含有地下管道的沥青混凝土路面结构力学分析

方诗圣，等：含有地下管道的沥青混凝土路面结构力学分析　含有地下管道的沥青混凝土路面结构力学分析　方诗圣，张利，康小方　（合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥２３０００９）　摘要：针对现有含有地下管道的沥青混凝土路面的病害现象，应用有限元方法，建立了道路结　构力学计算模型，研究分析道路回填材料的回弹模量、管道埋深及沟槽形式等因素变化下的力学行　为，得出地下管道的存在对路面结构影响受力分布规律与范围，并和调查路面的病害情况进行对比，　为沥青混凝土路面的结构设计与现场施工及改善路面的结构性能提供了理论参考。　关键词：地下管道；沥青混凝土路面；回弹模量；有限元　中图分类号：Ｕ４１６．２１７　文献标志码：Ａ　文章编号：１００３—８８２５（２０１１）０６—０００１—０４　０　引言　结合所选路段情况，埋管结构等特点，在进行沥　通过所选取的道路调查得到，含有地下管道的城　青道路结构力学计算与分析时，当前较成熟的是多层　市道路路面的病害现象出现频率较高，严重影响了城　弹性连续体系理论，将其简化为平面应变问题，利用　市交通的畅通和安全，路基路面的损坏问题引起了广　平面应变弹塑性有限元方法，建立路基的二维有限元　泛关注。　模型进行数值计算。本文亦采用管道与结构层之间、　目前，国内外学者对此领域进行了一定的研究，　各结构层相互之间完全连续进行。　薛连旭…针对小型构造物上沥青混凝土路面的地基不　１．２路面结构层与参数　均匀沉降引起的路面附加应力进行了分析，并研究了　其结构性能。但构造物尺寸较道路的地下管道一般稍　路面各结构层与相关参数为：上面层为细粒式密　大，其研究规律对地下的小管径对路面结构的影响有　级配沥青混合料，厚ｈ，＝４　ｃｍ，回弹模量Ｅ　＝２　０００　很大的差异。张士乔　等对管沟回填的材料进行研究　ＭＰａ；中面层为中粒式密级配沥青混合料，ｈ　＝５　并采用控制性低强度材料（ＣＬＳＭ），其材料因具有不　ｃｍ，Ｅ　＝１　８００　ＭＰａ；下面层为粗粒式密级配沥青混　可收缩性，且适用于埋深不大的沟槽，有一定的局限　合料，ｈ　＝６　ｃｍ，Ｅ，：１　４００　ＭＰａ；基层为二灰稳定碎　性，没有针对管道对路面结构的整体影响给予讨论。　石　，ｈ４＝３０　ｃｍ，Ｅ４＝５００　ＭＰａ；底基层为二灰土，　含有地下管道的路面结构，虽然文献［３］也有　ｈ５＝２５　ｃｍ，Ｅ　＝５００　ＭＰａ；沟槽垫层土基厚度取ｈ　＝　不同程度的叙述，但依然存在较多不足。基于以上的　１０　ｅｍ，Ｅ　＝４０　ＭＰａ。Ｅ，为路基土的回弹模量，　为　基础，本文对含有地下管道的沥青混凝土路面结构进　回填材料的弹性模量。路面模型尺寸为：横坐标为　行力学分析研究就显得尤为必要：沟槽的回填压实度　１０．０　ｍ，纵坐标依据埋设管道的管径与埋深改变而变　达不到规范要求的通病，通过提高合理的路基回填模　动，各结构层的具体示意如图１。　量来降低其对路面结构的影响、管道埋设深度与沟槽　ｇ　ｇ　放坡形式的影响变化等问题，通过ＡＮＳＹＳ有限元软　川　ｆ　川　件进行数值模拟，分析多种工况下沥青混凝土路面结　上面层ｍ、Ｅ。　中面层ｈ２、Ｅ２　构力学特性，试图对含有地下管道的城市沥青混凝土　下面层如，蜀　路面结构的设计和施工提供更加完善的重要结论。　基层ｈ．，目　底基层ｈ５　Ｅ　ｌ岛　／ｆ黯　１有限元结构计算模型　１．１工程的有限元模型　路基局　＼　．　收稿日期：２０１０—１１—０４　Ｅ１０　基金项目：合肥市重点工程建设管理局科技项目（２００８—１６９）　作者简介：方诗圣（１９６２一），男，安徽岳西人。教授，博士，主　ｆＹ　要从事道路工程结构分析与计算机辅助设计、仿　真。Ｅ－ｍａｉｌ：ｆａｎｇｓｓ＠１２６．ｃｏｍ。　图１计算路面结构示意　・２・　路基工程　Ｓｕｂｇｒａｄｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１１年第６期（总第１５９期）　１．３建立模型　通过有限元软件ＡＹＳＹＳ，采用４节点ＰＬＡＮＥ４２　２．１路表弯沉　路表弯沉是在一定荷载作用下道路表面的竖向变　ｄ　日罨０、翳静僻｛ｌ薯　形，同时也是反映路面整体承载力高低和使用状况好　坏的最简单、最直观的指标，也在一定程度上反映了　路面各结构层及土基的力学性质。根据现行规范　的　要求，以轮隙中心的弯沉作路面整体抗变形能力的　指标。　单元进行计算分析，考虑汽车轮载，沟槽放坡　１：０．３３，考虑计算资源利用与实际情况，模型采用上　部密下部疏的布局，共划分９　０４１个单元。模型结合　实际工程中的边界条件、边界约束条件为：土基一定　深度的底面设有ｙ方向约束，左右两侧进行水平　方　向约束，平行于行车方向的面自由变形。　计算中采用我国高等级沥青路面典型的半刚性结　构，荷载为现行设计规范的标准双圆均布轴载　ＢＺＺ一１００的轮载　，集度ｑ＝０．７　ＭＰａ，荷载的半径　６＝０．１０６　５　ｍ，轮隙间距６＝０．１０６　５　ｍ，双轮中心距　离３　＝０．３１９　５　ｉｎ，等效线荷载１４９　ｋＮ／ｍ。　２计算结果与分析　对含有地下管道的城市道路沥青混凝土路面结构　２．１．１不同沟槽回弹模量对路面弯沉的影响　由于一些道路设计不合理或施工不密实的原因，　可采用提高回填材料的模量来降低其影响。根据对城　市道路的大量现场调查，选取具有典型代表之一的路　面埋深为１．０　ｍ、管径为０．５　ＩＴＩ的情况进行分析，结　果如图２所示。由图２（ａ）可知，随着基槽回填的　模量逐渐增大，路表弯沉也随之减小，当回填的模量　大致达到４００　ＭＰａ以上时，弯沉值及曲线斜率变化基　本可达到规范的弯沉指标要求。此外，从弯沉曲线的　变化曲率来说，这几条曲线的斜率最大的区域在　２．０—３．５　１１３范围，因此这个范围对路面的影响较大。　进行分析，了解面层、基层和底基层各自的应力状况　以及路面各层的应力特点　ｊ，有助于根据其应力特点　进行路面结构设计及考虑路面各结构层的主要技术要　求和材料设计。　通过现场路面病害调查，此种管道埋深与管径下的路　面也是出现病害频率较大的区域。　沿程距离『ｍ　（ａ）不同回弹模量下的路表弯沉　沿程距爵／ｍ　ｌ（ｂ）沟槽形式对路面弯沉的影响　图２回弹模量与沟槽形式对路面的弯沉影响曲线　２．１．２沟槽形式对路面弯沉的影响　图２（ｂ），由此分析得出，在同等条件下，不放坡沟　针对现有道路施工中，沟槽放坡形式的不同，　选取两种具有代表性的沟槽，即回填的沟槽是放坡　与不放坡。选取模型的管道埋深为１　ｍ，管径为１　ｍ，　回填土的模量为３００　ＭＰａ进行计算分析。结果见　７ｍ　１．０ｍ　２．０ｍ　４．０ｍ　６．０ｍ　槽的弯沉比放坡沟槽要大，靠近轮隙中心线附近曲线　的变化率也较放坡大。　２．１．３管道埋深对路面弯沉的影响　管道埋深对路面弯沉的影响如图３。　－４　．２　０　２　４　沿程距离／ｍ　（ａ）不同埋深管道的弯沉变化　沿程距离／ｍ　（ｂ）建议模量下不同埋深的弯沉　图３管道埋深不同的路面弯沉变化曲线　方诗圣，等：含有地下管道的沥青混凝土路面结构力学分析　・３・　模型参数中，路基模量仍为４０　ＭＰａ，回填按选　取现场路基实测的回填模量１００　ＭＰａ进行计算，便于　分析。而管道埋深分别选取０．７，１．０，２．０，４．０，　６．０　ｍ与无管情况下进行对比，由图３（ａ）分析可　到相当大的数值，在此应力反复作用下，道路结构层　有可能产生弯拉疲劳破坏。图４中，选取模型仍是在　埋深１　ｍ、管径１　ｍ的情况下，通过改变沟槽的回弹模　量，分别从４０，２００，４００，６００　ＭＰａ的模量变化下的道　路表面应力图看出，随着含有地下管道的沟槽回弹模　知：从０．７～６．０　ｍ的曲线逐渐趋于平缓，且路边两　端的弯沉也逐渐变大，而随着管道埋深的不断增加，　对路表弯沉影响减小，大致在埋深大于４．０　ｉｎ左右，　可不用考虑其对路面的影响。在无管的情况下，回填　与路基的模量一样，也没有沟槽的存在，所以在轮载　量的增加，其最大拉应力有不断减小趋势　。在正常　修建道路过程中，基于道路性价比的影响，采用回弹　模量为４００　ＭＰａ是较合理的。此组数据同时显示，在　２．０～３．５　ＩＴＩ范围内，应力值的变化斜率较大，也是路　作用下的弯沉影响比较大。　在图３（ｂ）中，选取回弹模量４００　ＭＰａ进行计　算结果显示，尽管埋深的管道存在，但最大弯沉与无　管已相对降低很多，均已达到设计规范的要求范围。　其中分别在０．７，１．０　ｍ时，随着回弹模量的增加弯　沉变化不明显，因此认为，一般在埋深小于０．７　ｍ的　地下构造物的道路均应采取相应的施工处理措施。　２．２路面结构层拉应力　２．２．１应力随回弹模量的变化　沥青路面在行车荷载作用下表面产生弯沉，使道　路的材料层产生弯拉应力（图４），此弯拉应力有时达　ｌＯＯＯｏｏ　Ｏ　＝＝＝■　、．．一　■＝＝＝　．１０００００　：４　。　。　￣蛊　－２ｏｏｏｏｏ　，毯　４＼．｛　１．４０１ＶｌＰａ　３’　　．２－３０００００　．２００ＭＰａ　２　’　３．，４００￣Ｐａ　４．６００ＭＰａ　．－４０００ＯＯ　ｌ　Ｕ　Ｉ　．５０ｏＯ００　沿程距离／ｍ　（ａ）不同模量下的路面应力　５０ｏ００　Ｏ　－５００００　ｊ四　．１ｏｏ０ｏ０　．１５Ｏ００Ｏ　．２伽Ｏ０ｏ　沿程距离／ｍ　（ｂ）各结构层应力　图４路面应力曲线　面病害出现频率较大的范围，如对回填材料进行处理　后，仍达不到设计规范的要求，应对此区域进行结构　处理，确保符合要求，满足道路的正常使用。　由图４（ｂ）可知：面层间的应力值相差不大，但　在基层的层与其他层有很大的变化，尤其是第四层底　在轮隙间出现拉应力的峰值，对路面的破坏有着重要　的诱因作用，而此时底基层的应力比较稳定，对路面　的影响不大。　２．２．２应力随沟槽形式变化　模型参见２．１．２的计算参数，通过对两种沟槽形　式对路表与应力最大层基层底部进行计算，结果如　图５。由图５可知，不放坡的沟槽在路表面处与基层　底部处的应力均高于放坡沟槽的应力。　应力线　应力线　力线　力线　－４　－２　０　２　４　沿程距离／ｍ　图５不同放坡形式下的路面应力　２．３路面结构层剪应力　沥青路面的剪切破坏主要是高温稳定性不足，在　荷载作用下产生永久变形和剪切位移，致使路面出现　车辙和拥包等剪切破坏，而对于路面的抗剪切能力还　有待于进一步深入研究。本文基于防治道路的差异沉　降，而采取改变道路路基的回弹模量防治措施，因此　对路基的回弹模量进行分析。　基于实际工程中的面层材料已定，通过道路基层　模量改变的曲线关系如图６，其他参数不变。当路基　的回弹模量增加时，其最大剪应力也在增加；当达到　４　０００　ＭＰａ时，剪应力的变化较小，增加至８　０００　ＭＰａ　时趋于稳定。因此路基回填的模量不宜过大，太大时　路基工程　Ｓｕｂｇｒａｄｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１１年第６期（总第１５９期）　其剪应力也随之增大，当其大于道路的最大容许剪应　（３）施工放坡的弯沉与应力值均低于不放坡，　力时，对道路的抗破坏极为不利　。但经模型计算，　若对路面层进行模量改变，其剪应力随模量增加反而　减小。　在其他条件大致相同的情况下，建议管道施工尽可能　采用放坡形式。　（４）道路地下管道的存在，对管道以及道路结　构产生一定的影响，随埋设高度的增加，对路基结构　影响趋小。当埋设深度大于４．０　ｎｌ，可按无管道进行。　本文仅对各层材料弹性模量、管道埋深及沟槽形　式对沥青路面结构性能的影响作了初步分析，详细结　果以及更准确的定量研究，应建立在完整的道路试验　基础上，对此有待今后详细讨论。　参考文献：　［１］薛连旭．小型构造物上沥青路面结构力学行为研究［Ｊ］．中外公路，　图６不同路基层回弹模量与最大剪应力关系　２００８，２８（５）：７４—７８．　［２］张士乔，王直民，黄亚东．控制性低强度材料（ＣＬａＭ）在管沟回填中　综上所述，根据道路使用的性价比分析，可采用　的应用［Ｊ］．中国给水排水．，２００６，２２（６）：８７—９１．　［３］Ｊｕｓｈｉｎ．Ｆ．Ｌｕｎｄｖａｌ　ａｎｄ　Ｊｏｈｎ．Ｐ　Ｔｕｒｎｅｒ．Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｏａｄ－ｗａｙ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ａｂｏｖｅ　ｂｕｒｉｅｄ　ｃｕｌｖｅｒｔｓ　ａｎｄ　ｐｉｐｅｓ［Ｒ］．　ＦＨＷＡ－ＷＹ－９７／０１（Ｆｉｎａｌ　Ｒｅｐｏｒｔ），１９９７．　增大道路的回弹模量，降低路基的模量的办法，可确　保道路的最大剪应力降到合理的范围内。　３结论　［４］郭兰英．道路水泥稳定碎石基层抗缩裂性能与防裂措施［Ｊ］．路基工　程，２００６（３）：１４４—１４５．　有限元模拟结果与实际工程进行相互验证，符合　工程实际。　（１）含有地下管道的城市道路中，沟槽的回弹　模量，建议从１００　ＭＰａ提高至４００　ＭＰａ，弯沉趋于　稳定。　［５］ＪＴＧＤ５０—２００６，沥青路面设计规范［Ｓ］．北京：人民交通出版社，　２００６：７—８．　［６］邓学钧，张登良．路基路面工程［Ｍ］．北京：人民交通出版社，　２００２．１００—１２０．　［７］刘大鹏，王婧．路基回弹模量对路面结构层受力的影响分析［Ｊ］．路　基工程，２００８（１）：１２３—１２４．　（２）应力变化最大梯度区域位于沟槽延长线至　面层外侧２．０～３．５　ｉｎ范围，也是含有地下管道的道　路频繁出现病害的区域，因此，在施工过程中应适当　［８］毕玉锋．沥青混合料抗剪试验方法及抗剪参数研究［Ｄ］．同济大学土　木工程学院，２００４．　［９］聂忆华，张起森．沥青路面沥青层剪应力分析与应用研究［Ｊ］．武汉　理工大学学报（交通科学与工程版），２００９，３３（２）：２５３—２５６．　处理，使路面结构层处于较有利的应力状态。　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ａｓｐｈａｌｔ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｐａｖｅｍｅｎｔ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗｉｔｈ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ＦＡＮＧ　Ｓｈｉ—ｓｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｌｉ，ＫＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｆａｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｇａｉｎｓｔ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｄｉｓｅａｓｅｓ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｒｏａｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ａｎａｌ￣　ｚｅ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒｓ　ｕｎｄｅｒ　ｍｏｄｕｌｕｓ　ｏｆ　ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ　ｏｆ　ｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ｂｕｒｉｅｄ　ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ａｎｄ　ｇｒｏｏｖｅ　ｆｏｒｍ．Ｔｈｕｓ　ｔｈｅ　ｆｏｒｃｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｏｎ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｉｓｅａｓｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｒｖｅｙｅｄ　ｐａｖｅｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｓｔｕｃｔｒｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｉｔｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ａｓｐｈａｌｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｐａｖｅｍｅｎｔ；ｍｏｄｕｌｕｓ　ｏｆ　ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ