路基加宽工程中刚性板的受力分析

刘 立 晶

(西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650224)

路基加宽工程中刚性板的受力分析

刘 立 晶

(西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650224)

结合曲陆高速公路改扩建路段的实际情况，运用FLAC3D软件，数值模拟了路基加宽过程中刚性板的变形与受力情况，得出了一些结论，为该公路改扩建施工的顺利进行提供了依据。

高速公路，路基，刚性板，应力

0 引言

我国早期修建的四车道高速公路，由于受当时经济及建设条件的限制，有的高速公路采用直接在路床上铺设连续配筋混凝土路面的方法进行建设，随着汽车保有量的大量增加，道路服务水平逐渐降低，道路出现饱和现象，改扩建在所难免[1-3]。

本文结合曲陆高速公路改扩建工程实例，讨论高速公路改扩建后刚性板位于距路床顶0.8 m位置时的受力与变形问题，并通过FLAC3D软件对曲陆高速某路段刚性板的变形及受力机理进行数值分析，对其进行研究。

1 路段概况与模型建立

现有老路于1999年10月建成通车，全长63.85 km，双向四车道高速公路，路基宽19.5 m，横断面形式为：2×(0.5 m土路肩+0.75 m硬路肩+2×3.75行车道)+2 m中间带，原有路面为28 cm厚的水泥混凝土路面(横向配筋量为φ16@160)。老路中央分隔带采用预制混凝土防撞墩，置放于老路路面上，因此老路路面混凝土面板宽：4×3.75(行车道)+2(分隔带)=16 m(4×4.25)。计算过程中刚性板分为4块4.25 m(横向宽)×5 m(纵向延伸长度)的连续配筋混凝土板块，将车辆荷载等效为10 kPa的均布荷载，模型纵向取1 m延伸长度，取模型的一半作为分析对象，模型竖向计算厚度与宽度取值见参考文献，计算断面如图1所示。

在FLAC3D软件中把刚性板设置为elastic本构模型，路基、地基、路面为Mohr-coulomb本构模型，考虑不同本构模型之间可相对错动，在刚性路面周围设置接触面；在刚性路面切缝部位，考虑可相互竖向错动而设置接触面，刚性路面水平方向能相互传递轴压力；由于横向钢筋设置在刚性板中心处，刚性板上下侧都能抗弯，抗弯高度h=14 cm。

路基及地基计算参数见表1。

表1 计算参数

2 刚性板变形与应力分析

2.1 竖向应力与竖向变形

刚性板因具有14 cm高的抗弯性能，且在协调变形的条件下，在刚性板外侧竖向沉降大的情况下，必将使内侧刚性板有向上翘曲的趋势，所以在图2中，单块刚性板的内侧出现竖向应力向上的情况，那么在此种变形条件下，使刚性板上下一定范围内的竖向应力传递过程产生影响。由图2可知，在刚性板的上下侧的竖向应力出现“拱”形的竖向应力传递方式，在刚性板上部的路面结构层中的竖向应力在刚性板中间传递的多，在刚性板下部则刚性板两端传递的竖向应力多，刚性板上下部竖向应力传递正好相反，竖向应力在单块刚性板平面内由中间往刚性板两侧转移，具有“拱”效应。刚性板发生竖向弯曲变形后，在刚性板的两端发生应力集中，且变形大的外侧竖向应力绝对值要大于变形小的内侧竖向应力绝对值。由于刚性板对刚性板的约束大于路基对刚性板的约束，所以表现出外侧刚性板竖向应力集中比内侧大。刚性板与刚性板接触面处部位两端竖向应力正负号相反，有上下错动的趋势，因此在施工过程中，应特别注意内两块刚性板上部的回填，应从老路中间往外侧均匀回填，以免刚性板发生翘曲。

由于不同本构模型之间变形方式的差异，当刚性板位于路床结构层中时，刚性板承受28.5 kPa作用下的均布荷载，如图3所示，在协调变形的条件下，2块刚性板为“抛物线”形状的沉降变形，中间小两侧大。分析图3可知，分块刚性板之间未出现竖向相对错动，2块4.25 m×5 m的刚性板在竖向变形上表现出整块刚性板的变形模式。

刚性混凝土路面经过多年运营，尽管有维修养护，但是对于刚性板破坏严重的路段与施工过程损毁路段，老路面的属性已不具有抗弯能力，所以计算模拟不考虑刚性板的抗弯能力，把刚性板设置成普通路床模型。

由图3所示的路基变形可知，由于壳单元的存在增大了老路的整体性，老路的沉降变形增大，在新老路基协同变形条件下，加宽路基的沉降变形也因老路的沉降增大而增大，因此刚性板的存在增大了路基的沉降。在老路面破坏严重路段，只需把老路面按普通路床设计，满足路床要求后，可直接在其上铺设路面结构层。

2.2 水平应力与水平变形

在弯曲变形的条件下，在刚性板变形大的两端，由于较大的变形，在刚性板平面内出现压应力集中现象，由于28 cm厚的刚性板在水平方向上能较好的相互传递压应力，如图4所示，刚性板的水平压应力在老路中心处达到极值。

刚性板的水平变形与刚性板的水平应力相互联系，刚性板的水平位移指向老路中心，由于混凝土刚性板的抗压能力强，如图5所示，刚性板的水平位移量微乎其微，因此刚性板水平向的错动可忽略不计。

综上所述，位于路床部位的刚性板为受弯构件，刚性板的配筋率为0.9%，在抛物线形的协调变形条件下，刚性板在变形大的部位钢筋受拉屈服出现适筋破坏，随即刚性板的有效长度减小，从而使变形小的部位应力得以释放，直至新的平衡状态下，变形大的部位钢筋再次受拉屈服，如此循环直至变形达到稳定。刚性板的破坏过程是由外向内的适筋破坏。

3 结语

1)刚性板的存在增加了路基的沉降；由于刚性板的抗弯属性，在刚性板两端有明显的竖向应力，老路中心有明显的水平应力集中；在竖向应力传递过程中，刚性板的上下部一定范围内的竖向应力呈“拱”形传递，水平向应力受压。

2)在有刚性板的施工过程中应由老路中心往外铺设，以免老路中心处的附加应力过大使刚性板发生翘曲导致上部填料受拉开裂。

3)刚性板的破坏过程为由外向内的钢筋受拉屈服的适筋破坏。

[1] 刘金龙，张 勇，陈陆望，等.高速公路拓宽工程中填筑材料对新老路堤变形特性的影响[J].中南大学学报(自然科学版)，2013，44(2)：727-733.

[2] 黄琴龙，凌建明，唐伯明，等.旧路拓宽工程的病害特征和机理[J].同济大学学报(自然科学版)，2004，32(2)：197-201.

[3] 朱 玉.旧水泥混凝土路面薄层沥青混凝土加铺技术研究[D].南京：东南大学硕士学位论文，2010.

Stress analysis of rigid plates in subgrade widening engineering

Liu Lijing

(CollegeofCivilEngineering,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China)

Combining with the reconstruction and expansion section along Qujing-Luliang Expressway, the paper adopts FLAC3Dsoftware, undertakes the numeric simulation for the deformation and stress of the rigid plates during the roadbed widening process, and achieves some conclusion, so as to provide some reference for the smoothness of the reconstruction and expansion of the road.

expressway, roadbed, rigid plate, stress

1009-6825(2017)03-0129-03

2016-11-11

刘立晶(1992- )，男，在读硕士

U416.1

A