土工格栅加筋含地下管道的路面结构分析

方诗圣， 李殿忠， 张 利， 洪 刚

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥市重点工程建设管理局，安徽 合肥 230001；3.中铁合肥建筑市政工程设计研究院有限公司，安徽 合肥 230041）

土工格栅加筋含地下管道的路面结构分析

方诗圣1， 李殿忠2， 张 利3， 洪 刚1

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥市重点工程建设管理局，安徽 合肥 230001；3.中铁合肥建筑市政工程设计研究院有限公司，安徽 合肥 230041）

针对现有含地下管道对沥青混凝土路面的病害现状调查，文章采取土工格栅加筋措施以降低地下管道对路面的破坏影响，应用有限元方法建立了含有土工格栅的道路结构层力学计算模型，对土工格栅在加筋道路中合理筋位与加筋层数对路面的影响效果进行对比分析，得出含地下管道路面结构受力分布规律以及土工格栅在处理含有地下管道的沥青路面的相关规律，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。

土工格栅；地下管道；沥青混凝土路面；有限元

本文基于国内外含有地下构造物道路的相关研究［1－3］以及沥青混凝土路面结构层中加铺土工格栅有关资料［4］的基础上，针对含有地下管道的城市道路路面病害影响严重的现状，将土工格栅铺设在含有地下管道的路面结构层中以防治路面危害，探索土工格栅加筋在含有地下管道的沥青混凝土路面结构层中作用机理，提出符合我国现有节能减排的环保策略的处治路面病害的措施，为在道路路面结构层铺设土工格栅的设计与施工提供理论参考。

1 计算模型

1.1 土体本构关系

弹塑性模型是土体本构模型中发展较完善的一类模型，而其代表之一是Coulomb模型，在土力学中能给出相对合理的答案，在实际的土工工程应用中也比较广泛，但其屈服面具有棱角奇异性，数值计算很难顺利进行下去。D－P（Drucker－Prager）准则是应用非常广泛的岩土材料准则，而且至今仍受到研究者们的关注［5］。它能有效克服库伦模型处理屈服面上具有棱角奇异性出现的弊端，材料常数的选择上也较易取得相应的匹配，因而在土力学中获得了更为广泛的应用。因此，本文的土体本构模型选用D－P模型作为土工格栅加筋含有地下管道的城市道路的力学结构非线性数值求解模型，在三维路面结构模型中，土体选取的是SOLID45。

1.2 本构关系和有限元模型

由于土工格栅材料具有强度高、模量大的优异特性，同时在受压状态时不起作用，但在受拉时发挥很大的功效，抗弯刚度为0的柔性加筋材料在做有限元分析时，采用薄膜Membrance41单元来模拟土工格栅，并且在其特性按钮中设置其只受拉。

本文利用ANSYS程序提供的接触单元来模拟土体和格栅接触界面上的非线性特性，由于格栅刚度远大于土体，故将格栅作为目标面，接触面上的土体作为接触面，通过定义相同的实常数将对应的接触单元和目标单元定义为一个接触对，实现对土体与格栅界面上的黏结、滑移、脱离、再闭和现象的模拟。在三维模拟中，目标面与接触面选用的单元分别为Targe170和Conta173或Conta174来形成一对接触对。本文的目标面与接触面分别选用Targe170单元、Conta174一对接触对来进行模拟，选择好单元类型后，有限元软件程序通过采用目标单元和接触单元相同的实常数号来识别接触对［6］，以最终实现对土体与土工格栅间一系列的模拟。

1.3 计算结构及材料参数

路基路面结构计算采用某道路设计断面如图1所示，路面各结构层的尺寸与参数如下：

上面层为细粒式密级配沥青混合料，厚h1＝4cm，回弹模量E1＝2 000MPa；中面层为中粒式密级配沥青混合料，h2＝5cm，E2＝1 800MPa；下面层为粗粒式密级配沥青混合料，h3＝6cm，E3＝1 400MPa；基层为二灰稳定碎石，h4＝30cm，E4＝1 500MPa；底基层为二灰土，h5＝25cm，E5＝500MPa；沟槽垫层土基厚度h0＝10cm，E0＝40MPa。E7为路基土的回弹模量，E8为回填材料的弹性模量。路面模型尺寸为：横坐标为10.0m，竖向坐标依据管道的管径与埋深的改变而变动。

图1 计算的路面结构示意图

1.4 建立模型

通过有限元软件AYSYS，土体采用8节点SOLID45单元，土工格栅采用三节点的 Membrance41进行计算模拟分析；考虑汽车轮载，沟槽放坡采用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，共计37 382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X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－100的轮载［7］，集度q＝0.7MPa，荷载的半径δ＝0.106 5m，轮隙间距δ＝0.106 5m，双轮中心距离3δ＝0.319 5m。

2 计算结果及分析

本文分析了土工格栅加筋在含有地下管道的城市道路沥青混凝土路面结构，探讨路表弯沉与面层、基层和底基层各自的应力状况以及路面各层的应力特点，目的是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。

2.1 未铺设土工格栅的路面弯沉结果分析

城市道路含地下主干管道的沥青路面结构的路表弯沉的计算涉及到地下管道沟槽填土抗压弹性模量、路基土的抗压弹性模量、地下管道埋置深度H及地下管道直径D4个参数。在该三维纵向计算过程中，取路基土的抗压弹性模量为40MPa，并取地下管道沟槽填土抗压弹性模量及地下管道埋置深度H作为变量，其余参数给定，计算结果如图2所示。

图2 路表弯沉随不同回填土抗压弹性模量的变化

埋深为1m的深度具有典型性，同时在实际路况中也比较普遍，因此进一步讨论土工格栅含有地下管道的路面结构的作用具有一定的代表性。由图2可知，路表弯沉曲线斜率在离管道中心1.0～3.5m时较大，但弯沉曲线斜率的变化量随回填土模量增加到200～400MPa时明显趋缓，当达到或超过此值时，道路的路表弯沉曲线趋于平缓。由此可知，当回填土模量小于400MPa时，路面可能因路基不均匀沉降而引起开裂，但是现实路况很难达到这一指标。从图2还可以看出，在离管道中心2.0～3.5m时曲线的变化梯度比较大，表示该区域为薄弱部位，因此地下管道的存在致使路面结构在该范围内易出现病害。

2.2 铺设土工格栅的路面结构受力分析

本实验路面结构采用前述路面结构，相关材料参数亦同，土工格栅的材料模量为6 700MPa，土工格栅加筋路面结构模型如图3所示。

图3 土工格栅加筋路面结构模型示意图

图3中虚线表示土工格栅可能铺设的位置，q＝0.7MPa表示车轮荷载。本文分别将土工格栅铺设在路基结构层的上、中、下、基层结构层下部进行分析［3］。

在含有地下管道的城市道路中，汽车荷载作用下，路面结构层中基层的下表面产生的拉应力最大，也是路面病害的诱导原因所在［8］，因此本文主要讨论土工格栅对路表弯沉、路面基层底部的拉应力的改善效果。

格栅铺设于不同的结构层中的路表弯沉曲线如图4所示，从图4可以看出，加筋的路面改善路表的弯沉效果不太明显，土工格栅铺于沥青层内任何层位，对表面沥青层的弯沉影响都是有限的，在上面层底部铺设的情况与众不同。这主要是由于路面汽车荷载作用在路面位置附近，载荷对路面的影响占据主导，而土工格栅在路面的影响表现相对较弱。

图4 格栅铺设于不同的结构层中的路表弯沉曲线

土工格栅铺于不同路面结构层下路基（沟槽回填部分）顶面沿X方向的应力分布，如图5所示。

图5 不同结构层下的路基基层底X方向应力

从图5可以看出，为了降低基层底部的最大拉应力，在下面层底或基层铺设土工格栅效果相对于其他结构层更好些。文献［9］对沟槽胸腔部位压实度规定：管道上部的压实度应低于管侧。所以，为了避免路面的荷载作用，使基层部位产生反射裂缝，影响到路面层表面，在含有地下管道的道路中，建议将土工格栅铺设于基层底，可有效地改善路面结构的受力情况，也可以防治因路基开裂引起的反射裂缝。

2.3 铺设土工格栅层数对路面加筋效果的影响

为了探讨土工格栅的加筋层数对路面结构受力的影响，路面结构参数与以上计算模型相同，该模型的路基回填模量取200MPa，在增加土工格栅时，基于满足施工的便利与实际情况需要，只对每层层底进行格栅的铺设，因此所有的格栅位置只考虑在层底的情况。

目前，对在路基中土工格栅正常铺设的加筋层数的影响分析中，选用4种加筋方式：① 加筋下面层底；② 加筋下面层与基层底；③ 加筋下面层、基层与中面层底部；④ 加筋下面层、基层、中面层底与上面层位置的底部。将其与未加筋的路面情况进行对比如图6所示。

图6 土工格栅铺设于不同的结构层基层底部弯沉曲线

从图6可以看出，加筋在下面层底部后，道路的弯沉与无格栅相比降低比较明显，可以降低7.1%，而随着加筋层数的增加，加筋下面层与基层底部为8.5%、加筋下面层、中面层与基层底为9.2%，加筋下面层、基层、中面层与上面层底为9.7%。由此可看出，改善路面弯沉效果并不随着层数增加相应提高；同时说明加筋层的位置越靠基层底部，加筋作用越明显；在基层底增加加筋层数后，主要是由于上部的格栅不能充分发挥其抗拉效果，从而造成对总的加筋效果影响变化不大。因此通过增加土工格栅的层数来减小路面弯沉、改善路面结构的方法并不是最佳方案。

不同的格栅铺设层数对路表层拉应力如图7所示，由图7可以看出，铺设格栅可以改善路面受力状况，但是如果格栅铺设不合理，反而不利，其次增加铺设格栅达到一定的层数后，路面的受力状况并没有相应地倍加改善，所以该方法并不是提高路面状况的理想选择。

图7 不同的格栅铺设层数对路表层拉应力

3 结束语

通过有限元软件ANSYS对路面进行建模，对土工格栅加筋含有地下管道的沥青路面多种工况进行分析研究，根据计算结果可得出如下结论：

（1）在含有地下管道的沥青混凝土路面，汽车荷载作用下，将土工格栅铺设在道路结构层任何一层，对中面层下的应力影响不大，但是当布置于下面层或基层底部时，均能明显降低沥青基层的最大拉应力，起到的效果显著。

（2）由于相关规范要求管顶的压实度需低于管侧，而将格栅布置于基层底部时只有降低此层最大拉应力，对其他层的作用发挥不大。建议将格栅铺设在下面层底部，从而可以使路面基层内部的拉应力区域逐渐趋于缓和，总体上使路面处于较为有利的状态。

（3）应力计算表明，应力变化最大梯度区域位于沟槽延长线至面层的外侧一定范围（2.0～3.5m），该区域也恰是含有地下管的道路频繁出现病害的区域，因此，需要对含有地下管道的城市道路在施工过程中进行适当的处理。这样可以将其应力进行分散，降低应力值，减小应力梯度的数值，使路面结构层处于较为有利的应力状态。

（4）土工格栅的位置与底基层距离接近时，可相对较早地抑制裂缝发展的效果。

（5）布置多层格栅在一定程度上减小弯沉与应力，但是并不随着层数的增加，效果相应地加倍，同时如果加筋层数铺设位置不合适，会起到相反的作用，基于道路设计的性价比与施工的便利，建议铺设1层即可。

本文对地下管道的存在对路面结构影响受力分布规律与范围以及土工格栅加筋道路结构的加筋层位与加筋层数对沥青路面结构性能的影响作了初步的分析，详细的结果以及更准确的定量研究应该建立在完整的道路试验基础上，对此有待今后详细讨论。

［1］方诗圣，李宏卓，李贺才.城市道路地下管道对沥青路面结构影响的力学分析［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2011，34（4）：561－564.

［2］郑俊杰，刘元林，陈艳芳.地下通道开挖对沥青路面影响分析［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2009，33（3）：434－437.

［3］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，2008，28（5）：74－78.

［4］杨维国.沥青路面加铺格栅加筋合理层位研究［D］.西安.长安大学，2008.

［5］孙豁然，王述红，宫永军.大型地下洞室开挖过程位移变形智能预测［J］.煤炭学报，2001，26（1）：45－48.

［6］毛坚强.接触问题的一种有限元计算方法及其在岩土工程中的应用［D］.成都：西南交通大学，2002.

［7］JTGD50－2006，沥青路面设计规范［S］.

［8］方诗圣，张 利，康小方.含有地下管道的沥青混凝土路面结构力学分析［J］.路基工程，2011（6）：1－4.

［9］GB 50268－2008，给水排水管道工程施工及验收规范［S］.

Analysis of geogrid－reinforced pavement structure with underground pipeline

FANG Shi－sheng1， LI Dian－zhong2， ZHANG Li3， HONG Gang1

（1.School of Civil and Hydraulic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Hefei Administrative Bureau of Key Engineering Project，Hefei 230001，China；3.China Railway Hefei Institute of Architectural and Municipal Engineering Design Co.，Ltd.，Hefei 230041，China）

Based on the investigation of deterioration status of the asphalt concrete pavement which contains underground pipeline，geogrid is used to reduce the destructive effect of underground pipeline on the pavement.By using the finite element method，a mechanical calculation model of pavement structural layer with geogrid is established and the effect of reasonable reinforcement placement and layer number of geogrid on the pavement is analyzed.The stress distribution law of the pavement structure with the underground pipeline is obtained，so is the law of the geogrid in treating the asphalt concrete pavement with underground pipeline.The study provides a theoretical reference for the structural design and on－site construction of asphalt concrete pavement and the improvement of structural performance of the pavement.

geogrid；underground pipeline；asphalt concrete pavement；finite element

TU416.217

A

1003－5060（2012）11－1528－05

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.11.021

2012－02－21

合肥市重点工程建设管理局科技资助项目（［2008］169）

方诗圣（1962－），男，安徽岳西人，博士，合肥工业大学教授，硕士生导师.

（责任编辑 闫杏丽）