自调式防沉降检查井盖有限元分析和优化设计研究

顾 吟，缪 琪，黄书敏，应新兵

（1.杭州市市政设施发展中心，浙江 杭州310003；2.杭州市路桥集团股份有限公司，浙江 杭州310000；3.杭州市城建设计研究院有限公司，浙江 杭州310001；4.浙江朗洲环保科技有限公司，浙江 杭州310000）

0 引言

随着城市现代化程度的提高，城市基础设施日益完善，随路管线逐渐增加，城市道路中所设的各类检查井也随之增多。近年来，检查井井盖井圈破损、周边道路沉陷、跳车等一系列问题日益突出。随着城市长效管理工作要求的提高，井盖问题已成为城市管理的热点和难点。现拟针对自调式防沉降井盖进行数值模拟和优化分析，以期获得合理的结构形式，以及设计参数[1-7]。

1 基本概况

自调式防沉降检查井盖（见图1）通过扩大井盖底座的受力面积，减少检查井墙体立面的受力，使检查井底座与道路基层、盖框与道路面层形成整体，通过自身调节作用，使其与路面保持在同一水平面上，改变因检查井不均匀沉降而引起检查井盖框同步下沉的状况。

2 有限元模型建立

2.1 建模及相关参数

为了便于有限元分析，对路面体系作如下的基本假设：（1）各层皆由均质，各向同性的弹性材料组成；（2）土基在水平方向和深度方向均为无限，其上各层的厚度均为有限，但水平方向仍为无限；（3）沥青面层表面自由，在井盖和沥青面层表面其上作用圆形均布垂直荷载；（4）层间接触面完全连续；（5）不计路面结构自重的影响。各种材料具有不同的材料属性，根据实际情况取不同的弹性模量和泊松比。各种材料的参数取值见表1、表2所列。

2.2 边界条件及荷载

对检查井进行静力分析。静力荷载采用城-A级车辆荷载，采用最大轮重100 kN分析。按规范[1]规定，100 kN荷载的作用面积为0.6 m×0.25 m=0.15m2，单位面积荷载为666.7 kPa。以上为正常荷载工况。

然而在现实生活中，超载已是很普遍的现象，考虑超载时的最大轮重为150 kN，作用面积为0.6m×0.25m=0.15m2，单位面积荷载为1 000 kPa。以上为超载工况。

表2 土层材料模型参数表

3 沥青混凝土垫层对自调式井盖结构的影响分析

根据规范[2]，考虑自调式井盖结构井圈下部的沥青混凝土垫层的材料变化，其参数如表3所列。

表3 沥青垫层参数变化一览表

图2～图4为各种标号沥青垫层中和沥青垫层下路基土层附加应力合力情况云图。表4为沥青垫层参数变化对附加应力影响一览表。

图2 AC-25

图3 AC-20

图4 AC-13

表4 沥青垫层参数变化对附加应力影响一览表

由计算结果（见表4）可以看出，沥青材料的变化引起井筒上部附加应力合力影响变化很小，从79.61 kN增大到80.16 kN，增加0.69%；材料变化引起沥青混凝土垫层本身的附加竖向压应力增大，从3.687 MPa增加到4.185 MPa，增加13.5%；材料变化引起沥青混凝土垫层下部路基土层附加应力减小，从11.66 kPa减少到10.11 kPa，减少13.3%。综上所述，沥青混凝土垫层材料的改善在一定程度上可以减小下部路基土层的附加应力，从而减少沉降的发生，但效果不明显。

4 不同工况下自调式井盖结构的受力情况对比分析

假设交通荷载分别作用在井盖中间及井盖侧边，对比两种工况下自调式井盖结构的受力情况（见图5～图7及表5）。

图5 不同加载位置井筒附加应力合力示意图

图6 不同加载位置井筒附加竖向应力示意图

图7 不同加载位置沥青垫层附加竖向应力示意图

表5 中心受力和偏心受力情况对比一览表

由计算结果（见表5）可得，两种情况下井筒上方附加应力合力并没有明显变化，而这两种情况会影响井筒顶部和沥青垫层的附加应力分布。其中，井筒顶部最大附加应力明显增大（为中心受力时的2.62倍），更容易造成检查井与邻近路面的沉降或局部破坏。

5 尺寸影响分析

见表6所列及图8所示。

从图8可以看出，沥青垫层在偏心力作用下较大应力侧的平均应力随尺寸增大而减少，但随着尺寸增大，下降幅度渐渐趋于平缓。如果安全系数取2.0，则井圈尺寸约10.7 cm；如果安全系数取2.5，则井圈尺寸约15.2 cm左右。

表6 不同井圈尺寸条件下沥青平均应力（偏心荷载较大应力处）一览表

图8 偏心荷载下较大应力侧沥青平均应力曲线图

6 优化设计

通过有限元分析计算，综合考虑安全、经济、实用等因素，采用井圈尺寸为15.0 cm，并对自调式检查井盖支承边进行优化设计，提高其防沉降能力。其设计详图见图9所示。

图9 自调式检查井井盖防沉降优化设计详图

7 结 语

结合杭州市城市道路加固改造工程实施，根据优化设计成果，制定发布《城市道路检查井提升改造通用图》和《防沉降检查井提升改造施工工法》，组织开展城市道路检查井防沉降提升改造工作，累计完成检查井提升改造1.8万余座，提升了城市道路的平整度和美观度，取得了良好的效果。