路基不均匀沉降对沥青混凝土路面结构影响数值分析.pdf

第 3 7卷 ， 第 5期 2 0 1 2年 1 0月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i ng Vo 1 3 7No 5 Oc t， 2 0 1 2 路基不均匀沉 降对沥青混凝土路面结构 影响数值分析 黄永强 ， 李海波 ，马兴峰 ， 王 咂 ， 李 强。 ( 1 湖南省交通科学 研究院 ， 湖南 长沙4 1 0 0 1 5 ； 2 衡桂高速公路建设开发有 限公 司，湖南 衡阳4 2 1 0 0 1 ； 3 中南大学 ， 湖南 长沙4 1 0 0 7 5 ) 摘要针对路基不均匀沉降条件下路面结构破坏机理难以解析的现状 ， 引入数值分析 方法 ， 建立 了沥青混 凝土路面结构对路基 横向不均匀沉降力学 响应 的有 限元模 型 ， 重 点针对 路基两侧 沉降 、 一侧沉 降和 中心 沉降 3种 不均匀沉 降形式进 行分析 ， 主要研究不均匀沉降量及路面结构参数对路面结构破坏的影响。 关键 词】路基 ；不均 匀沉 降；沥青混凝土路面 ； 数值分析 【 中图分类号U 4 1 6 2 2 文献标识码 】A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 3 4 0 7 Nu m e r i c a l Ana l y s i s o n I n flu e n c e o f S u bg r a d e Un e v e n S e t t l e me n t o n Pa v e me n t S t r u c t ur e o f As p ha l t Co n c r e t e HUAN G Yo n g q i a n g ， L I Ha i b o ， M A Xi n g f e n g ，W A NG Xu a n ， L I Qi a n g ( 1 H u n a n C o m mu n i c a t i o n R e s e a r c h e r I n s t i t u t e ，C h a n g s h a ， Hu n a n 4 1 0 0 1 5 ，C h i n a ； 2 Hu n a n H e n g g u i Ex p r e s s wa y Co n s t r u c t i o n a n d De v e l o p me n t Co L t d，He n g y a n g，Hu n a n 4 21 00 1，Ch i n a；3Ce n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ，C h a n g s h a ， Hu n a n 4 1 0 0 7 5 ，C h i n a ) Ab s t r a c t T h e f i n i t e e l e m e n t m o d e l o f m e c h a n i c a l r e s p o n s e f o r t h e d i f f e r e n t i a l s e t t l e m e n t o f a s p h a h c o n c r e t e p a v e me nt s t r u c t ur e wa s e s t a bl i s h e d by n u me r i c a l a n a l y s i s me t h o d i n a l l us i o n t o e x p l a i n t h e s i t u a t i o n t h a t t h e f a i l u r e me c h a n i s m o f b e d d i f f e r e n t i a l s e t t l e me n t wh i c h wa s h a r d t o e x p l a i n，a n d t h e s e t t l e me n t mo d e s we r e a n a l y z e d i n p o i n t f o r b o t h s i d e s o f b e d，t h e s i d e o f b e d a n d t h e c e n t e r ，d i f f e r e n t u n e y e n s e t t l e me n t a nd b e d p a r a me t e r s we r e r e s e a r c h e d a s t h e pr i ma r y i n fl ue n c e f a c t o r s t o e x p l a i n b r e a k a g e o f pa v e me n t s t r u c t u r e Ke y w o r d s s u b g r a d e ； u n e v e n s e t t l e m e n t ；p a v e m e n t s t r u c t u r e o f a s p h a l t c o n c r e t e ； n u me r i c a l a n a l y s i s 0 引言 路基填筑过程中及工后所产生的不均匀沉降是 路面结构破坏的主要原 因之一 ， 由于路基的不均 匀沉降将对路面结构层产生附加应力， 使路面结构 产生裂缝 ， 容 易引起路 面结构 的早期破坏 。基 于路基不均匀沉降产生机理的复杂性 ， 通过理论解 析预估不均匀沉降对路面结构 的影响非常困难 ， 而 利用数值计算方法和软件平台模拟不均匀沉降条件 下路面结构层 的破坏效果 明显 ， 其结论能够有效 指 导路基的填筑及后期维护 。 1 数值分析模型的建立 本文采用大型的有限元分析软件 A N S Y S软件 建立有限元模型， 并进行结构分析。 1 1模 型 几何 尺 寸 路面结构是一种多层体系 ， 对于多层体系应力 应变的分析通常假定路面结构各层厚度均为有 限， 水平方向为无限。采用有限元方法对路面结构进行 分析时， 并不需要取其无限大尺寸的结构 ， 实际处理 这类问题时， 通常的做法为： 在保证计算精度的前提 下， 对结构取其有 限尺寸 。本文所取 的路面结 收稿 日期2 0 1 2 0 4 2 6 基金项 目】 湖南省交通科技项 目( 2 0 0 3 l 4 ) 作者简 介黄永强 ( 1 9 6 6 一) 男 湖 南长沙人 ， 博士 高级工程师 ， 主要从事公路 工程研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 黄永强 ， 等 ： 路基 不均匀沉降对沥青混凝土路面结构影 响数值分析 3 5 构尺寸为 ： 路面结构左右两幅宽度分别取 1 0 m， 中 央分隔带的宽度为 2 m， 纵 向长度取为 2 5 m。根据 对称性取半 幅路面结构进行建模 ， 得到 的路面结构 概 化模 型 如 图 1所示 。 沥青混凝土路面结构有限元模型中面层厚度取 1 8 c m， 基层厚度 取 2 0 c m， 垫层厚度 取 2 0 c m； 水泥 混凝土路面结构有限元模型中面层取 2 5 c m厚混凝 土面板 ， 基层为 2 0 c m厚 6 水泥稳定碎石 ， 垫层为 2 0 c m 厚 4 的水 泥稳 定 碎石 。 圄 1模型几何 尺寸 图( 单位： m m ) Fi g u r e 1 d i me n s i o n a l d r a wi n g o f mo d e l 1 2 材料参数 有限元模 型中的材 料参数见表 1 。面层、 基层 和垫层的材料参数取 自于设计资料。 表 1 沥青 混凝土结构 模型主要材料 参数 T a b l e 1 m a j o r m a t e r i a l p a r a me t e r s o f A s p h a l t C o n c r e t e m o d e l 1 3单元 类型 选择 路面结构层均采用八节点实体单元模拟 。由于 混凝土面层与基层 、 垫层 之间接触关系 的模拟是数 值仿 真分析 中的难点 问题 ， 本文 采用经 典 的 C o u - l o m b摩擦模 型模 拟其接触关 系 。由于在长期车 辆荷载作用下 ， 面层与基层顶面变形协调 ， 故在加载 过程 中接触面两侧单元法向不允许分离 。接触面的 力学 模型 如 图 2所 示 。 图 2接 触 面 的 力学 模 型 F i g u r e 2 me c h a n i c a l mo de l o f c o nt a c t a r e a 面 层 与基 层 间建 立接 触 面 ， 采 用 接 触 单 元 与 目 标单 元 建立 接触 对 ， 接 触 面 的 粘 结 强 度 按 砂 浆 与 密 实碎石土的粘结强度选取 为 9 0 k P a ， 摩擦 系数 取 为基层土体 内摩擦角的正切值 ， 为 0 7 。所建立 的 有 限元模 型如 图 3所示 。 图 3有限元计算模型 F i g u r e 3 f i n i t e e l e me n t c a l c u l a t i o n mo d e l 1 4 边界 条 件 与加 栽方 式 计算中考虑路基不均匀变形 引起的路面结构附 加应力 ， 故模型中约束断面两侧沿线路走 向的位移 。 计算 中采用位移加载的模 拟方法 ， 即采用在路面结 构层底面施 加位移 约束 的方式施加 荷载 。此 处 采用抛物线模拟路基顶面的变形 ， 从而求得路面结 构的附加应力 。计算 中考虑的路基不均匀沉降形式 主要有路基两侧沉降、 路基一侧沉降和路基 中心沉 降 加 ， 如图 4所示。通过对 比可知： 路基两侧沉降 和一侧沉降取半幅路面结构进行计算时属于同一种 情况 ， 所 以最后可简化 为图 5所示的 2种位移加载 方 案 。 I ( a )两侧沉降A ( b ) 一侧沉降B l ( c )中心沉降 C 图 4路基不均匀沉降形式 Fi g u r e 4 Un e v e n S e t t l e men t h J r ms o f Pa v e me n t 2数值模 拟结果分析 2 1 路 基 两侧 或一侧 沉 降 对路 面结构 影 响分析 2 1 1 两侧或一侧沉降引起的路面结构响应 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 公路工程 3 7卷 基 层 垫层 面层 ( a ) 路基两侧或一侧沉降 面层 b 2 B 2 基层 垫 层 ( b)路 基 中心沉 降 图 5 有限元模型路基不均匀沉降形式 F i g u r e 5 Une v e n Se t t l e me n t f o r ms o f P a v e me n t o f fin i t e e l e - me n t mo de l 以路基顶面最大的沉降量为 3 c m进行计算 ， 图 6图 9揭示了路面结构中面层表面应力、 面层底面 应力 、 基层表面应力和垫层底面应力沿着路面宽度 方向的变化规律。由图可知： 沥青面层表面主要受 拉应力作用 ， 最大拉应力位于路面的中心位置， 很有 可能在此产生开裂， 形 成纵 向狭长的裂缝。沥青面 层底面主要也受拉应力作用 ， 最大拉应力位置与面 层表面相同， 但拉应力绝对值小得多。基层表面受 拉应力作用 ， 基层 中心位置拉应力最小。垫层底面 受 压应力 作用 ， 垫 层 中 心 压应 力 最 大 。面层 与 基 层 间的切应力随着距路基 中线距离 的增 加而逐渐增 大 ， 在接近路面边缘处约 1 m处开始减小 ， 也正是此 切应力的存在使面层表面应力 、 面层底面应力 和垫 层底面应力均在约 1 、 9 m处出现突变。其应力状态 i 6 3 蚕 弱 一 23 -4 0 图 6面层横 向应 力分布 F i g u r e 6 ho r i z o n t a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f s ur f a c e 7 00 O 60 O0 5 0 0 O 4 00 0 3 0 0 0 2 0 O O l n f l I l 0 O0 水 平位置 m 图 7 基层表面横向应力分布 F i g u r e 7 s u r f a c e h o r i z o n t a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f ba s e 0 00 一 2 0 O 0 凸_ -4 0 O 0 一 6O 00 一 8 0 J D 0 一l 00 O0 水平位置 m 0 2 4 6 8 1 0 图8垫层底面横 向应力分布 Fi g ur e 8 flo o r ho r i z o n t a l s t r e s s di s t r i bu t i o n o f c o mp os i t e g r ou n d 日 1 5 0 0 0 l 0 0 0 0 5 0 0 0 恩00 0 0 堰- 5 o o o 啵 一 l 0 0 0 0 糖 一 l 5 - 0 0 0 一 I 2 4 、 一 水 平位 置， 图 9面 层 底 面切 应 力 分 布 Fi g u r e 9 flo o r s he a r i ng d i s t r i b ut i o n of s u a c e 与结构层厚度有关 ， 特别是基层厚度。 图 l 0为面层表面的竖向位移随路面宽度方 向 的分布 ， 由图 1 0可知 ： 面层表面竖 向位移分布与路 基顶面产生的不均匀沉降形式基本一致 ， 呈开 口向 下的抛物线分布， 并且位移值与沉降量接近， 这主要 是因为路面结构在竖直方向的应力和应变都很小。 l 0 妻 孟 _叵 一1 5 塾 l - 2 0 甄 水平位置 n l 0 2 4 6 8 l O 图 l O面 层 表面 竖 向位 移 分 布 Fi g u r e 1 0 t o p pi ng v e i c a l di s pl a c e me n t d i s t r i b u t i o n o f s ur f a c e 2 1 2不均 匀沉 降量对路 面结 构应 力 的影响 在分析不均匀沉降量大小的影响时 ， 最大的不 均匀沉降值在 56 0 m r l l 的范 围内进行取值 ， 应力 值取各层的中央截面处的值 。面层表面应力、 面 层底面应力 、 基层表面应力和垫层底面应力的计算 结果 见 图 1 l 至 图 l 4 。 ； 一 I o 2 O 3 f l 4 f I 5 f 1 d f l 7 一 沉降 羞 n l l n 图 l l 不同不均匀沉 降量 下面层表面横 向应 力 F i g u r e I l t o pp i n g h o r i z o n t a l s t r e s s o f s ur f a c e un d e r di f f er e nt u n ev e n s e t t l e me n t 00 0 00 0 O 0 0 O 0 m m B d f避 匡颦 哑岳窿 隧恒 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 黄 永 强 ， 等 ： 路 基 不 均 匀 沉 降 对 沥 青 混 圭 堕 里 竺 墅 ! 竺 坌 第 5 期 厘7 0 颦 6 0 墨 懿 懑 巷 皿 l 1 0 l垦0 沉降 差 mm 图 1 2 不 同不 均匀沉降量下面层底面横 向应力 Fi g u r e 。 1 2 no 0 r ho r i z o nt a l s t r e s s o f s u r f a e e un d e r d i f f e 。 n l un e - v e n s e t t l e me nt 沉降差 m i l l 图 1 3 不 同不均 匀沉 降量 下基层表面横 向应 力 F i g u r c 1 3 s u r f a c e h o r i z o n t 8 1 s t r e s s o f b a s e u n d e d i f f e 咖 l u n e - v e n s e t t l e men t 颦 墨 姜 童 看 蹬 谰 It t 1 4不同不均匀沉降量下垫层底面横 向应 Fi gu r e 1 4 flo or h o r i z o n t a l s t r e s s o f e o mp o s i t e g r o u n d un de r di f f e r e nt un e v e n s e t t l e me nt 由图 1 1 图 1 4可知 ： 路面结构各层 的应力受 不均匀沉降量的大小的影响十分明显。在不均匀沉 降 量 在 55 5 mm 时 ， 面 层 表 面 应 力 、 面 层 底 面 应 力、 基层表面应力和垫层底面应力 随不均匀沉 降量 增加而线性增大 ， 当沉降量接近 6 0 c m前 ， 面层上表 面拉应力达到 0 2 8 MP a ， 达到面层容许拉应力强度 值 。路面在实际工作状态中还需考虑交通荷载的作 用 ， 两种应力的叠加将加速路 面结构 的破坏。这说 明控制不均匀沉 降的必要性 。 2 1 3 路面结构层参数对路面结构应力的影响 2 1 3 1 各结构层厚度对路面结构应力的影响 为分析 各结构层厚度大 小对 路面结构应 力影 响， 在计算时分别改变面层厚度 、 基层厚度、 垫层厚 度 ， 其他参数保持不变。计算结果见 图 1 5图 1 7 ， 由图可知 ： 随着面层厚度的增加 ， 面层表 面的拉 应 力线性增大， 垫层底面的压应力线性增 大， 而面层 底面和基层表面的拉应力线性减小 ； 随着基层厚 层表面 层底面 层表面 层底 面 图 1 5 不 同面 层厚度下各结构层横 向应力 Fi g ur e 1 5 h o r i z o n t a l s t r e s s o f s t r uc t u r a l l a y e r s o f s l I r f a c e o f d i ff e r e n t t h i c k n e s s 层表面 层底面 层 表面 层底面 不 雕腓譬 黜。 Fi gure 16 h orizon tal stress ol structu raI ay u lJ f e r e n t t hi c kn e s s 面层表面 面层 底面 基层表面 垫层底面 图 1 7 不 同垫层厚 度下各结构层横 向应力 F i g u r e 1 7 h o r i z o n t a l s t r e s s o f s t r u c t u r a l l a y e r s o f c o rnp 。 。 t 。 g r o un d o f d i f f e r e n t t hi c k ne s s 2 1 3 2 各结构层模量对路面结构应力的影响 为分 析各结构层模量 大小对路面结构应力影 响 ， 在计算时分别改变面层模量 、 基层模量、 垫层模 量 ， 其他参数保持 不变。计算 结果见图 1 8一图 2 0 ， 由图可知 ： 随着面层模 量的增加 ， 面层表面 的拉 应 力和垫层底面压应力线性增大 ， 而面层底 面和基 层表面的拉应力线性减小 ； 随着基层模量 和垫层 一 一 一 一 1 0 0 0 1 2 0 0 1 40 0 1 6 0 O J ” 面 屡模量 MPa 表 面 底面 表面 底面 Fi g u r e 1 8 h o r i z 。 n I a 1 s I r e s s。 f s t r u c t u r a l l a y e r。 f di f f e 。 “I “ f a c e mo d ul u s 线 和 小 都层 减 勰 立 的 应 一 一 腼 一 撕 c=； 基 到 F 1 子 一 临 I罡 厚 层 所 层 垫 。 垫 一 一 一 一 肿m m肿 加o 匠 文哑哥旧 哩糊 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 公路工程 3 7卷 、 R 一 图 1 9 不同基层模量下各结构层横 向应力 Fi g u r e 1 9 ho r i z o nt a l s t r e s s o f e a c h s t r u ct u r a l l a y e r s o f di f f e r en t ba s e mo du l us 面层表 面 面层 底 面 基层 表面 垫层 底 面 图 2 0不 同垫层模量下各结构层横 向应力 Fi g ur e 2 0 ho r i z o nt a l s t r es s o f e a ch s t ruc t u r a l l a y e r s o f di f f e r e nt c o mp o s i t e g r o un d mo d u l u s 模量的增加 ， 路面结构各层的应力都线性增大 ； 垫层底的压应力受垫层模量的变化 的影响明显， 而 受面层模量和基层模量的变化的影响比较小。 2 2 路 基 中心 沉降对路 面结构影 响分析 2 2 1 中心沉降引起的路面结构响应 同样以路基顶面最大的沉降量为 3 c m进行计 算 ， 图 2 1 图2 4揭示了路面结构 中面层表面应力 、 面层底面应力、 基层表面应力和垫层底面应力沿着 路面宽度方 向的变化规律。沥青面层表面受压应力 作用 ， 最大压应力位 于所处路面的中心位置。沥青 面层底面也主要受压应力作用， 最大压应力位置与 面层表面相同 ， 但压应力值小得 多。 基层表面受压 图 2 1 面层横 向应力分布 Fi g ur e 2 1 h o r i z o n t a l s t r e s s di s t r i b u t i o n o f s u r f a c e 图 2 2基层表面横 向应力分布 Fi g ur e 2 2 h o r i z o n t al s t r es s d i s t r i b u t i o n o f b a s e 图 2 3垫层底面横 向应力分布 Fi g u r e 23 ho r i z o n t a l s t r e s s di s t r i b ut i o n o f c o mp o s i t e g r o un d 日 、 恩 喧 磁 噬 一 暄 一 0 00 0 0 0 000 000 0 O O 0 O O O0O 一 入 一 l I i r l r ， 一 4 6 8 1 一 水 平 位 置， 图 2 4 面层 底面 切 应 力分 布 Fi g u r e 2 4 fl o o r s h e a r i n g s t r e s s di s t r i b ut i o n o f s ur f a c e 应力作用 ， 基层 中心位置压应力最小。垫层底面受 拉应力作用 ， 垫层中心拉应力最大。面层与基层间 的切应力随着距路基中线距离 的增加而逐渐增 大， 在接近路面边缘处约 1 m处有减小， 也正是此切应 力的存在使面层表面应力 、 面层底面应力 和垫层底 面应力均在约 1 、 9 m处出现突变。其应力状态与结 构层厚度有关 ， 特别是基层厚度。 图 2 5为面层表面的竖 向位移随路面宽度方向 的分布， 分析可知面层表面竖 向位移分布与路基顶 面产生的不均匀沉降形式基本一致， 呈开 13向下的 抛物线分布， 并且位移值与沉降量接近， 这主要是因 为路 面结 构在竖 直方 向 的应力 和应 变都很小 。 吕0 一5 一1 0 一I 5 翻 一 2 0 弘 恒 一 3 5 水平位置， m 0 2 4 6 8 l 0 图 2 5面层 表 面竖 向位 移 分 布 Fi g u r e 2 5 t o p pi ng v e r t i c a l di s p l a c e me n t d i s t r i b u t i o n o f s ur f a c e 2 2 2 不均匀 沉 降量对 路面 结构应 力 的影响 在分析不均匀沉降量的大小的影响时 ， 最大的 不均匀沉降值在 3 03 6 0 m m 的范围内进 行取值 ， 应力值取各层的中央截面处的值 。面层表面应力 、 面层 底面 应力 、 基层 表 面 应 力 和 垫层 底 面应 力 的计 算 结果见 图 2 6一图 2 通 过计算 可知 ： 2 0 0 m m 时垫层底 面 中心处 出现 0 0 O 0 O 0 O 0 0 0 O 0 O O O O O 0 O 8 6 4 2 R毯 1l l l 1 Bd 一 一 O 0 O O O 0 O 0 0 0 2 4 6 8 0 2 46 8 一一一一 lllll 一 一 一 一 一 日 吣 O O 0 O 0 O O O I 2 3 4 5 6 7 一 一 一 一 一 一 一 f 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 黄永 强 ， 等 ： 路基不均匀沉 降对沥青混凝 土路面结构影响数值分析 3 9 沉降差 mil l 0 5 0 l O 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 图 2 6不 同不 均匀沉降量下面层表面横 向应 力 Fi g u r e 2 6 t o p p i n g h o r i z o n t a l s t r e s s o f s u r f a c e un d e r di f f e r e n t un e v e n s e t t l e me n t 图 2 7不同不均匀沉降量下面层底面 横向应力 F i g u r e 27 flo o r s t r e s s o f b a s e u nd e r d i f f e r e nt un e v e n s e t t l e m cnt d 0 0 O 一 50 O0 -R l O O O O 一1 5 0 O 0 I 岂 摧 一 2 0 0 O 0 唑一 2 5 0 0 0 搦 一 300 0 0 沉降差 mm 0 5 0 l 0 0 l 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 图 2 8 不 同不均 匀沉 降量 下基层表面横 向应力 F i g u r e 2 8 t o pp i n g s t r es s o f b a s e un d e r di f f e r e n t un e v e n s e t t l e m ent 日7 0 0 6 0 0 5 0 0 倒 4 0 0 随 3 0 0 蠼 2 0 0 加 图 2 9不 同 不 均 匀 沉 降 量 下 垫层 底面 横 向 应 力 F i g u r e 2 9 flo o r h o r i z o n t a l s t r e s s o f c o mpo s i t e g r o un d u nd e r d i f f e r e nt un e v e n s et t l e me n t 塑性区。各图中沉降差小于 2 0 0 i n m时各应力线性 分 布 ； 超 过 2 0 0 m m后 由于塑 性 区 的 出现 ， 各应 力 呈 现非线性的变化规律 ， 垫层底 面中心处应力保持不 变。路面结构各层的应力受不均匀沉降量的大小的 影响十分明显 ， 故应严格控制路基的不均匀沉降。 2 2 3 路面结构层参数对路面结构应力的影响 2 2 3 1 各 结 构层厚 度对 路 面结 构应 力 的影 响 为 分 析 各 结 构 层 厚 度 大小 对 路 面 结 构 应 力 影 响， 在计算时分别改变面层厚度、 基层厚度、 垫层厚 度 ， 其他参数保 持不 变 。计算结果见 图 3 0一图 3 2 ， 由图可知 ： 随着面层厚度的增大， 面层表面压 应力和垫层底面拉应力都线性增大， 面层表 面压应 力变化更明显 ， 而面层底面和基层表面的压应力线 性减小 ； 随着基层厚度和垫层厚度 的增加 ， 路 面 结构各层 的应力都线性增大 ； 垫层底面的应力受 路面结构各层厚度变化的影响较小。 、 表 面 底面 表面 底 面 图 3 0不同面层厚度下各结构层横向应力 Fi g u r e 3 0 h o r i z o n t a l s t r e s s o f s t r uc t u r a l l a y e r s o f s u r f a c e o f d i ffe r e nt t h i c k n e s s 面层 表 面 面层底 面 基层表面 垫层底 面 图 3 l 不同基层厚度 下各结构层横 向应 力 F i g u r e 3 1 h o r i z o n t a l s t r e s s o f s t ruc t u r a l l a y e r s o f b a s e o f d i f - f e r c nt t h i c kn e s s 一 面层 表面 一 面层 底面 一 基层 表面 + 垫层 底面 图 3 2不同垫层厚度下各结构层横 向应力 Fi g u r e 32 h o r i z o n t a l s t r e s s o f s t r uc t u r a l l ay e r s o f c o mp o u nd g r o un d o f di f f e r e n t t h i c k ne s s 2 2 3 2 各结构层模量对路面结构应力的影响 为分析各结构层模量 大小对路 面结构应力影 响 ， 在计算时分别改变面层模量 、 基层模量 、 垫层模 量 ， 其他参数保持 不变 。计算结果见 图 3 3图 3 5 ， 由图可知 ： 随着面层模量 的增大 ， 面层 表面的压 应力和垫层底面拉应力近似线性的增大 ， 而面层底 面和基层表面的压应力线性减小 ；随着基层模量 和垫层模量的增加 ， 路 面结构各层的应力都线性增 大 ； 垫 层底 的压 应力 受 垫层模 量 的 变化 的 影 响 明 显 ， 而受 面层 模 量 和基层 模量 的变 化 的影响 比较 小 。 0 0 0 0 O 0 0 O O O 0 O 0 0 O 0 O O O O 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 0 一一一一 ! 一 一 一 一 一 一 噬 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 公路工程 3 7卷 、 R 倒 表 面 底 面 表 面 底 面 图 3 3 不同面层模下各 结构层横 向应 力 Fi g u r e 3 3 h o r i z o n t a l s t r es s o f s t r uc t u r a l l a y e r s o f di f f e r e nt s u r f a c e mo du l us 50 妄_ 5 t 一 l 0 0 ： ： 0 0 面层表 面 面层底 面 基层表 面 垫层底 面 图 3 4 不同基层模量 下各 结构层横 向应 力 Fi g u r e 3 4 h o r i z o nt a l s t r e s s o f s t r u c t ur a l l a y e r s o f d i ffe r e n t b a s e mo d ul u s 1 5O l 0 O 日 5 O 、 -m 2 一5 0 - 1 0 0 一J 5 0 -2 0 0 ： 垫层模量 M P a 一 一 一 层表 面 层底 面 层表 面 层底 面 图 3 5不 同垫层模量 下各 结构层横 向应 力 Fi g ur e 3 5 h o r i z o n t a l s t r e s s o f s t ruc t ur a l l a y e r s o f di ffe r e nt c o mp o s i t e g r o un d mo d u l u s 3 结论 本文通过建立有限元数值模型， 主要分析了路 基两侧沉降、 一侧沉降和 中心沉降 3种路基不均匀 沉 降形式 对沥 青混 凝 土 路 面 结构 破 坏 的影 响 ， 获得 了如下 主要结 论 ： 分析 了不均匀沉 降对路面结构引起的应 力 和位移响应、 不均匀沉降量及路面结构层 的厚度和 模量对路面结构的影响 ， 结果表 明 3种不均匀沉降 形 式 的影 响规律 是一致 的。 不均匀沉降对路面结构 的应力影响明显 ， 在 未出现裂缝和塑性 区前， 路面结构各层 的应力与不 均匀沉降量呈线性变化规律。由于不均匀沉降引起 的应力比较大， 故在路面结构设计 中应与交通荷载 作用同时考虑。 随着面层厚度增大， 面层表面应力和垫层底 面 应力线 性增 大 ， 面 层底 面 应力 和基 层 表 面应 力 线 性 减小 ； 随着基 层厚 度 和垫层 厚度 的增加 ， 路面 结构 各层的应力都线性增 大。故路面在结构设计时 ， 不 宜采用过厚的基层。 随着面层模量增大， 面层表面应力和垫层底 面应力线性增大 ， 面层底面应力 和基层表面应力线 性减小 ； 随着基层模量和垫层模量增大， 路面各结构 层应力都线性增大。故在路面结构设计中应该减小 基层模量和面层模量 ， 但考虑到面层直接承受交通 荷载作用 ， 在结构设计中应减小基层模量 ， 即基层刚 度 不应太 大 ， 比如可 以采用 柔性 基层 。 参考文献 1 郑 治 西部地 区高填方路堤沉 降病 害调查与分析 J 公 路 交通科技 ， 2 0 0 5， ( s 2 ) 2 钱家欢 ， 殷宗泽 土工原理和计算 M 北 京 ： 中国水利 电力出 版社， 1 9 9 5 3 谈 至明， 姚祖康 软土地基不均匀沉 降对铺面结构影 响的分析 J 岩土工程学报 ， 1 9 8 9 ， 1 1 ( 2 ) ： 5 4 6 3 4 周焕云 ， 黄晓明 高速公路软土地基沉降预测方法综述 J 交 通运输 工程学报 ， 2 0 0 2， 2 ( 4 ) ： 7一l 0 5 王勖成 有 限单元法 M 北京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 9 6 饵磊 ， 于清杨 岩 土工程数值法 M 长春 ： 吉林 大学出版 社 。 2 0 0 7 7 李运光 结构工程有限单元法 M 北京 ： 中国建材工业 出版 社 ， 2 0 0 2 8 王新敏 A NS Y S工程结构数值分析 M 北京 ： 人 民交通 出版 社 ， 2 0 0 7 9 张嘉凡 ， 张慧梅 软土地基路基不均匀沉降引起 的路面结构附 加应力 J 长 安大 学学报 (自然 科学 版 ) 2 0 0 3， 3( 3 ) ： 2 1 2 5 1 0 傅珍 ， 王选 仓 拓宽路基差 异沉降特性 和影响 因素 J 交 通运输工程学报 ， 2 0 0 7， ( 1 ) 1 1 张军辉 软土地基上 高速公路加宽变形特性 及差异沉降控制 标准研究 D 南京 ： 东南大学 ， 2 0 0 6 1 2 杨涛 ， 李国维 ， 杨伟清 基于双 曲线 法的分级填筑路堤沉 降 预测 J 岩土力 学， 2 0 0 4， 2 5 ( 1 0) ： 1 5 5 11 5 5 4 ( 上接 第 3 3页 ) 一 48 3 聂忆华 ， 张起森 ， 徐阳， 等 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 ) ，2 0 0 9， 3 3 ( 2 )： 2 5 32 5 6 4 5 林文岩 ， 陈强 ， 谢泽华 薄层 沥青 一水泥混凝 土复合 式路面 结构 设计研究 J 中外公路 ， 2 0 0 9， 2 9( 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