基于ABAQUS的检查井井周路面力学特征分析及病害防治研究

魏连雨，李 昊，2,马新卫

(1. 河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2. 河北水利电力学院，河北 沧州 061000)

基于ABAQUS的检查井井周路面力学特征分析及病害防治研究

魏连雨1，李 昊1，2,马新卫1

(1. 河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2. 河北水利电力学院，河北 沧州 061000)

以天津市快速路为研究对象，运用ABAQUS有限元软件建立检查井井周路面结构有限元力学分析模型，分析了井周结构拉、压应力和剪应力的受力特点和变化规律，对防治检查井井周病害提出的4种混凝土钢筋骨架井圈做了可行性应力分析。研究结果显示：在汽车荷载驶入又离开检查井井周的过程中，检查井井周混凝土顶层压应力和底层拉应力都呈现先增后减的变化趋势；在混凝土井圈内设置一定数量等级的钢筋骨架，可以有效地帮助混凝土承担汽车荷载所造成的拉应力作用，避免底层拉应力破坏的现象发生，为检查井结构设计、井周病害防治以及施工提供了参考价值。

道路工程；检查井；病害；有限元；力学分析；钢筋骨架；防治措施

0 引 言

检查井作为城市管网的重要组成部分，通常设置在城市道路上。检查井的病害不仅影响道路的平整，还会对行驶车辆和行人的安全造成严重威胁。随着我国城市机动车数量逐年激增和城市居民出行频率逐年增加，检查井病害已经对人们的生活和车辆的行驶安全造成相当程度的影响，并受到各界的关注。对天津市路网道路中检查井及井周路面病害进行调查，调查结果如表1[1-5]，调查发现处于车行道上的检查井井周破坏比较严重，出现面层龟裂、井口凹陷现象如图1。为了解决检查井井周病害问题，笔者以天津市快速路为研究对象，建立检查井井周路面结构有限元力学分析模型，理论分析了井周结构受力变化特点，并对提出的检查井井周病害防治4种配筋措施做了分析。

表1 检查井破坏情况统计Table 1 The damage of inspection chamber /座

图1 检查井破坏示例Fig.1 Example of the damages to the inspection well surroundings

1 检查井井周路面力学模型

运用ABAQUS有限元软件建立力学模型进行分析。模型采用天津市常用城市井体乙型结构体，并简化成半圆柱形，模型半径为1 400 mm，深640 mm，模型计算结构简图如图2，结构分层模型如图3。检查井井盖材料为铸铁，井圈周围钢筋混凝土选用直径为8 mm的HRB335钢筋，混凝土强度为C30，用MU10砌块和M7.5的砂浆砌筑检查井井筒。通过对天津市快速路路面结构形式的调查，选取了具有代表性的路面结构形式并设定了各材料的参数如表2[6-8]。

图2 有限元模型计算结构简图(单位：mm)Fig.2 Structure diagram of finite element model

图3 检查井结构分层模型Fig.3 The layered structure model of inspection well表2 各等级道路结构材料参数Table 2 The material parameters of each grade road structure

道路等级名称厚度h/cm弹性模量E/MPa泊松比γ快速路细粒式沥青混凝土412000.30粗粒式沥青混凝土610000.30水泥稳定碎石1815000.25快速路石灰粉煤灰碎石1814000.25石灰粉煤灰土188000.30

有限元分析的荷载采用城-A级车辆荷载[9-11]。由CJJ 11—2011《城市桥梁设计规范》可知，城-A级车辆荷载以五轴式货车加载为标准，最大轴重200 kN，作用面积为2×0.25×0.6=0.30 m2，单位面积上的荷载为0.67 MPa。由于模型采用半圆柱体进行分析[12-15]，取单位面积均布矩形荷载0.67 MPa，作用面积为0.25×0.3=0.075 m2。

将钢筋混凝土结构中的A,B,C,H,I,J点和沥青层中的三分点E,F,G点如图4,共计9个点,以及这些点对称到左侧的A’,B’,C’,H’,I’,J’,E’,F’,G’点，共计18个点作为分析点。假设井盖中心为原点，研究车辆荷载由原点移动到模型边缘过程中，其作用中心横坐标分别为0,250,500,750,1 000,1 250 mm 6个位置的时候，18个分析点的受力状况。根据对称性，最终可以得到A,B,C,H,I,J,E,F,G各点从荷载-1 250 mm到1 250 mm位置的应力变化情况。图5为检查井荷载作用位置图。

图4 模型分析点位置(单位：mm)Fig.4 Location of model analysized points

图5 荷载作用位置(单位：mm)Fig.5 The map of loaded position

2 检查井井周路面力学分析

分别对6种荷载位置时的模型进行计算。图6为点A,B,C的压应力σc和剪应力τ随荷载作用位置变化的曲线图。

图6 混凝土压应力及剪应力变化曲线Fig.6 Change curve of compressive stress and shear stress of the concrete

由图6(a)可知，在汽车荷载驶入又离开检查井井周的过程中，处于混凝土顶部的A,B,C3点的压应力总体呈现先逐渐增大后逐渐减小的变化过程。在汽车驶入检查井井周的早期还呈现较弱的拉应力现象，拉应力在C点达到最大值为98.8 kPa，远远低于混凝土最大抗拉强度，不会导致混凝土顶层发生太大的受拉破坏。

由图6(b)可知，在汽车荷载驶入又离开检查井井周的过程中，混凝土顶部的剪应力产生两次剪切作用，A,B,C3点的剪切峰值不同，但呈现的剪切曲线规律大体相似。剪切应力在A点达到最大值为1.24 MPa，远低于混凝土标准抗剪强度。不难看出由于在单次汽车荷载作用过程中，混凝土层中就会经历两次反复剪切破坏，频繁的剪切作用是加快混凝土层破坏、造成检查井井周混凝土破碎开裂的又一大因素。

分别通过有限元模型对H,I,J3点进行拉应力σc计算，对E,F,G3点进行剪应力τ计算，得到各点随作用位置变化的曲线图，如图7、图8。

图7 混凝土底层拉应力变化曲线Fig.7 Change curve of bottom layer tensile stress of the concrete

由图7可知，在汽车荷载驶入又离开检查井井周的过程中，快速路检查井混凝土底层的H,I,J3点的拉应力总体呈现先逐渐增大后逐渐减小的变化过程，各点在荷载经过混凝土正上方时得到最大拉应力值。3点最大拉应力值为H点在横坐标500 mm处得到的2.38 MPa，高于C30混凝土的标准抗拉强度取值2.01 MPa,已经可以对混凝土底层处产生破坏，且最大值发生在靠近井内侧的H点，更易造成检查井井周的混凝土破损、龟裂。

图8 沥青层剪应力变化曲线Fig.8 Change curve of shear stress of the asphalt

由图8可知，在汽车荷载驶入又离开检查井井周的过程中，快速路检查井沥青层E,F,G3点分别产生两次剪切作用。3点的剪切峰值不同，但呈现的剪切曲线规律大体相似，剪切应力在F点达到最大值为0.21 MPa，低于沥青标准抗剪强度。不难看出由于在单次汽车荷载作用过程中，沥青层中就会经历两次反复剪切破坏，频繁的剪切作用将加速造成检查井井周路面沥青面层破碎开裂。

3 检查井病害防治措施研究

由第2节受力分析可知，检查井井周病害产生的一个重要原因便是混凝土底层抗拉强度无法抵抗汽车荷载产生的拉应力。因此，选用直径为8 mm的HRB335钢筋，在混凝土井圈内设置一定数量等级的钢筋骨架，可以有效地帮助混凝土承担汽车荷载所造成的拉应力作用，避免底层拉应力破坏的现象发生。以下提出了几种钢筋骨架的方式，其所能承受的拉应力能力由弱到强，如图9。

图9 钢筋骨架模型Fig.9 Reinforcement cage model

在快速路路面结构下，经有限元模型计算，4种钢筋模型的最大底层拉应力σmax值随荷载位置的变化情况如图10。

图10 混凝土底层最大拉应力Fig.10 Max. tensile stress on the concrete basecourse

通过图10分析可知，配置了模型1和模型2钢筋骨架井圈的检查井，当汽车荷载经过时，模型1混凝土底层最大拉应力的峰值2.37 MPa和模型2的峰值2.27 MPa仍高于C30混凝土的标准抗拉强度取值；模型3和模型4是在模型2双圈双层钢筋骨架的基础上又加置了一定数量的方形钢筋，模型3混凝土底层最大拉应力的峰值为1.95 MPa，模型4混凝土底层最大拉应力的峰值为1.86 MPa，都低于C30混凝土的抗拉强度标准值，两种钢筋骨架井圈很好地提高了钢筋混凝土井圈承受底层拉应力的能力，使检查井能够抵挡汽车荷载经过产生的抗拉破坏，有效防止了井周病害的产生。

4 结 论

通过建立ABAQUS有限元模型，以天津市快速路为例对检查井井周路面进行力学分析，并对4种钢筋骨架模型在快速路检查井井周路面病害中的防治做了可行性应力分析，得到如下结论：

1)在汽车荷载驶入又离开检查井井周的过程中，检查井井周混凝土顶层压应力和底层拉应力都呈现先增大又减小的变化趋势；混凝土底层越靠近井壁内侧的点位，受到的拉应力值越大，最大值2.38 MPa远高于C30混凝土的标准抗拉强度取值2.01 MPa,可以对混凝土底层处产生破坏，最终造成检查井井周破损、龟裂等病害。沥青底层的拉应力值较小，造成其底层受拉破坏的可能性不大。

2)检查井井周混凝土层和沥青层在汽车单次荷载下都经历了两次反复剪切作用，频繁的剪切作用是造成检查井周路面损坏的一个重要因素。

3)在混凝土井圈内设置一定数量等级的钢筋骨架，可以有效地帮助混凝土承担汽车荷载所造成的拉应力作用，避免底层拉应力破坏的现象发生。经验证，在天津市快速路结构中，加置模型3(双圈双层+8片方形钢筋骨架)和模型4(双圈双层+12片方形钢筋骨架)的混凝土井圈底层拉应力低于C30混凝土的抗拉强度标准值，使检查井能够抵挡汽车荷载经过产生的抗拉破坏，有效防止了井周病害的产生。在严格符合国家规定标准的前提下，可以根据实际交通状况，长远考虑，对交通量较大，汽车荷载量偏多偏大的道路，应适当的提高钢筋使用标准。

[1] 黄谦,郭清平.城市沥青道路检查井病害分析及处理措施[J].特种结构,2011(2):44-47. HUANG Qian, GUO Qingpin. The analysis of the inspection well desease and its improvement measures in urban asphaltic roads [J].SpecialStructures,2011(2):44-47.

[2] 潘永清,饶勤波,张仪萍.城市道路检查井结构破坏原因分析[J]. 交通标准化，2011(19):134-138. PAN Yongqing, RAO Qinbo, ZHANG Yiping. Reasons for destruction of manhole structures in urban road[J].TransportationStandardization,2011(19):134-138.

[3] 李少成.检查井与城市道路路面顺接施工技术研究[D]. 济南：山东大学,2008. LI Shaocheng.ConstructionTechnologyoftheLinkagesofUrbanRoadSurfaceandInspection[D].Jinan:Shandong University,2008.

[4] 谭德忠.城市道路路面与检查井顺接的设想[J]. 森林工程, 2002, 18(5): 48-49. TAN Dezhong. Construction of linkage of urban road surface and inspection[J].ForestEngineering,2002,18(5):48-49.

[5] 姚建洲.浅谈市政雨、污水管道的检查施工[J].市政设施管理,2001(1):16-17. YAO Jianzhou. Research on municipal rain, check on the construction of sewers[J].MunicipalFacilitiesManagement, 2001(1): 16-17.

[6] 董志宇.排水检查井与沥青路面衔接的病害治理[J].福建建筑,2008(7):91. DONG Zhiyu. Dewwater inspect well and asphact pavement connected disease and administer[J].FujianArchitecture&Construction,2008(7):91.

[7] 刘杰. 单桩沉降计算方法综述[J]. 株洲工学院学报,2002,16(1):71-75. LIU Jie.A summary of calculation methods for single pile settlement[J].JournalofZhuzhouInstituteofTechnology, 2002,6(1):71-75.

[8] 徐迎春.太原市检查井的管理与维护现状及对策建议[J]. 太原科技,2006(2):56-57. XU Yingchun. Current states and advice of inspecting wells management and maintenance in Taiyuan[J].TaiyuanScienceandTechnology,2006(2):56-57.[9] 任辉,李黎,肖盛华.解决道路检查井病害问题的探讨[J]. 市政设施管理,2003(3):47-48. REN Hui,LI Li,XIAO Shenghua.Research on solving the disease problem of road inspection wells[J].MunicipalFacilitiesManagement,2003(3):47-48.

[10] 李志国,钱春香,马一平.土木工程材料[M].北京:中国建筑工业出版社,2002. LI Zhiguo, QIAN Chunxiang,MA Yiping.CivilEngineeringMterial[M].Beijng: China Building Industry Press, 2002.

[11] 魏连雨,杨政龙,李思倩.货车对不平整路面的动荷载分析[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版),2014,33(5):70-72. WEI Lianyu, YANG Zhenglong, LI Siqian. Truck dynamic load on uneven pavement[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2014,33(5):70-72.

[12] 申俊敏,张艳聪,田波. 钢筋网对道路混凝土振动的阻隔及对策[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版),2012,31(2):247-251. SHEN Junmin, ZHANG Yancong, TIAN Bo. Barrier and countermeasures of reinforced mesh on pavement concrete vibration[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2012,31(2):247-251.

[13] 张金华.检查井在施工过程存在问题及防治措施[J].引进与咨询,2004(12):73. ZHANG Jinhua. Control measures to manhole problems existing in the construction process[J].StraitsScience,2004(12):73.

[14] 宋甲奇. 市政道路检查井井盖周边病害分析及防治措施[J]. 山西科技,2012(2):97-98. SONG Jiaqi. Analysis on damages near manhole covers to the municipal roads and prevention[J].ShanxiScienceandTechnology,2012(2):97-98.

[15] 蒋科. 雨水井与道路路面顺接施工技术研究[J]. 科技信息,2012(14):371. JIANG Ke. Construction technology research on water wells and the road surface linking[J].Science&TechnologyInformation,2012(14):371.

Mechanics Analysis and Disease Prevention of the Pavement Around Inspection Well Using ABAQUS

WEI Lianyu1，LI Hao1，2，MA Xinwei1

(1. School of Civil Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，P.R.China；2.Hebei University of Water Resourles and Electric Engineering，Cangzhou 061000，Hebei，P.R.China)

Taking the Tianjin expressway as the research example, the finite element software abaqus was used to establish the finite element structure analysis model of the inspection well surroundings to analyze the force bearing characteristics and the variation of pull stress, compression stress and shear stress surround the inspection well .The results showed that: during the process of the vehicle passing to and from the surrounding area, the top compressive stress and the underlying tensile stress of concrete wells circle firstly increased and then decreased. Setting a certain number of steel skeleton in concrete wells circle helps concrete undertake tensile stress caused by the vehicle load and avoids underlying tensile stress damages. It will provids a great reference value to the inspection well structure design, its surrounding disease prevention and the manhole construction.Key words：highway engineering; inspection chamber;disease; finite element; mechanical analysis; steel skeleton; control measures

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.06

2015-02-20；

2015-06-28

河北省科技计划项目(07216923)

魏连雨(1957—)，男，天津市人，教授，主要从事道路工程、交通工程方面的研究。E-mail：wly57@126.com。

李 昊(1987—)，男，河北沧州人，硕士，主要从事交通工程、道路与铁道工程方面的研究。E-mail：czlh1987@163.com。

U418.6

A

1674-0696(2016)04-025-04