道路挖掘修復病害機理分析及計算模型的建立

呂荔炫  林嗣雄

福州市規劃設計研究院  350003

1、道路挖掘修復現狀與路面病害特征

    我國城市公用工程建設中越來越多地涉及到地下管線的增設或調整。其方式目前主要有兩種：開挖道路明埋和非開挖地下鉆孔。雖然非開挖技術可以從根本上減小既有道路的破壞及其對沿線交通的影響，但由于非開挖技術的設備投入高，大口管線埋設難度大、速度慢，故即使在發達國家，其應用比例仍相對較低。因此，在以后相當長的時間內，道路開挖明埋仍是我國城市道路地下管線工程的主要施工方式。以上海為例，僅2002年各項開挖修復工程就達1000多項。但是，當前多數道路挖掘的修復效果差強人意，直接影響車輛與行人的安全。因此，有必要針對日益突出的道路挖掘修復問題，歸納損壞形式，揭示病害成因機理，并建立起掘路修復計算模型，為進一步改善掘路修復技術、提高掘路施工質量提供理論依據。

    實地調研結果表明，開挖路面修復區域在通車后不久多會出現以下幾種損壞型式：(1)不均勻沉降，沿著行車輪跡，修復區域路面出現明顯的路表沉降，表現為局部沉陷或嚴重車轍；(2)平行開裂，修復區域路面與原路面結合部位置出現兩條平行的裂縫；(3)網裂，修復區域路面出現網狀裂紋。

    修復區域路面的過早損壞，除與溝槽的回填材料、施工機械及施工工藝有關外，主要是由于缺乏有效的開挖路面結構修復理論作指導。當前我國尚未對開挖路面修復工程提出專門的設計方法，而傳統的修復技術通常認為“按原結構修復”可滿足要求，即認為開挖后路面修復可直接套用原有路面結構方案。但是路面一經開挖鋪設管道之后，對既有路面結構形成擾動，破壞了原有結構的整體性，即使采用原結構修復也很難恢復到原有狀態。而對于這現象的解釋必須建立起掘路修復計算模型，本文不僅建立了掘路修復有限元模型，且通過具體的實例對道路開挖前后的路表變形和應力的變化進行分析，揭示原結構修復的缺陷性。

2、道路挖掘路面病害的成因機理分析

    2.1道路挖掘前后受力模式發生變化

    路面開挖之前道路以連續的整體結構抵抗外荷載作用，其受力模式見圖l～a)。而開挖之后的道路，開挖與非開挖區域之間必然存在兩個接觸面，形成一個非連續體，當荷載作用在開挖區域時，就不能再簡單地將道路(水平方向)視為一個連續整體，而應是具有一定寬度的條形體，并存在接觸界面問題，其受力模式見圖1～b)。因此，道路開挖前后受力模式的變化，致使原瀝青路面結構設計的假設條件不再適用。

    2.2溝槽回填土路基產生過大的塑性變形

    開挖路面埋設管道后，溝槽路基多數采用挖出的原狀土或路面棄料進行回填。回填材料往往未經曬干和疏松處理就加以利用，因而回填時常常夾雜有大的塊體，不利于回填料間的相互擠密，達不到整體密實的效果，容易留下空隙。此外，回填壓實過程中，因受溝槽寬度的限制，普通道路壓實機械難以發揮效用，溝槽夯實多選擇平板夯或振動夯，夯實中易留下死角。回填時分層厚度多超出規定，使回填土路基達不到應有的壓實度，諸多原因導致溝槽修復后在自重和行車荷載作用下，回填土路基繼續趨于密實而發生塑性變形，隨著塑性變形的累計使修復路面出現沉降(沉陷)。

圖1  道路開挖前后受力模式的變化

    2.3開挖后路面受剪破壞

    開挖后的道路必然存在兩個接觸面，修復區域因為回填土路基逐步趨于密實導致路面沉降，而非開挖區域路面在多年使用中已完成沉降，因而造成開挖與非開挖區域之間的差異沉降，在兩個接觸面間之間形成剪切滑動面，在行車荷載作用下，路面內部出現附加剪應力，當其大于路面的抗剪強度時便出現開裂。所以修復區域路面出現平行裂縫是掘路工程特有的損壞現象。

3、掘路修復計算模型的建立與實例分析

    通過對掘路修復受力模式分析可知，道路開挖后不僅涉及到開挖與非開挖區域的邊界問題，而且在不同開挖條件下構成路表變形和結構應力的計算相當復雜。這些因素很難通過純理論解來考慮，而有限元可以考慮復雜的邊界條件和模擬材料的非線性，為最終計算路表變形和結構應力提供合理的依據。故在道路挖掘修復的分析中采用有限元法。

    3.1基本假設

    不同條件下的開挖路面修復工程，存在較大差異性。如道路的開挖方式(橫向、縱向)、位置(快車道、慢車道)、深度，以及溝槽路基回填土、路面材料的工程性質、修復區域與非開挖區域之間結合部的處理措施等等，都將對開挖路面修復工程產生影響。考慮到開挖路面修復時所涉及的影響因素比較復雜，為簡化計算，作如下假定：

    (1)面層、基層和路基均為彈性材料，以彈性模量E和泊松比U表征其力學特性；

    (2)各結構層層問完全連續；

    (3)行車荷載的影響深度取2.5～6.0m：

    (4)修復區域與非開挖區域各結構層之間的接觸面在法向完全連續，不考慮接觸面穿刺問題，而僅考慮切向的摩擦和滑移；

    (5)邊界條件：兩個橫斷面(垂直行車方向)施加垂直方向約束，兩個縱斷面(平行行車方向)施加3個方向約束，路基底面施加豎向約束。

    3.2三維有限元模型

    以大型通用有限元軟件ANSYS為分析平臺，采用SOL— ID95實體單元對幾何模型進行網格劃分，接觸面單元則選用 TARGEl70和CONTAl74。

    3.3分析實例

4、計算條件

    以快車道縱向開挖為例，其中路幅寬度為13m，開挖寬度為l.3m，開挖深度為2.6m，沿行車方向取6m。荷載作用位置按不利情況布設，大小取標準荷載0.7MPa。開挖路面采用原結構修復。

5、計算結果分析

    (1)開挖前后路表變形的變化

    開挖路面經原結構修復后，修復區域與非開挖區域的彎沉比約為2(與現場實測的彎沉比范圍13.5—10基本吻合)；僅就修復區域而言，修復后的彎沉約為開挖前的2倍。這表明，如果僅僅按原結構進行修復，根本不能使路面恢復到原有狀態，且會使修復區域與非開挖區域形成明顯的差異變形，進而造成修復區域及結合部周邊出現開裂損壞現象。因此，開挖路面結構修復工程不應簡單地按原結構處理。

    (2)開挖前后結構應力、應變的變化

    A)基層層底彎拉應力

    開挖前的基層層底最大拉應力為0.156MPa，而開挖后修復區域基層層底拉應力達到0.229MPa，是開挖前的l.5倍。

    B)路基頂面壓應變

    開挖前路基頂面最大壓應變為0.30，而開挖后路基頂面的最大壓應變達到0.54，將近開挖前的2倍，表明修復區域路表變形主要源于路基的壓縮變形。

6、結語

    綜上所述，現有道路挖掘修復路面主要存在沉降、平行開裂和網裂等損壞形式，道路修復前后受力模式的變化、回填土路基過大的塑性變形和沿接觸面的滑動剪切破壞則是造成修復后道路過早損壞的主要因素。然而，歸根結底是因為缺乏合理的掘路修復設計理論及方法，根據道路挖掘特點，應用有限元計算方法可較好地模擬掘路修復的邊界條件，從而在理論上揭示了掘路修復后的路表變形和結構應力、應變增大是造成道路挖掘路面病害的根本原因。

參考文獻

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[6]呂荔炫．道路挖掘評價與修復技術研究[D]．同濟大學碩士論文．上海．2006．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)