路基不均匀沉降对沥青路面变形影响的研究

赵秀云 / 山东协和学院

路基不均匀沉降对沥青路面变形影响的研究

赵秀云 / 山东协和学院

随着国内公路建设的快速发展，对路基的要求日益增高。在旧路拓宽中，经常会因为施工、地形等因素导致路基出现不均匀的沉降。如果处理不当，会导致沥青结构出现破坏。为此，本文对不均匀沉降对沥青路面变形的影响进行了分析研究。

路基不均匀沉降；沥青路面；受力变形

1.引言

路基的不均匀沉降会反应在路面的结构响应中。由于不均匀沉降在路面结构中引起的附加应力影响路面的长期使用性能，因此，控制不均匀沉降对于保证路面的设计寿命、改善路面的使用性能、控制路面的损坏以及减少路面的养护维修支出等都具有特别重要的意义[1-2]。基于路基不均匀沉降对路面结构的影响非常困难，而利用数值计算方法和软件平台模拟不均匀沉降条件下路面结构层的破坏效果显著，其结论能够有效指导路基的填筑及后期维护[3]。

2.数值分析模型的建立

本文采用大型有限元分析软件ANSYS建立有限元模型，并进行结构分析。

2.1模型几何尺寸

路面结构是一种多层体系，对于多层体系应力应变的分析通常假定路面结构各层厚度均为有限，水平方向为无限。采用有限元进行模拟分析时，并不需要取其无限大尺寸的结构，实际处理这类问题时，通常在保证计算精度的前提下，对结构取有限尺寸[4-5]。本文取得结构尺寸为：宽慰5.325m，路基及路面总厚度为3.65m。

2.2材料参数

在模拟计算过程中，涉及到了多种材料。其中，面层选用沥青混凝土，基层选用石灰碎石，底基层选用砂砾石，路基为土。各层材料的参数指标详见表1。（依据面层、土基1、土基2弹性模量不同计算了四种情况，第一种情况3450、55、27.5；第二种情况3450、55、55；第三种情况3450、27.5、27.5；第四种情况1500、55、27.5）

表1　路基路面结构各层材料特性及厚度取值表

2.3单元类型选择

路面结构层均采用八节点实体单元。由于混凝土面层与基层、垫层之间接触关系的模拟是数值仿真分析中的难点问题，本文采用经典的Cou-lomb摩擦模型模拟其接触关系[6]。由于在长期车辆荷载作用下，面层与基层顶面变形协调，故在加载过程中接触面两侧单元法向不允许分离。面层与基层间建立接触面，采用接触单元与目标单元建立接触对。

2.4边界条件和加载方式

计算中考虑路基不均匀变形引起的路面结构附加应力，故模型中约束断面两侧沿线路走向的位移，计算中采用位移加载的模拟方法，即采用在路面结构层底面施加位移约束的方式施加荷载。对其两侧及底部完全约束，面层表面作为自由面，不进行任何约束。

3.数值模拟结果分析

经过模拟计算，给出了四种情况下结构中面层表面的竖向位移、面层底面、基层及底基层的应力和应变分布情况。

3.1位移

将四种情况下的路标弯沉值对比可以看出，第三种情况的路表弯沉值最大，比第二种情况大0.2479mm，可见路基强度的高低对路表弯沉的影响是很明显的。虽然第一种情况下的面层材料的强度是第四种情况下的2.3倍，但第四种情况下的路表弯沉值只比第一种情况大0.2693mm，即是它的1.05倍；可见在面层强度满足行车荷载作用情况下，提高面层材料的强度对路表弯沉的影响并不明显。

3.2面层底面主应力及主应变

将四种情况下的面层底面主应力及主应变进行比较可见，第二、三种情况下的主应力只有第一、四种情况下的55％左右，可见路基土的均匀稳定对路面面层受力状况影响极大，所以路基土的施工应该严格控制各个环节，保证材料的均一性是至关重要的。另外，虽然第三种情况下的路基土强度只有第二种情况下的50％，但它们面层的主应力相差不到10％，所以只要路基土强度满足承载要求，材料是否具有均一性直接影响到路面路用状况的好坏。

3.3基层底面、底基层底面主应力及主应变

当荷载传递到基层、底基层时，它们的应力应变值的大小顺序依次为：第二种情况<第三种情况<第一种情况<第四种情况；第二种情况下底基层主应力值为0.134Mpa。只有第四种情况下的44.2％；虽然第三种情况下土基强度最低，但它的底基层主应力值也比第四种情况下小25.1％。可见，路基土的不均匀沉降明显增大了基层、底基层的应力应变值。

4.结论

本文通过建立有限元数值模型，主要分析了不同面层、土基弹性模量下，路表弯沉、面层底面主应力及主应变、基层底基层底面主应力及主应变的变化情况。获得了如下结论：

4.1路基土的强度对改善路表弯沉有很大的影响，而面层材料的强度对路表弯沉的影响并不显著。

4.2路基土的均匀稳定对路面面层受力状况影响极大，在强度满足承载要求的条件下，材料是否具有均一性直接影响到路面路用状况的好坏。

4.3路基土的不均匀沉降明显增大了基层、底基层的应力应变值。

[1]钱家欢，殷宗泽.土工原理和计算[M].北京：中国水利电力出版社，1995.

[2]谈至明，姚祖康.软土地基不均匀沉降对铺面结构影响的分析[J].岩土工程学报，1989.

[3]周焕云，黄晓明.高速公路软土地基沉降预测方法综述[J].交通运输工程学报，2002.

[4]王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2009.

[5]饵磊，于清杨.岩土工程数值法[M].长春：吉林大学出版社，2007.

[6]李运光.结构工程有限单元法[M].北京：中国建材工业出版社，2002.

校级科研项目：

路基不均匀支承条件下沥青路面结构分析，项目编号：XHXY201514。

赵秀云（1986.3—），女，山东聊城人，讲师，硕士研究生，从事道路与铁道工程方向的研究。