拓宽路基强度不均匀性对沥青路面结构影响分析.docVIP

拓宽路基强度不均匀性对沥青路面结构影响分析摘要：为了研究拓宽路基强度不均匀性对沥青路面受力变形的影响，对路基强度不均匀性进行弹塑性有限元分析，计算出在交通荷载作用下由于新老路基在强度上的差异而产生的差异变形。研究了不同工况对沥青路面受力变形特性的影响，进而得出评定路基强度不均匀性的临界值，为实际工程设计、施工提供理论依据。 关键词：拓宽路基；强度；不均匀性；交通荷载；有限元法；临界值 1 前言 随着我国公路建设不断深化，其中对低等级公路拓宽、提高公路等级已成为公路建设的发展主流。公路改扩建工程大多涉及路基拓宽问题。据调查，公路拓宽工程完成后，在运营阶段，路面会不同程度出现裂缝病害。路面结构破坏主要是新老路基产生不均匀沉降，其原因用有：①路基范围内地基固结产生差异沉降；②新老路基填料及强度不一，车辆荷载作用下产生不均匀沉降；③新老路基结合部位处理措施不够完善。 对于新老路基产生差异变形，不少学者进行了研究，并且取得一些有价值的研究成果。一般都是研究软土地基上修建道路，重点研究地基土层的渗流固结，对路基强度不均匀产生的变形研究较少。在有些地区，天然地基都是地质条件良好，压缩模量与承载力都较高，地下水位低，路基修筑完毕后地基土渗流固结产生的工后沉降可以忽略不计，而事实上，这些地区的拓宽公路，由于新老路基强度差异，在车辆荷载作用下产生不协调变形，引发路面结构层破坏。新老路基强度不均匀对路面结构的影响，在路基拓宽工程中不可忽视。 本文通过研究新老路基强度差异对路面结构层的影响规律，充分了解新老路基强度不均匀性对路面的影响，合理确定新老路基强度差异值，为路基拓宽工程的设计与施工提供参考依据。 2 分析计算 2.1 有限元数值方法 公路路基为条带形结构物，受力状态为典型平面应变问题，故采用二维有限元模型计算拓宽路基的应力应变。 路基拓宽工程中，由于地基与老路基在自重作用下已经发生了固结变形，其初始应力分布状态不同于地基表面水平情况下的线性分布，所以，准确获取老路基作用下地基和老路基的初始应力分布状态是求解本问题的关键。 有限单元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法。随着计算机的发展，该方法已经取代了昂贵的结构试验，成为结构分析中的一个最有效的一方法。尤其是有限元法在板壳结构、空间应力分析、非线性问题、动力分析及流体力学问题等方面的成功应用，使有限元法的内容越来越丰富。 由于道路为条形结构物，其空间应力分析可简化为平面应变问题，在分析过程中使用平面PLANE42单元。 2.2 路基模型与基本假设 考虑到路基的实际受力情况，将建立的模型作一些简化，特作如下假定： 1、按照平面应变问题进行考虑，进行二维有限元分析； 2、路面各结构层均为连续、各向同性的线弹性材料，力学特性用弹性模量E和泊松比μ表征； 3、土体为理想弹塑性材料，采用D-P模型进行模拟； 4、路面各结构层在垂直方向完全连续，即层与层之间不会出现脱空现象； 5、底基层与路堤顶面的竖向应力和竖向位移连续，即当路堤发生沉降以后，路面结构层会随之下沉，相互间变形协调； 6、老路基和地基的初始应力场由老路基和地基的自重荷载产生； 7、边界条件：地基底面两个方向均为约束，地基宽度外侧水平向约束，地基宽度外侧及地表为透水边界，地基底面为不透水边界。 网格划分如图2-1所示。 2.3 新老路基不协调变形与路面结构受力特征分析 某路堤，其概化几何参数：拓宽为典型沥青路面结构的二级公路，中等交通量，计算荷载采用BBZ-100的双圆轮载，车辆荷载分布如图2-2。填土高6m，老路顶面宽L06m，单侧拓宽L16m，边坡1∶1.5，地基计算深度为30m，拓宽后路堤底面宽度为30m，地基计算宽度为100m，大于3倍基础宽度，网格划分如图2-1。 材料参数如表2-1。 表2 沥青混凝土道路各组成部分材料参数 从沉降曲线图2-3可以看出，施工结束后，新老路堤沉降量不一致，新路堤沉降明显大于老路堤，并且在新老路基结合处曲率变化较大。通过计算比较，这种扩建路堤不同于新建路堤的一个明显区别在于其表面沉降曲线的形状不同，新建公路的沉降曲线形状都成类似抛物线形，最大沉降值点都在路基中部。但对于这种改建公路，其路基顶面沉降曲线的形状却不一样，从图中可以看出，老路堤沉降曲线成近似直线倾斜，新路堤沉降曲线趋近平缓。所以，路堤扩宽工程中，要尽量减小新老路基各自发生的不协调变形。 如果原路面不继续利用，则新老路基顶顶面的不协调变形值为工后沉降，其不协调变形曲线如图2-3所示。如果原有路面继续利用，则老路基顶面的不协调变形为老路基发生的总沉降，而新路基的不协调变形