許海亮，覃吉寧，任合歡，何 煉

(北方工業(yè)大學土木工程學院，北京 100144)

城市道路除了是交通出行的主要載體，也是城市市政管線布設的主要通道，包括給排水管道、燃氣管道等。道路路面結構的受力狀態(tài)必然會受到埋地管道(特別是淺埋管道)影響。大量工程表明，埋地管道的設置不當會導致路面結構過早出現(xiàn)破壞，路面結構使用年限減短?，F(xiàn)行規(guī)范中，道路路面結構設計中未考慮路面結構受埋地管道的不利影響，缺少含埋地管道路面結構的控制指標，因此開展行車荷載對含埋地管道瀝青路面結構受力分析具有一定的理論和應用價值。

作為研究熱點，相關學者對其進行了大量研究，現(xiàn)有研究成果主要集中在車輛荷載作用下管道的受力狀態(tài)：如張土喬、王直民、楊俊濤等對埋地管道受交通荷載作用下的力學性狀進行了研究[1-2]。金賢玉、杜健對交通荷載作用下井的沉降進行了數(shù)值模擬和試驗研究[3]。BAJCAR對交通振動荷載對天然氣輸送管道的影響進行了研究[4]。OZDEMIR采用數(shù)值計算方法研究了路面破碎作業(yè)對埋地管道產生的振動效應[5]。李新亮等對交通荷載作用下的埋地管道進行了應力分析和現(xiàn)場測試試驗[6]。劉嘯奔等對斷層作用下埋地管道應變分析方法研究進展進行了分析[7]。從路面不平整度方面對車路耦合作用也開展了相關研究[8-9]，但有關路面結構的受力狀態(tài)研究成果相對較少。

本文綜合考慮上述研究成果，利用有限元數(shù)值模擬軟件，建立含埋地管道瀝青道路結構模型，研究雙圓輪荷載作用下，管道埋深對道路各結構層的力學影響，為研究含埋地管道瀝青路面結構的破壞機理做準備，為市政道路管道上方路面設計和施工提供了理論參考。

1 結構模型的建立

1.1 荷載參數(shù)設置

行車輪胎與路面之間的接觸面積、接觸形狀和接觸壓強都比較復雜，因此在模擬計算過程中采用《城市道路路面設計規(guī)范》(CJJ 169—2012)規(guī)定的雙圓輪荷載模型，計算荷載標準采用軸載BZZ-100。設計參數(shù)如下：標準軸載為100 kN，輪胎接地壓強為0.70 MPa；單輪傳壓面當量直徑d為21.30 cm；兩輪中心距1.5d為31.95 cm。

1.2 邊界條件設置

根據(jù)已有經驗[10-11]，路面結構計算模型選用尺寸6 m(長)×6 m(寬)×3.06 m(高)能夠滿足計算要求。邊界條件設置為：頂面為自由面、其它面為全固結。采用八節(jié)點Solid185等參單元，對模型進行網格劃分，同時對雙輪荷載作用集中區(qū)域2 m(長)×2 m(寬)×0.56 m(高)進行加密網格劃分。預埋混凝土管道參數(shù)為：內徑0.30 m，外徑0.37 m，壁厚3.5 m，長度6 m。采用PIPE288單元進行網格劃分，其有限元計算模型如圖1所示。

圖1 道路結構有限元計算模型圖

1.3 模型結構參數(shù)和分析面設置

路面結構包含瀝青面層(上、中、下三層)、水泥穩(wěn)定碎石層(上、下兩層)和路基層，各層參數(shù)設置如表1所示。管道埋設于X=3 m中線的正下方，分別計算4種不同工況，管道位置如表2所示。

表1 結構及材料參數(shù)

表2 各工況管道位置

計算過程中將道路結構層視為彈性層狀體，結構層間接觸狀態(tài)假定為完全連續(xù)。同時根據(jù)模型的對稱關系計算過程中選取1/2模型展開分析，如圖2所示。

圖2 道路結構(1/2)分析模型

2 行車荷載對路面結構位移影響分析

2.1 對路表彎沉值的影響分析

路表彎沉值是道路結構設計的關鍵性評價指標，是荷載對路表作用前后路表發(fā)生變形的大小。分析中，路表雙圓輪荷載圓心區(qū)域出現(xiàn)了最大的彎沉值。4種工況下，路表彎沉曲線如圖3所示，其最大彎沉值如表3所示。

圖3 路表彎沉值曲線圖

表3 路表最大彎沉值

由圖3和表3可知管道的埋設對路表彎沉值有影響，管道埋設深度越淺，路表彎沉值越小。以計算的4種工況為例，無管道埋設工況下路表最大彎沉值為0.45 mm，淺埋管道工況下路表最大彎沉值為0.34 mm，相差0.11 mm，減小幅值達到了24.4%。同樣，與無管道埋設工況相比，中埋管道、深埋管道工況下路表彎沉值均有減少。

2.2 對路面結構各層的豎向位移影響分析

由路面結構各層層底豎向位移圖(圖4、圖5)可知，管道的埋設減小了各層豎向位移值，管道埋設深度越淺，層底豎向位移越小。不同工況下路面結構各層層底豎向位移對比結果如表4所示。以瀝青中面層為例，在無管道埋設時，層底最大豎向位移為0.40 mm；在淺埋管道工況下，層底最大豎向位移為0.29 mm，相比無管道埋設工況減小了27.5%，其他各結構層層底豎向位移情況均表現(xiàn)出相近的變化規(guī)律。

混凝土管道的彈性模量遠大于瀝青層和水穩(wěn)層材料的彈性模量，混凝土管道的材料密度也是最大的，因此埋設管道改變了附近區(qū)域的彈性模量，增加了整體強度。導致隨著管道埋深的減少，彎沉值減少，結構各層層底最大豎向位移越小。

圖4 瀝青上面層層底豎向位移圖

圖5 瀝青下面層層底豎向位移圖

表4 各層層底最大豎向位移

3 行車荷載對路面結構應力影響分析

3.1 行車荷載對豎向應力的影響分析

各工況下管道埋設對路面結構各層層底豎向應力影響如圖6、圖7所示，各層中心點豎向應力變化如表5所示。

圖6 瀝青中面層層底豎向應力圖

管道的埋設改變了豎向應力的分布情況，增大了路面結構各層層底的豎向應力。從表5可知，淺埋管道對瀝青下面層豎向應力影響最大，增大幅值為31.80%；中埋管道對水穩(wěn)下基層豎向應力影響最大，幅值為699.08%；深埋管道對水穩(wěn)下基層豎向應力影響最大，幅值為218.35%。

3.2 行車荷載對水平應力的影響分析

圖8、圖9為各工況埋設管道對瀝青中面層層底和水穩(wěn)上基層層底的水平應力影響示意圖。從圖中可知，瀝青中面層主要受水平壓應力，水穩(wěn)上基層主要受水平拉應力。管道埋設在一定程度上會減小各層水平應力。對4種工況下各結構層中心點處的水平應力值進行統(tǒng)計，如表6所示。由表可知，管道埋設后路面結構各層的水平應力均有減小，其幅值為8.20%～46.25%。

圖7 水穩(wěn)上基層層底豎向應力圖

由于管道的材料強度較大，埋設管道對路面結構起到了一定的支撐作用。觀察管道埋設前后路面結構各層的豎直、水平應力變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，與無管道情況對比，管道埋設增大了路面結構各層層底的豎向應力，減小了橫向應力的數(shù)值，且管道埋深越淺，橫向應力減小的幅度值越大。

4 結論

本文利用有限元數(shù)值模擬軟件計算在行車荷載作用下，無管道和含淺、中、深埋管道路面結構的豎向、水平位移，豎向、水平應力和彎沉值，經對比分析得出以下結論：

表5 各層中心點豎向應力變化

圖8 瀝青中面層層底拉應力圖

圖9 水穩(wěn)上基層層底拉應力圖

表6 各層中心點水平應力變化

(1)與無管道工況相比，埋地管道使得路面結構各層的彎沉值減小、豎向應力增大、水平應力減小；存在埋地管道時，淺埋管道對路面結構受力影響最大。

(2)埋地管道對道路路面結構各層層底的豎向位移有較大影響，各層豎向位移隨管道埋設的深度減小而減小，其變化幅值為14.0%～30.8%。

由于管道材料強度高于路面材料，增大了管道埋設區(qū)域的彈性模量，使得路面結構強度均勻性發(fā)生改變，并對路面結構起到了一定的支撐作用，導致其力學響應存在差異，最終使得路面結構各層豎向位移減小、豎向應力增大、水平應力減小。