分別計算不同車輛荷載下道路路基的豎向及側(cè)向土壓力，從而分析車輛荷載對道路路基的穩(wěn)定性影響。計算結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著車輛荷載增加，道路路基豎向及側(cè)向土壓力均呈現(xiàn)增長趨勢，且土壓力變化與路基覆土深度成正比。對比4種不同車輛荷載工況，在相同計算深度，與100kN時相比，荷載250kN作用下的豎向土壓力平均增加60kPa，增長幅度約為46%。側(cè)向土壓力平均增加35kPa，增長幅度約為100%。結(jié)果表明，車輛荷載作用對道路路基的側(cè)向土壓力影響較大且影響效果顯著。

2.2 基層頂面車輛荷載影響分析

在基層頂面施加與上文（在土基頂面建立施加100kN、150kN、200kN、250kN車輛荷載）相同的車輛荷載，計算結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，在道路基層施加車輛荷載后，道路路基土壓力變化曲線與土基層施加荷載時基本一致，但土壓力數(shù)值明顯增加。在相同車輛荷載工況下，與土基頂面施加荷載相比，基層頂面施加荷載的路基豎向土壓力分別增加34kPa、39kPa、44kPa、48kPa。路基側(cè)向土壓力分別增加21kPa、26kPa、30kPa、31kPa。由此可見，由于存在道路基層，因此在車輛荷載作用下，豎向土壓力平穩(wěn)增加，而側(cè)向土壓力的增加幅度逐漸降低。采用水泥穩(wěn)定碎石對基層進行施工，層體結(jié)構(gòu)強度比其他土質(zhì)層更大，因此可將上部車輛荷載有效傳遞至下方結(jié)構(gòu)。盡管通過基層可擴大上部車輛荷載傳遞面積，但基層存在，道路結(jié)構(gòu)層的總荷載仍在增加，導(dǎo)致車輛荷載的影響也增加，因此道路路基的土壓力均呈現(xiàn)增加的趨勢[9]。

3 結(jié)論

分析道路上跨地下環(huán)路結(jié)構(gòu)物沉降與道路結(jié)構(gòu)層車輛荷載影響，可為市政道路上跨地下結(jié)構(gòu)物路基穩(wěn)定研究提供思路，指導(dǎo)工程施工，本次研究得出以下結(jié)論。1）在車輛荷載作用下，車輛荷載對市政道路路基土影響較大，呈現(xiàn)路基覆土越厚，沉降值越小，反之沉降越大的趨勢。當?shù)叵颅h(huán)路頂部覆土較淺時，土體分散車輛荷載發(fā)揮的作用較小，地下環(huán)路結(jié)構(gòu)物受車輛荷載的影響較大。2）當覆土厚度達到9.5m時，可滿足道路路基沉降6mm的控制標準。3）在車輛荷載作用下，道路路基豎向土壓力增加幅度約為46%，側(cè)向土壓力增加幅度約為100%，表明車輛荷載作用對道路路基的側(cè)向土壓力影響較大且影響效果顯著。4）道路基層結(jié)構(gòu)強度大，對上部車輛荷載傳遞與擴散具有促進作用，但總荷載也會增加，使車輛荷載造成的影響也變大，因此施工過程中應(yīng)該加強道路基層施工質(zhì)量控制。

參考文獻

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