可调式检查井联合卸荷板在沥青路面中的应用

黄海松，柳　林，杨永亮，段腾腾

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）



可调式检查井联合卸荷板在沥青路面中的应用

黄海松，柳林，杨永亮，段腾腾

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

摘要：检查井井周沉陷问题一直影响着城市道路的使用功能和使用寿命。文章从检查井井周设计、施工、井盖设施的角度出发，提出沥青路面采用自调式检查井联合圆形卸荷板的新思路，并利用有限元软件对交通荷载作用下卸荷板的力学响应规律进行分析，以期类似工程设计与施工提供参考。

关键词：城市道路；可调式检查井；卸荷板；力学响应

管线综合是城市道路设计有别于公路设计的显著特点之一。在《城市道路路基设计规范》强条（第3.0.7条）中规定“快速路的机动车道内严禁设置管道检查井［1］”，但在其他等级城市道路的辅道上或交叉口范围内，不可避免地存在各类检查井，尤其是在老路改扩建中，难以完全将管线布设在机动车道范围之外。无论新建还是提升改造后的检查井，在车辆荷载作用下其周围极易出现不同程度的沉陷、环状裂缝甚至设施破损等病害，特别是位于行车轨迹线内的检查井，这类病害大大降低了路面路用性能，也降低了城市生活品质。目前国内现行的行业规范并未对检查井井周的精细化设计的做出相关规定，因此有必要针对城市道路检查井局部范围内进行特殊设计。

本文在相关的研究成果的基础上［2-5］，综合考虑施工的便捷性、井盖设施的选择，从检查井井周的设计角度出发，提出沥青路面可调式检查井联合圆形承载板的新思路。

1　病害原因分析及处治对策

检查井井周沥青病害（破损、沉陷等）是普遍存在的一种道路质量通病，其内在机理与桥头台后沉降相似，即检查井与路面结构之间存在刚度差异。在外部环境（如交通动荷载增加、降水等）的影响下，刚度差的存在导致相关病害进一步加剧，具体表现为井盖边缘沥青破碎、检查井井盖破损、检查井内部结构破坏等。

引起井周沥青面层损坏的原因较为复杂，具体分析如下：（1)在设计方面，沥青混凝土路面设计的控制指标以静态荷载作用下路面弯沉和各层层底的抗拉应力为主，未考虑交通动荷载（特别是城市道路的特殊性，如城-A汽车轴载大，行车时速较低等因素）作用下沥青路面的疲劳损坏以及井周回填土沉陷等问题；（2)在施工方面，因施工工艺的局限难以确保检查井与沥青面层保持较为完好的衔接，即高程一致，平整度较高。在交通荷载（特别是动荷载）反复作用下，沥青混合料的各项指标受到不同程度的影响，加剧了沥青路面的病害；（3)在井盖设施方面，井框结构设计（是否具有大边框防沉）、井盖防盗铰链的位置（是否易产生应力集中）等因素都将导致沥青路面病害的发生。

可调式防沉井盖通过支座法兰面将荷载压力分散到道路的结构层，窨井负荷减少80%以上［6］，同时井框的法兰面亦对井周的沥青混凝土路面起到较好的保护作用。由于可调式防沉井盖与井体间采用承插式连接方式，在施工上可做到井盖与沥青面层统一摊铺，确保了井周沥青与井盖的平整度，从而大幅度降低车辆动荷载对井周沥青路面的影响，减少了沥青与井盖结合处的最大拉应力（降低沥青疲劳破坏的概率）。此外，也极大降低了由车辆水平制动力所引起的沥青路面剪切应力，避免了沥青病害的产生。

实践证明［6］，可调式防沉降井盖与周围沥青路面结合较好，虽然井周仍然存在一定程度的沥青变形，但与未改造的井盖相比，改善效果显著。

由于上述井周沥青仍存在一定程度的变形问题，利用荷载应力传递规律，通过设置不同形状卸荷板的方式，进一步分析在交通荷载作用下井周沥青和卸荷板的荷载响应规律，从而实现检查井井周的精细化设计。

2　有限元分析

2.1模型建立

建立有限元模型对井盖进行受力分析，基本假设如下：

（1）井盖为可调式防沉，井框结构为大边框且与井周沥青平稳衔接；

（2）模型采用8节点6面体实体单元（C3D8R）；

（3）垫层、回填土、土体均采用库仑摩尔本构关系；其余材料则按弹性分析考虑；

（4）模型底部均为固定约束，四周则水平约束；

（5）采用城—A级交通荷载，其中车辆通过检查井的周期为1.3 s，且公式为F（t）=110-10cos（29.09 t）［5］。

模型由井盖、井筒、卸荷板、沥青混凝土面层、基础、垫层、路基、回填土层构成，模型范围、三维网格图、具体模型材料物理力学参数见图1、图2和表1。

2.2结果分析

构建4种不同模型，第1个模型为采用传统井圈的检查井模型（此处称为“无卸荷板”模型），其余3个模型则保持原有井圈位置不变，通过设置不同形状卸荷板的方式取代传统井圈模型；第2个模型卸荷板为R=2.5 m的圆形；第3个模型卸荷板为2.5 m×2.5 m的正方形；第4个模型卸荷板为外接于R=2.5 m圆形的正六边形。依次计算沥青路面应力、应变情况和卸荷板应力情况，结果见图3~图5。

图1　三维模型范围及检查井细部结构

图2　模型三维网格图

表1　材料的物理力学参数

图3　不同形状卸荷板的材料应力曲线

由图3~图5可知：（1)在同种交通荷载作用下，无论是井周沥青混凝土路面的最大应力、应变值，还是井圈或卸荷板最大应力值，传统井圈检查井（无卸荷板）都是最大的，而其余3种兼俱井圈功能的卸荷板所承受的应力、应变值则大幅度降低；（2)因卸荷板的分担作用，井周沥青混凝土面层所承受的最大应力、应变值大幅度减小；（3)较正方形卸荷板模型，圆形或正六边形卸荷板的井周沥青混凝土路面最大应力值较小，说明圆形或正六边形卸荷板更能有效地分担交通荷载所产生的应力。此外，根据早期采用正方形卸荷板改造检查井的实践经验，在长期交通荷载作用下，正方形卸荷板边缘处易产生局部应力集中，产生反射裂缝，因此综合卸荷板施筑的便捷性，采用圆形卸荷板较为合适。（4)由于卸荷板与井盖支座衔接边缘范围内易产生应力集中，此处卸荷板配筋设计应加密钢筋。

图4　不同形状卸荷板的沥青应变曲线

图5　模型Mises图

3　方案设计

基于前文的分析结果，建议新建检查井局部范围内采用如下设计方案：井盖为可调防沉式，设置有R=2.5 m圆形的钢筋混凝土（C25~C30）卸荷板，并沿着圆形卸荷板边铺设1 m宽的聚酯玻纤布，同时在基层下部井圈四周回填中粗砂（截面尺寸0.50 cm×0.50 cm），具体见图6。

图6　方案设计图（单位：cm）

4　结语

本对现状检查井井周沥青混凝土路面损坏原因进行分析，从检查井井周的局部设计的角度出发，提出沥青路面采用可调式检查井联合圆形承载板的新思路。通过模型的计算分析，得出如下结论：

（1）与传统井圈的检查井相比，兼俱井圈功能的卸荷板能较好地分担交通荷载作用下井周沥青混凝土路面的应力。

（2）与正方形和正六边形卸荷板相比，圆形卸荷板分担应力的效果较明显。

（3）尽管建设期投资可调式防沉检查井和圆形卸荷板的井周设计方案比传统井圈检查井高，但从减少井周沥青路面病害，延长路用性能，降低后期维护等方面综合考虑，仍值得大力推广。

参考文献

［1］CJJ 194—2013城市道路路基设计规范［S］．

［2］周华飞，蒋建群，毛根海．路面不平整引起的车辆动荷载分［1］析［J］． 中国市政工程，2002（3）：10-13.

［3］袁美俊，纪小平，邢钦玉，等．车辆动荷载下沥青路面力学［1］响应分析［J］． 华东交通大学学报，2009，12（6）：21-25.

［4］徐国军．车辆动荷载对沥青路面破坏作用的研究［D］．西［1］安：长安大学， 2006.

［5］饶勤波．交通荷载下检查井受力变形研究［D］．杭州：浙江［1］大学，2010.

［6］郭涛，胡勇宾，王进．城市检查井防护设施建设研究［J］． 福［1］建建筑，2015（3）：37-39.

Application of Self-adjusting Manholes with Bearing Plate in Asphalt Pavement

Huang Haisong， Liu Ling， Yang Yongliang， Duan Tengteng
（JSTI Group， Nanjing 210017， China）

Abstract:The settlement of pavement around manhole has affected the function and service life of urban roads. From considerations in the design and construction around manholes， covers facilities， new ideas about asphalt pavement self-adjusting manholes with circular bearing plate are proposed. Meanwhile， using finite element software the mechanics response in case of traffic loads of bearing plate is analyzed， which could provide reference for similar engineering design and construction.

Key words:urban road； self-adjusting manhole； bearing plate； mechanics response

中图分类号：U417.9

文献标识码：A

文章编号：1672–9889（2016）03–0024–03

收稿日期：（2015-08-10）

作者简介：黄海松（1980-），男，江西崇义人，高级工程师，主要从事道路、软基处理、隧道方面的设计与研究工作。