路基差异沉降对路面平整度的影响分析

邓 然

(广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200)

0 引言

近些年来,随着我国交通工程建设不断推进,高速公路的总里程数迅速增加,其覆盖范围得到了巨大的改善。沥青路面因其具有较高的整体强度、低振动、良好的稳定性等优点,在我国得到了广泛的应用。但沥青路面的平整度问题随着高速公路里程的增加变得更加明显,导致高速公路常常达不到其预期的使用寿命。沥青路面的不平整原因通常被认为是路基不均匀沉降、沥青混合料质量不良、施工工艺存在问题以及长期的车辆荷载与日照、降雨等外界环境因素的共同作用导致的[1]。

目前国内外学者对沥青路面平整度的影响因素研究取得了较多的成果。张晓等[2]通过对沥青路面施工的分析,在进行影响路面平整度的施工工序中提出相应的施工措施。李倩等[3]建立了一个考虑车-路相互作用的路面平整度劣化模型,分析了路面平整度的劣化机理。蒋应军等[4]研究了摊铺工艺和结构层厚度对路面疲劳性能的影响。王维敏[5]对公路桥梁过渡段路面压实度的变异性与施工控制技术进行了研究,对压实度的影响因素进行分析,针对各影响因素提出了相应的施工控制措施。陈闯[6]利用ABAQUS软件建模分析,研究路面对路基差异沉降量的承受能力,提出合理的路基差异沉降控制标准。孙瑞等[7]利用ANSYS软件建立了模型,分析了路基不均匀沉降对路面结构最大弯拉应力的影响规律。崔冀龙[8]通过对加宽路基沉降变形特性的分析,提出在施工过程中降低不均匀沉降对半刚性沥青路面影响的工程措施。孙彩云[9]借助ANSYS软件建立了某扩宽路基的有限元模型,分析了发生不同差异沉降后,路面结构不同位置附加应力的变化情况。周玉[10]从施工角度分析了影响沥青路面平整度的原因,主要包括路基沉降、混合料质量、拌和、摊铺和碾压工艺、碾压机械等。

本文通过ABAQUS软件进行数值模拟,分析了路基差异沉降对路面平整度的影响,最后提出了相应的工程措施,为高速公路沥青路面施工提供方法借鉴。

1 路面平整度概述

1.1 路面平整度基本概念

沥青路面除非有明显的损坏或坑洞,其表面在横向和纵向基本是平稳不变的。但在实际情况中,路表面在纵向和横向上都存在一定程度的高低起伏,如图1所示。

由图1可知,路面在横向上的高低起伏通常被称为车辙,而在纵向上的高低起伏通常被描述为平整度。考虑到车辆行驶方向是沿着道路纵向的,因此路面平整度对于车辆行驶过程中乘客的舒适性有较大影响。我国的相关规范定义路面平整度为:路表面纵向凹凸量的偏差值。在目前的研究中,道路纵向变形是路面平整度的主要研究对象。

1.2 路基差异沉降对路面平整度的影响

路基是道路结构的基础,路基的平整度在很大程度上影响着沥青路面平整度,路基的差异沉降和其他导致路基不平整的因素会通过道路的各个结构层逐步映射到沥青路面表层,进而影响沥青路面的平整度。因此,路基的平整度是影响沥青路面平整度的首要因素。根据现有的沥青路面施工经验,当路基因不均匀沉降等因素出现不平整现象,沥青路面在很大概率上会出现开裂或沉陷。当沥青路面出现不平整现象后,路面的破坏往往迅速恶化,以至于出现重大损失。因此,保证路基具有满足工程要求的平整度、强度、刚度以及稳定性,对于保证路面平整度有重要意义。

路基的差异沉降对路面平整度的影响更多出现在公路的改扩建工程中,新老路基的差异沉降是影响路面平整度工程质量最主要的因素之一,正确认识其产生原因,计算新老路基差异沉降的大小,是控制差异沉降的前提。根据已有的研究,导致新老路基差异沉降的原因主要有3个,即新老路基之间的自身变形差异,新老路基的基础固结程度差异以及新老路基之间的结合强度不足。

(1)新老路基的自身变形差异。在最初高速公路设计与修建过程中,一般并不会考虑后期可能进行的高速公路改扩建工程,因此大多数老路在进行扩宽时,新路基的填土压实度往往会达不到要求,从而导致在运营过程中产生较大变形。而对于老路基来说,因长期承受自重以及车辆荷载,其变形相对于新路基非常小,新老路基之间的变形差异会导致路基整体发生不均匀沉降。

(2)新老路基的固结和沉降差异。当路基土为软土时,老路基的固结度比新路基高很多,新路基的扩宽会产生新的附加应力,从而导致沉降比老路基大很多,产生路基的不均匀沉降。

(3)扩建路基结合强度不足。新路基与老路基的物理力学性质不一致,当二者共同受力时会发生变形,当新老路基交接处的结合强度不足时,新路基就会沿接触面发生下滑,导致路基的不均匀沉降,甚至发生路基的整体破坏。

2 路基差异沉降对路面平整度影响的数值模拟分析

2.1 数值模型的建立

本文依托某高速公路改扩建工程进行相关的数值计算研究,主要研究改扩建工程中新老路基的差异沉降对新老路面平整度的影响。本文使用ABAQUS软件建立路基路面组合模型,以施加位移荷载的形式来模拟路基差异沉降,分析路面结构受力、位移情况,以确定路基差异沉降对路面平整度的影响。

ABAQUS作为应用相当广泛的通用有限元软件,在处理岩土工程问题时同样具有很明显的优势,比如软件可以提供大量岩土材料常用的本构模型,还可以进行包括温度场、渗流场等的多场耦合计算,软件的交互性与很多软件相比更好,操作较为简便等。其工作流程如图2所示。

为研究新旧路基差异沉降对路面的影响,采用控制变量法,即变量为新旧路基差异沉降量的数值,其他参数保持不变。建立计算模型为高速公路双侧对称拓宽模型,旧路为双向四车道,路面宽度为28 m,拓宽后路面宽度为42 m,考虑到该路的拓宽方式为双侧对称拓宽,因此可在保证其符合工程实际情况的基础上尽可能简化其计算模型。本文考虑取一半的道路结构为分析对象,根据沥青路面平整无接缝的特点,把新旧路面面层看作一个整体。建立计算模型如图3所示。

图3 计算模型图

模型自上而下分别为高度为18 cm的面层、厚度为36 cm的基层、厚度为20 cm的底基层、厚度为30 cm的上路床。参数取值如表1所示。

表1 计算力学参数取值表

本节所取变量为新旧路基差异沉降量,其他参数保持不变,模型计算时忽略路基的整体沉降影响,仅考虑差异沉降量,具体取值如下页表2所示。

表2 新老路基差异沉降量取值表

在路面施加10 kPa的均布荷载模拟车辆荷载,网格划分后的模型如下页图4所示。

图4 模型网格划分示意图

2.2 数值模拟结果分析

根据数值计算的结果,可将新老路基之间的差异沉降量对路面的影响大致分为4个阶段。

第一阶段差异沉降量为1～5 cm。差异沉降量为5 cm时路面结构受力云图如图5(a)所示,此时差异沉降量值较小,虽对路面产生了一定影响,但基本可以忽略不计,此时基层底面的最大应力达到了其抗弯强度,基层底面逐渐开始屈服,路面平整度所受影响较小。

(a)差异沉降量5 cm

第二阶段差异沉降量为7～13 cm。差异沉降量为13 cm时路面结构受力云图如图5(b)所示,此时基层的屈服逐渐加重,屈服面积逐渐扩大,基层在拼接缝位置已经出现了大面积屈服现象,基层的顶面和底面均出现了较大面积的屈服,基层的顶面和底面最大应力均达到了基层材料的抗弯强度,基层底面和路基顶面在道路尾部的脱空现象已经发展得较为明显,此时路基的差异沉降对路面平整度产生了一定影响。

第三阶段差异沉降量为15～25 cm。差异沉降量为25 cm时路面结构受力云图如图5(c)所示,此时基层的屈服面积逐渐扩大,基层底部和路基顶面之间的脱空由道路尾部向中线位置逐渐扩展,新老路基的差异沉降对路面的影响已经较为严重,路面出现开裂现象。

第四阶段差异沉降量为25～30 cm。差异沉降量为30 cm时路面结构受力云图如图5(d)所示,当差异沉降量>25 cm时,拓宽部分的路基和路面之间已经出现了大面积的脱空,路基对路面的支撑作用大大减弱,此时随着差异沉降量的增大,路面的受力情况逐渐保持稳定。

监测不同差异沉降量工况下路面的最大应力,如图6所示。

图6 路面最大应力值随差异沉降变化曲线图

如图6所示,随着差异沉降量的增大,路面的最大应力也在不断增大,当差异沉降>20 cm时,路面的最大应力的增长趋势开始逐渐减缓,当差异沉降>25 cm时,路面的最大应力几乎不再继续增长。结合图5所示的结构受力云图可知,出现该现象的原因是当差异沉降量到达25 cm后,基层地面和路基顶面之间已经出现大范围的脱空现象,路基对路面的支撑作用大大减弱,此时随着差异沉降量的增大,路面的受力情况逐渐保持稳定。可以通过路面的最大应力作为描述路面形变的指标,进一步描述路基差异沉降对路面平整性的影响,即随着差异沉降逐渐增大,对路面平整性的影响也逐渐增大,当差异沉降达到某个值时,随着差异沉降量的增大,对路面平整性的影响逐渐保持稳定。

3 沥青路面平整度的施工控制措施

根据前文的分析,提出减小路基差异沉降的控制措施。

(1)在填筑路基前完成清理工作。将用地范围内的包括垃圾以及植物根等各种污染物全部清理干净。通过全面碾压的施工方法,使路基用地达到规定的压实度。还可以采用挖掘机将表层土壤全部清除,再填入至少30 cm的无腐殖土,分层压实。路基压实是保证路基正常工作的重要基础,路堑、路堤以及基底都需要进行压实,其主要目的是减小孔隙比,提高路基土体的密实度,增加粘聚力,减少路基的沉降。路基的压实本质上是破坏土体原有结构,使土颗粒重新排列分布,达到更加密实的新的平衡。此时,土体强度得到了很大提高,也大大减小了路基服役期间的沉降量。

(2)处理半挖半填路基。当半挖半填路基连接位置对应的横向坡度>l∶5但<1∶1.25时,应从填方坡脚位置设置2%～4%的内侧倾斜坡,以防止下方路基滑动对上方路面产生影响;当半挖半填路基连接位置对应的横向坡度>1∶1.25时,应对路基边坡的稳定性进行检算,当边坡安全系数<1.25时,需对该边坡设置支挡结构。在处理半挖半填路基时还需注意:当挖方区域的地质组成主要为土质时,挖方超过80 cm后应填补透水材料,同时铺设土工格栅,通过φ10 mm锚固钉对土工格栅加固,锚固钉的锚固长度≥30 cm。在存在地面水汇流的路段,须在施工前完成排水工作,常用的排水方法为开挖排水沟。

(3)选择优质的路基填料。路基填料的质量对于路基长期服役性能的影响较大,级配良好的砾石混合料、粗砂质粉土、轻粉质黏土等具有较好的物理力学性质,其强度较高、水稳定性较好,属于优质的路基填料,在实际工程中可以优先选择,不允许使用淤泥土或含腐殖土的有机土。我国规范中对于液限超过50、塑性指数超过26的路基填料的使用做出了明确规定,即在使用该种填料时,必须对其采取翻晒或添加如石灰等材料稳定剂等措施进行改良,在检查合格后才可使用。

(4)对特殊地基采取处理措施。当用地范围中包含软土地基或其他特殊土地基时,在填筑路基前必须采取必要的地基处理手段。当淤泥或软土层厚度较小时可以采取砂砾垫层或者换填的方法;在软土地基情况复杂的地段,主要考虑通过碎石桩、CFG桩等复合地基或者强夯法对地基进行处理。

4 结语

本文通过ABAQUS软件进行数值模拟,分析了路基差异沉降对路面平整度的影响,最后提出了相应的工程措施,主要结论如下:

(1)路基的差异沉降和其他导致路基不平整的因素会通过道路的各个结构层逐步映射到沥青路面表层,进而影响沥青路面的平整度。路基的平整度是影响沥青路面平整度的首要因素。路基的差异沉降对路面平整度的影响更多出现在公路的改扩建工程中。导致新老路基差异沉降的原因主要有3个,即新老路基之间的自身变形差异,新老路基的基础固结程度差异以及新老路基之间的结合强度不足。

(2)根据ABAQUS数值计算结果,可将新老路基之间的差异沉降量对路面的影响大致分为4个阶段。随着差异沉降量的增大,路面的最大应力也在不断增大。可通过路面的最大应力作为描述路面形变的指标,进一步描述路基差异沉降对路面平整性的影响,即随着差异沉降逐渐增大,对路面平整性的影响也逐渐增大,当差异沉降达到某个值时,随着差异沉降量的增大,对路面平整性的影响逐渐保持稳定。

(3)重点从减少路基差异沉降的角度提高路面平整度。减小路基差异沉降的主要方法包括:在填筑路基前完成清理工作;采用合理的方式处理半挖半填路基;选择优质的路基填料;对特殊地基采取处理措施。