对水泥砼路面路基的横向不均匀沉降的探讨

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 对水泥砼路面路基的横向不均匀沉 降的探讨 摘 要：下文分析了填挖交界处 路基不均匀沉降产生机理，并提出了横 向填挖交界路基不均匀沉降曲线方程， 且分析了不均匀沉降指标对水泥混凝土 路面结构的影响。 中国论文网 /2/view-12911787.htm 关键词：填挖交界；不均匀沉降； 路基 1 前言 近几年，在国家农村公路建设政 策的支持下，各地相继建成了大量水泥 砼路面公路，不少道路在使用后不久就 出现横向裂缝、破碎等病害。笔者认为， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 许多公路路基在使用期间常发生不均匀 沉降。由于不均匀沉降的产生，导致路 面结构过早破坏，不仅会大幅度地增加 公路养护和维修费用，而且直接影响公 路交通的正常运营。 横向填挖交界是路基工程的一个 特殊部位，通过对路基横向的填土和地 基固结沉降产生机理的分析，可以得出 横向填挖交界处路基产生不均匀沉降的 原因大致有以下 3 个方面： 1）原地面与填土间的约束阻力 不足阻挡填土重力产生的下滑力，导致 填土沿着原地面产生滑动，从而在路表 呈现为不均匀沉降。 2）呈斜坡的原地面上的路基填 土在垂直深度存在差异，填土工后沉降 表现出一种不均匀性。 3）由于地基的性质差异和所受 荷载大小的不同，使得地基产生不均匀 沉降，从而在路表体现出一种不均匀沉 降特性。 一般地，填挖交界处路基不均匀 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 沉降是必然存在的，关键是如何在设计 和施工方面控制这种沉降的大小和不均 匀的程度，以保证路面结构在使用期间 不会因路基不均匀沉降而产生破坏。以 下就根据横向填挖交界处路基的沉降特 点，分析路基横向不均匀沉降对水泥混 凝土路面结构产生的影响。 2 横向填挖交界处路表沉降曲线 由于路面结构的板体特性，路基 不均匀沉降使得路面结构与路堤填土脱 空，路面结构在行车荷载及自重作用下 产生跟随位移和挠度，从而使路面板体 上下面不同位置产生弯拉应力，为计算 弯拉应力的大小，根据对路面结构受力 特性和路基变形特点的分析，对填挖交 界处的结构模型作如下基本假设： 1）路面结构为弹性地基梁； 2）路堤采用温克勒地基模型； 3）路面和路堤接触边界是光滑 的，无摩擦力。 根据对路基横向填挖交界处路表 沉降曲线特性的分析，由挖方处沿路基 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 横向至路基边缘，路表沉降是由小到大 变化的，变化的规律可用二次抛物线方 程（1）来描述，其中 a、 b 和 c 为待定 系数。 u(x)=ax2+bx+c (1) 由: x=0,u(0)=u(0)=0c=b=0 x=L,u(L)=aL2=uoa= 因此，式（1）写为： U(x)=u0()2(2) 式中，u(x) 表示路基顶面某点的 沉降量；uo 表示路堤顶面最大沉降量； L 表示特征长度，为路堤最大沉降点与 填挖交界点之间的距离。从 u(x)方程可 以看出，填挖交界点为沉降曲线的正弯 点。 3 路面结构附加弯拉应力分析 在路面结构自重和车辆荷载作用 下，温克勒地基弹性梁受力平衡方程为： EI+kw1=q(3) -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 式中，k 为温克勒地基反应系数； q 为路面结构自重和车辆荷载换算得到 的线性荷载；w1 为弹性梁（路面结构） 在 q 作用下产生的挠度。 方程（3）的通解为： W1=ex(C1cosx+C2sinx)+e- x(C3cosx+C4sinx)+q/k 式中：= （4） 根据横向填挖交界的沉降曲线的 特点可求出方程式（4）中的各个待定 系数。 当路基产生不均匀沉降时，根据 水泥混凝土路面板受力模型，板会产生 附加的弯拉应力，设路基顶面不均匀沉 降为 u(x)乙，根据叠加原理，路面板总 挠度为： W=w1+u(x)(5) 因此，弹性梁内的弯矩 M 为： M=-EI(6) 4 水泥混凝土路面结构的等效 为计算在不同的沉降变坡率和不 同的原地面坡长下各结构层的弯拉应力， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 必须将水泥混凝土路面各结构层等效为 单层弹性地基梁，并求得等效弯曲刚度 等参量。为此，假定水泥混凝土路面结 构层间结合为分离式，把水泥混凝土路 面结构看成由面板和基层组成，各层的 弯矩和应力的计算公式为： Mi=-wn, (7) i=-wn 式中： wn=22ex(C2cosx- Cisinx)+22e-x (-C4cosx+C3sinx)+(8) 若有多层非散体材料基层或垫层， 则按式（9）将其等效为基层的当量厚 度： (9) 5 不均匀沉降对路面结构的影响 从上述计算公式可以看出，在路 面各结构层的材料一定的情况下，影响 路面各结构层弯拉应力的因素主要为填 挖交界路基最大不均匀沉降值 uo 和特 征长度 L。特征长度 L 也就是不均匀沉 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 降长度，对于横向填挖交界，通常 L 可 以理解为原地面纵坡。为了研究和计算 的方便，定义沉降变坡率为： i= (10) 从而把 uo 和 L 的影响分析转化 为i 和 L 的影响分析，以便针对不同 不均匀沉降长度 L 提出相应的容许沉降 变坡率，为路基填挖交界处不均匀沉降 处治提供依据和设计指标。取如表 1 所 示路面结构形式，探讨横向填挖交界不 均匀沉降指标 i 和 L 对路面各结构层 弯拉应力的影响。 注：地基反应系数 k 取 50MN/m3。 从横向填挖交界沉降变化曲线分 析来看，要分析不均匀沉降对路面结构 的影响，只需讨论填挖交界点(x=0)处路 基不均匀沉降对路面各结构层弯拉应力 大小的影响即可。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 5.1 i 对路面各结构层弯拉应力 的影响 假定 L=10m,i 对路面各结构层 弯拉应力大小的影响如图 1 所示。从图 1 可以看出，水泥混凝土面板和基层的 弯拉应力随i 的增加基本呈线性增加， 当i=0.582 时，面板的弯拉应力已超 过其容许拉应力，即面板已出现破坏。 当板厚在 22-28cm 之间时， i 的临界 值为 0.7410.582，相应的临界 u0 在 7.45.8 之间 。 5.2L 对路面各结构层弯拉应力的 影响 假定i=0.6，L 对 路面各结构 弯拉应力大小的影响如图 2 所示。从图 2 可以看出，当 L10.4m 时，面板的弯 拉应力才能满足其容许拉应力的要求。 从计算结果来看，在 L=10m 的 条件下， 面板厚度为 2228cm 时，临界的 L 值 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 为 8.210.4m. 从计算结果来看，对于表 1 所示 的水泥混凝土路面，当路基不均匀沉降 长度 L=10m 时，容许的最大不均匀沉 降量为 5.8cm;当限定沉降变坡率 i=0.6，时，路基不均匀沉降长度 L 应 大于 10.4m。 6 容许不均匀沉降指标值计算公 式的简化 从前述水泥混凝土路面容许不均 匀沉降指标值计算公式的推导过程来看， 为了在设计和施工时计算路基不均匀沉 降指标的控制值，必须针对具体的路面 结构进行相应的计算，而计算过程相对 比较繁琐。为了工程应用计算的简便， 有必要对计算公式进行简化。 从应力计算公式可以看出，当 k20MN/M3 时，e-L 值一般很小，可 以不予考虑。因此可在相关表达式中忽 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 略与 e-L 有关的项。同时，根据对大 量计算结果的统计回归分析，最终得到 的水泥混凝土路面横向填挖交界处路基 不均匀沉降控制指标的计算公式简化如 下： i=L (11) 式中：b、Eb 和 hb 分别为水 泥混凝土板的弯拉强度、弯拉模量和厚 度。 上述简化公式计算结果的相对误 差一般在 1%以内，可代替理论公式进 行容许工后不均匀沉降指标的计算。 7 结论 从以上对横向填挖交界处路基不 均匀沉降对水泥混凝土路面结构的影响 分析可以看出，容许的最大不均匀沉降 值跟特征长度 L、各结构层的模量和厚 度、地基反应系数 k 等因素都有关系， 然而在众多的影