许海亮，覃吉宁，任合欢，何 炼

(北方工业大学土木工程学院，北京 100144)

城市道路除了是交通出行的主要载体，也是城市市政管线布设的主要通道，包括给排水管道、燃气管道等。道路路面结构的受力状态必然会受到埋地管道(特别是浅埋管道)影响。大量工程表明，埋地管道的设置不当会导致路面结构过早出现破坏，路面结构使用年限减短。现行规范中，道路路面结构设计中未考虑路面结构受埋地管道的不利影响，缺少含埋地管道路面结构的控制指标，因此开展行车荷载对含埋地管道沥青路面结构受力分析具有一定的理论和应用价值。

作为研究热点，相关学者对其进行了大量研究，现有研究成果主要集中在车辆荷载作用下管道的受力状态：如张土乔、王直民、杨俊涛等对埋地管道受交通荷载作用下的力学性状进行了研究[1-2]。金贤玉、杜健对交通荷载作用下井的沉降进行了数值模拟和试验研究[3]。BAJCAR对交通振动荷载对天然气输送管道的影响进行了研究[4]。OZDEMIR采用数值计算方法研究了路面破碎作业对埋地管道产生的振动效应[5]。李新亮等对交通荷载作用下的埋地管道进行了应力分析和现场测试试验[6]。刘啸奔等对断层作用下埋地管道应变分析方法研究进展进行了分析[7]。从路面不平整度方面对车路耦合作用也开展了相关研究[8-9]，但有关路面结构的受力状态研究成果相对较少。

本文综合考虑上述研究成果，利用有限元数值模拟软件，建立含埋地管道沥青道路结构模型，研究双圆轮荷载作用下，管道埋深对道路各结构层的力学影响，为研究含埋地管道沥青路面结构的破坏机理做准备，为市政道路管道上方路面设计和施工提供了理论参考。

1 结构模型的建立

1.1 荷载参数设置

行车轮胎与路面之间的接触面积、接触形状和接触压强都比较复杂，因此在模拟计算过程中采用《城市道路路面设计规范》(CJJ 169—2012)规定的双圆轮荷载模型，计算荷载标准采用轴载BZZ-100。设计参数如下：标准轴载为100 kN，轮胎接地压强为0.70 MPa；单轮传压面当量直径d为21.30 cm；两轮中心距1.5d为31.95 cm。

1.2 边界条件设置

根据已有经验[10-11]，路面结构计算模型选用尺寸6 m(长)×6 m(宽)×3.06 m(高)能够满足计算要求。边界条件设置为：顶面为自由面、其它面为全固结。采用八节点Solid185等参单元，对模型进行网格划分，同时对双轮荷载作用集中区域2 m(长)×2 m(宽)×0.56 m(高)进行加密网格划分。预埋混凝土管道参数为：内径0.30 m，外径0.37 m，壁厚3.5 m，长度6 m。采用PIPE288单元进行网格划分，其有限元计算模型如图1所示。

图1 道路结构有限元计算模型图

1.3 模型结构参数和分析面设置

路面结构包含沥青面层(上、中、下三层)、水泥稳定碎石层(上、下两层)和路基层，各层参数设置如表1所示。管道埋设于X=3 m中线的正下方，分别计算4种不同工况，管道位置如表2所示。

表1 结构及材料参数

表2 各工况管道位置

计算过程中将道路结构层视为弹性层状体，结构层间接触状态假定为完全连续。同时根据模型的对称关系计算过程中选取1/2模型展开分析，如图2所示。

图2 道路结构(1/2)分析模型

2 行车荷载对路面结构位移影响分析

2.1 对路表弯沉值的影响分析

路表弯沉值是道路结构设计的关键性评价指标，是荷载对路表作用前后路表发生变形的大小。分析中，路表双圆轮荷载圆心区域出现了最大的弯沉值。4种工况下，路表弯沉曲线如图3所示，其最大弯沉值如表3所示。

图3 路表弯沉值曲线图

表3 路表最大弯沉值

由图3和表3可知管道的埋设对路表弯沉值有影响，管道埋设深度越浅，路表弯沉值越小。以计算的4种工况为例，无管道埋设工况下路表最大弯沉值为0.45 mm，浅埋管道工况下路表最大弯沉值为0.34 mm，相差0.11 mm，减小幅值达到了24.4%。同样，与无管道埋设工况相比，中埋管道、深埋管道工况下路表弯沉值均有减少。

2.2 对路面结构各层的竖向位移影响分析

由路面结构各层层底竖向位移图(图4、图5)可知，管道的埋设减小了各层竖向位移值，管道埋设深度越浅，层底竖向位移越小。不同工况下路面结构各层层底竖向位移对比结果如表4所示。以沥青中面层为例，在无管道埋设时，层底最大竖向位移为0.40 mm；在浅埋管道工况下，层底最大竖向位移为0.29 mm，相比无管道埋设工况减小了27.5%，其他各结构层层底竖向位移情况均表现出相近的变化规律。

混凝土管道的弹性模量远大于沥青层和水稳层材料的弹性模量，混凝土管道的材料密度也是最大的，因此埋设管道改变了附近区域的弹性模量，增加了整体强度。导致随着管道埋深的减少，弯沉值减少，结构各层层底最大竖向位移越小。

图4 沥青上面层层底竖向位移图

图5 沥青下面层层底竖向位移图

表4 各层层底最大竖向位移

3 行车荷载对路面结构应力影响分析

3.1 行车荷载对竖向应力的影响分析

各工况下管道埋设对路面结构各层层底竖向应力影响如图6、图7所示，各层中心点竖向应力变化如表5所示。

图6 沥青中面层层底竖向应力图

管道的埋设改变了竖向应力的分布情况，增大了路面结构各层层底的竖向应力。从表5可知，浅埋管道对沥青下面层竖向应力影响最大，增大幅值为31.80%；中埋管道对水稳下基层竖向应力影响最大，幅值为699.08%；深埋管道对水稳下基层竖向应力影响最大，幅值为218.35%。

3.2 行车荷载对水平应力的影响分析

图8、图9为各工况埋设管道对沥青中面层层底和水稳上基层层底的水平应力影响示意图。从图中可知，沥青中面层主要受水平压应力，水稳上基层主要受水平拉应力。管道埋设在一定程度上会减小各层水平应力。对4种工况下各结构层中心点处的水平应力值进行统计，如表6所示。由表可知，管道埋设后路面结构各层的水平应力均有减小，其幅值为8.20%～46.25%。

图7 水稳上基层层底竖向应力图

由于管道的材料强度较大，埋设管道对路面结构起到了一定的支撑作用。观察管道埋设前后路面结构各层的竖直、水平应力变化规律发现，与无管道情况对比，管道埋设增大了路面结构各层层底的竖向应力，减小了横向应力的数值，且管道埋深越浅，横向应力减小的幅度值越大。

4 结论

本文利用有限元数值模拟软件计算在行车荷载作用下，无管道和含浅、中、深埋管道路面结构的竖向、水平位移，竖向、水平应力和弯沉值，经对比分析得出以下结论：

表5 各层中心点竖向应力变化

图8 沥青中面层层底拉应力图

图9 水稳上基层层底拉应力图

表6 各层中心点水平应力变化

(1)与无管道工况相比，埋地管道使得路面结构各层的弯沉值减小、竖向应力增大、水平应力减小；存在埋地管道时，浅埋管道对路面结构受力影响最大。

(2)埋地管道对道路路面结构各层层底的竖向位移有较大影响，各层竖向位移随管道埋设的深度减小而减小，其变化幅值为14.0%～30.8%。

由于管道材料强度高于路面材料，增大了管道埋设区域的弹性模量，使得路面结构强度均匀性发生改变，并对路面结构起到了一定的支撑作用，导致其力学响应存在差异，最终使得路面结构各层竖向位移减小、竖向应力增大、水平应力减小。