复合式路面硬路肩弯沉修正及承载力评价

姚学昌，张荣利，吕锡平，李善强

(1.佛开高速公路南段改扩建项目管理处,广东 江门 529000；2.广东华路交通科技有限公司,广州 510420)

0 引言

对既有高速公路进行拓宽改建，不仅能充分利用既有公路，不会增大占地面积，而且具有较好的经济效益。与新建公路相比，旧路加宽改造具有施工难度大、工艺复杂、质量要求高等特点[1]。

E Vos[2]以及Van Meurs等[3]对拓宽路基填土采用间歇法填筑进行了有限元分析。R Brinkgre等[4]对新老路基选取不同本构关系时的差异沉降进行了对比分析。章定文[5]分析了台阶宽度对路面结构受力的影响，表明新老路面拼接时设置台阶可以有效地降低拼接路面结构中的剪应力以及不协调变形。杜卫民[6]通过对几种软土地基加固处理后的实测沉降数据进行对比分析，表明采用PCC管桩加固的路段，路面总的变形大、工后沉降小。

现有研究中，备受关注的技术主要为：(1)新老路基差异沉降控制标准及技术；(2)路基路面拼接技术；(3)特殊地基加固处治方式。现有研究对旧路面的承载力准确评估尚较少涉及。因此，本文以佛开高速公路改扩建工程为依托，根据佛开高速公路改扩建工程的特点，通过理论分析与现场实测相结合的方式，基于最大程度利用硬路肩的绿色理念，对佛开高速公路复合式路面硬路肩的弯沉修正及承载力进行了研究。

1 工程概况

佛开高速公路于1996年12月建成通车，双向四车道，路基宽度为24.5m。车道主要结构形式为26cm水泥砼面板+18cm6%水泥稳定石屑+15cm4%水泥稳定颗粒，路肩的主要结构型式为22cm水泥砼面板+21cm6%水泥稳定石屑。当时考虑排水的需要，在硬路肩水泥板下设置了排水盲沟，排水盲沟设置间距为20m。

在重交通荷载的作用下，原路面行驶性能下降幅度较大，故于2008年对原路面进行加铺沥青层改造,加铺后主线的结构型式见表1。随着经济的增长，加铺后的复合式路面在通车十多年后，通行能力已不能满足现状需求。因此，2018年对佛开高速公路进行改扩建，由双向四车道拓宽为双向八车道。

表1 佛开高速公路路面结构型式

秉承绿色工程的理念，在佛开高速公路改扩建工程中，项目组创新性地提出了最大程度利用旧路肩的思路。对旧路肩承载力进行准确评估是最大程度利用硬路肩的基础，而在现有路面检测的手段中，采用FWD进行弯沉检测是较为有效、准确的方法。

由表1可见，在佛开高速公路改扩建工程中，利用硬路肩的复杂性在于硬路肩结构与主线不一致，厚度较行车道薄，结构薄弱，且硬路肩设置了排水盲沟，因此，需要对硬路肩的承载能力进行评估；而改扩建工程往往工期紧、交通组织困难，在进行FWD弯沉测试时，硬路肩一侧的土路肩往往已被挖除，测试条件发生了较大变化，如仍采用常规的测试和评价方法，将会对路肩的承载力造成误判。因此，需对硬路肩无侧向约束条件下的承载力进行修正，以便准确地掌握其结构承载力。

2 有限元模型

2.1 建模

拟定路面平面尺寸(长×宽)取10m×(3.75+2.50)m，其中慢车道宽为3.75m，路肩宽为2.50m；水泥板长取4.25m，路基计算深度取6m。边界条件采用固定路基底面X、Y、Z三个方向位移，行车方向施加水平约束，约束Y方向位移；横断面方向行车道内侧施加水平约束，约束Y方向位移；路肩外侧不施加约束。有限元模型中各层材料采用8节点六面体完全积分单元C3D8模拟。根据佛开高速公路实际的路面结构型式，分析采用的有限元模型如图1所示。

如图1所示，图a为行车道水泥板与路肩水泥板的拉杆和传力杆；图b为钢筋埋置在水泥板中的情形；图c为整个有限元模型，圆形区域为荷载施加区域；图d为划分网格后的三维有限元模型。

图1 有限元建模过程

2.2 荷载作用模型

在道路结构力学分析中，可以使用半波正弦荷载、双圆垂直荷载、傅里叶级数形式、随机荷载模型和多自由度模型等近似模拟实际的汽车荷载[8]。用于道路结构无损检测的FWD的荷载形式是冲击荷载，而根据傅里叶级数变换可知，一般的冲击载荷均可以表示为若干个半正弦波荷载的线性组合，故可将汽车动荷载表示为半正弦波荷载。如图2所示，通过确定脉冲荷载的周期和脉冲荷载的最大值即可求得该半正弦波的波形。表2是试验路某测点FWD实测弯沉数据转化为ABAQUS时程加载曲线。

FWD现场实测中，因施工和交安设施摆设而造成横向测试空间有限，横向测试位置为加载圆盘圆心距慢车道和硬路肩接缝80cm，本次有限元仿真计算取加载圆盘圆心纵向位置距硬路肩水泥板横向接缝35cm。

图2 FWD脉冲荷载时程曲线

表2 ABAQUS加载曲线

2.3 层间接触条件

针对佛开高速公路旧路面通车运行已超过20年，因此，层间粘结条件不能设置为完全连续，需要考虑层间不完全连续状态的接触模型，共设置六个接触面。

层间摩擦因素的合理取值，是讨论层间接触问题的关键。基于现有研究成果及考虑佛开高速公路的实际路况，根据4个层间接触面的层间特性将其分成两类：(1)沥青面层与面层之间的接触面，包括第一、第二接触面，其摩擦因素设置为0.7；(2)面层与水泥板、水泥板与基层、基层与基层、基层与土基之间的基础面，包括第三、第四、第五、第六接触面，其摩擦因素设置为0.5。

图3 路面结构接触面

2.4 模型校准

为了比对模型的精确性，课题组于2018年8月进行硬路肩现场弯沉测试，测试方案见表3。

表3 FWD硬路肩弯沉测试方案

选择AK47+500路段为测试路段，路段测试结果见表4。

表4 AK47+500FWD测试结果

本次有限元分析的主要目的在于评价现行测试方法的合理性，因此原路肩暂不考虑盲沟的影响，因此，对测试的数据将盲沟测试数据剔除，求出剩余数据的平均值为101.5(001mm)。

有限元模型在不考虑路肩侧向约束的条件下，计算的弯沉值为95.5(0.01mm)，理论计算值小于实测值，为实测值的95.5%，满足工程精度要求，认为该模型精度较高。

3 硬路肩弯沉修正系数及承载力评价

3.1 弯沉修正系数

上文已建立了路肩无边界约束的三维有限元模型，经现场实测和模型验算，模型精度较高。本节主要在于计算路肩有约束条件下的FWD弯沉值，以进行FWD弯沉修正，进一步评价路肩的承载力。

本节有限元模型与上节的唯一不同之处在于：(1)增加路肩外侧的横向位移约束；(2)对比相同荷载不同加载位置下的弯沉数据，荷载移动规则为保持横向坐标不动，沿纵向接缝位置移动至板中，每次移动增加30cm，提取FWD圆心位置的弯沉。测试结果见表5。

表5 不同位置下的弯沉值

由表5可知:(1)距离接缝位置越远，弯沉值越小；(2)在前125cm范围内，弯沉值以35um/30cm、47um/30cm的速率减小。超过125cm，弯沉减小幅度变小，在245cm位置和215cm位置，差值仅为0.8um和1.7um；(3)增加横向约束后，弯沉值变小，随着距离接缝位置的增加，比值逐渐增加，比值的平均值为91.1%。

因此，确定了路肩无侧向约束下弯沉值的修正系数，如下式所示。

为了方便起见，取比值的平均值91.1%为弯沉修正系数值。

3.2 盲沟对承载力的影响评价

将2018年8月的测试数据予以分类，将盲沟处的弯沉值盲沟前、后0.5m的弯沉值予以对比分析，见表6。

表6 盲沟附近弯沉值测试情况

由表6可知，测试五点位置处，有四处盲沟的弯沉值大于位于前后0.5m点位的弯沉值。

剔除BK50+280的数据，对其他四组的数据进行方差分析，见表7。

表7 单因素方差分析-盲沟处VS盲沟附近

由表7可见，测试结果进行单因素方差分析的结果中，F小于Fcrit，表明盲沟位置和盲沟前后位置弯沉测试数据均无显著性差异，表明盲沟对结构整体承载力影响不大。

4 结论

以佛开高速公路改扩建工程为依托，基于最大程度利用硬路肩的绿色理念，结合硬路肩结构薄弱、设置排水盲沟的项目特点，在建立和校准三维有限元模型的基础上，对比分析硬路肩有无侧向约束下的弯沉值及盲沟对承载力的影响。

硬路肩无侧向约束条件下的弯沉值大于有侧向约束条件，在测试点位横坐标固定的条件下，佛开高速公路硬路肩的弯沉修正系数为91.1%；盲沟位置和盲沟前后位置弯沉测试数据均无显著性差异，表明盲沟对结构整体承载力影响不大。研究成果可为公路改扩建工程中的硬路肩承载力评价及利用提供参考和借鉴。