（工程力学专业论文）土工格栅加筋含有地下管道的沥青路面结构分析.pdf

本 硕士学 主 席：脚 伽壶夭孚 居援 委员： 芝夕墨刽粥b 膨 即巾箬肫p p 秘 导厩豸 玄雩屏绷么荔 工 乏 蕾 融 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金厦王些友堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 酌同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 ， 学位论文作者签字：仅筝字日期：函，年9 月阴 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴王些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金目巴王些太 ：l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期力，1 年y 月谚日 歹专红 酬i 彳乃测 l 邮编： 事萨 ， 0 吃 月 0 p ： 年 名 签 b 糙 曲 文 期 论 日 位 字 学 签 土工格栅加筋含有地下管道的沥青路面结构分析 摘要 随着我国经济的快速发展，城市道路作为现代化居民生活高效率、高质量 运转的保证，建设里程和等级较过去都已有了很大的提高，道路修建已进入了 的快速发展时期。然而道路受到交通荷载与环境因素等因素的综合影响，在使 用过程中，开裂破损的形式会逐渐出现，进而导致路面的相应病害的产生，既 影响了道路的正常通车，又给道路的交通安全系数带来了很大的影响。 而城市道路的地下管道在城市的现代化生活中发挥的功能越来越重要的同 时，也给道路正常使用带来不同程度的破坏。针对由于含有地下管道的设计与 施工等方面不足，建议几种措施进行降低地下管道对路面的影响，本文针对选 用土工格栅的措施来改善与加强路面结构，通过分别加筋在上面层、中面层、 下面层、基层底部的方案的计算结果进行比选，结合土工格栅加筋含有地下管 道的城市道路相关技术研究，得到有益的结论。 本文基于有限元理论进行分析，利用a n s y s 软件进行实际建模计算，结合实 际工程情况，主要对土工格栅加筋含有地下管道的城市沥青混凝土路面做以下 几个方面研究： ( 1 ) 、对含有地下管道引起城市沥青混凝土路面破坏的相关规律进行阐述， 并与选取的调查路段进行对比验证，以得到地下管道对路面破坏规律； ( 2 ) 、针对地下管道对路面的不利影响，选取土工格栅加筋的措施来改善 路面结构，对土工格栅的铺设不同层位进行系统计算比较分析； ( 3 ) 、针对路况的病害，给出相应的土工格栅加筋位置，同时由于含有地 下管道的城市道路施工沟槽回填的特殊性，给出其建议加筋位置； ( 4 ) 、由于路面病害的存在，对加筋的层数与模量进行比较分析，结合工 程实际的性价比，提出合理的定量指标； ( 5 ) 、结合现有的实际工程，在一定的条件下，探讨地基与沟槽回填模量 对土工格栅对路面加筋效果的影响； 本文的研究成果不仅直接应用于城市道路的施工，而且为合理运用土工格 栅加固软土地基的设计、施工提供理论依据是非常必要的。 关键词：土工格栅；城市道路；地下管道；有限元；差异沉降 s t r u c t u r ea n a l y s i so fg e o g r i d - r e i n f o r c e df o rp i p e l i n e u n d e rt h ea s p h a l tp a v e m e n t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u re c o n o m y ，a sg u a r a n t e eo fh i g he f f i c i e n c y a n dh i g hq u a l i t yo fm o d e r nl i f e ，t h eu r b a nr o a dh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e di n c o n s t r u c t i o nm i l e a g ea n dl e v e lc o m p a r e dw i t ht h ep a s t ，r o a d sb u i l d i n gh a s e n t e r e da r a p i dd e v e l o p m e n tp e r i o d h o w e v e r ，d u e t ot h ec o m p r e h e n s i v ee f f e c to ft h ef a c t o ro f r o a dt r a f f i cl o a da n de n v i r o n m e n t ，c r a c k i n gb r o k e np h e n o m e n o n sg r a d u a l l ya p p e a r i nu s ep r o c e s s ，w h i c hl e d t ot h ec o r r e s p o n d i n gd i s e a s e so ft h ep a v e m e n t i t i n f l u e n c e st h en o r m a lt r a f f i c o fr o a d ，a n db r i n g sg r e a te f f e c to nt r a f f i cs a f e t y c o e f f i c i e n t u n d e r g r o u n dp i p e si nu r b a nr o a d sp l a yam o r ea n d m o r ei m p o r t a n tr o l ei n m o d e r nl i f e 。b u tt h e ya l s ob r i n gd i f f e r e n td a m a g ea n da f f e c tt h en o r m a lu s e a i m e d a tt h es h o r t a g eo fd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fu n d e r g r o u n dp i p e s ，s e v e r a lm e a s u r e s w e r er e c o m m e n d e dt or e d u c et h ei m p a c to fu n d e r g r o u n dp i p eo nt h er o a d i n t h i s p a p e r ，g e o g r i dw a ss e l e c t e dt o s t r e n g t h e na n di m p r o v et h ep a v e m e n t s t r u c t u r e t h r o u g hc o m p a r i s o no ft h er e s u l t so fs c h e m e so fr e i n f o r c e m e n tb yt h eu p p e r l a y e r , t h es u r f a c el a y e r ，t h ef o l l o w i n gl a y e ra n dt h eb o t t o mo f t h eg r a s s - r o o t s ，c o m b i n e d w i t hr e l a t e dt e c h n o l o g yr e s e a r c hi ng e o g r i dr e i n f o r c e m e n ti nu r b a n r o a dc o n t a i n i n g u n d e r g r o u n dp i p e s ，u s e f u lc o n c l u s i o n sw e r ea b t a i n e d b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r y ，p r a c t i c a lm o d e l i n gc a l c u l a t i o nb ya n a l y s i s s o f t w a r ea n s y s ，c o m b i n i n gw i t h a c t u a le n g i n e e r i n gs i t u a t i o n ，t h i sp a p e rw i l l m a i n l yr e s e a r c ht h e t h ef o l l o w i n ga s p e c t s p a v e m e n tc o n t a i n i n gu n d e r g r o u n dp i p e s ： o fg e o g r i di nu r b a na s p h a l tc o n c r e t e 1 i tt e l l ss o m el a w so ft h ed a m a g eo fa s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n tc a u s e db y u n d e r g r o u n dp i p e s ，a n dc o m p a r e sw i t hs e l e c t e ds u r v e ys e c t i o n ，i no r d e r t oo b t a i n d a m a g er u l e so fp a v e m e n t 、 2 b a s e do na d v e r s ei n f l u e n c eo fu n d e r g r o u n dp i p e l i n eo np a v e m e n t ，t h et a k e m e a s u r e so fs e l e c t i n ga u t o m o b ig e o g r i d t oi m p r o v ep a v e m e n ts t r u c t u r e ，a n d s v s t e m a t i c a l l yc a l c u l a t ea n da n a l y z ed i f f e r e n th o r i z o no f t h el a i do fg e o g r i d 3 a i m e da ts p e c i f i cd i s e a s e so fr o a d s ，t h ep a p e rp o i n t sc o r r e s p o n d i n gg e o g r i d p o s i t i o n ，a n db e c a u s ei t sp a r t i c u l a r i t yo ft h eu r b a nr o a dc o n t a i n i n gu n d e r g r o u n d p i p e l i n ec o n s t r u c t i o no ft h eg r o o v eb a c k f i l l i n g ，t h ep a p e rs u g g e s t s i t sr e i n f o r c e d 1 0 c a t i o n 4 d u et ot h ee x i s t e n c eo fr o a dd i s e a s e s ，r e i n f o r c e m e n tl a y e ra n d t h em o d u l u s i sa n a l y z e d ，a n dc o m p a r e dw i t hp r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，t h i s p a p e rp u t sf i o r w a r dt h e r e a s o n a b l eq u a n t i t a t i v ei n d i c e s 5 c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a l e n g i n e e r i n g ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ee f f e c to f f o u n d a t l o na n dg r o o v eb a c k f i l l i n gm o d u l u so n p a v e m e n to fg e o g r i dr e i n f o r c e m e n t i nc e r t a i nc o n d i t i o n s 1h er e s u l t so ft h i s p a p e rc a nn o to n l yd i r e c t l y ) ea p p l i e di nu r b a nr o a d c o n s t r u c t i o n , b u ta l s op r o v i d et h en e c e s s a r yt h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h er a t i o n a lu s e o f g e o g r i dr e i n f o r c e df o rs o f ts o i lf o u n d a t i o nd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：g e o g r i d ；u r b a nr 。a d ；u n d e r g r o u n dp i p e l i n e ；f i n i t ee l e m e n t ；u n i f o r m s e t t l e m e n t 致谢 学生生涯即将结束，回想从进校时的天真无知，到今天不断地思考规划自 己的人生未来，感慨颇深。 在学位论文付稿之际，我首先要感谢敬爱的导师方诗圣教授，是他带我融 入科研圣地的氛围中，并全程悉心指导我的学位论文，培养我不断地成长与进 步。从平时的学习研究到这篇论文的最终完成无不倾注方教授的心血，导师对 我字字句句的鼓励、鞭策和宽容，更令我由衷感激。 导师为学严谨、知识渊博、为人本分。研究生三年期间，通过参与课题的 学习过程中，方老师提供了我许多综合能力素质锻炼的机会。这无论对我从事 科研能力还是学习生涯都有很大的帮助，同时也对我即将走上工作岗位之后的 技术及为人处世的能力提高，奠定坚实的基础。在生活方面，导师寒暄问暖， 在个人前途方面也是关怀备至。谨在此向恩师表达我最永远的敬意和最诚挚的 祝福! 对土木与水利工程学院的各位领导和老师们的培养和帮助表示感谢! 对从事课题研究过程中，得到合肥市建委李宏卓副主任、合肥市重点工程 建设管理局的李德章总工、王源容处长、李殿忠科长以及相关专家的大力支持 表示感谢! 在攻读硕士学位期间，得到了师兄李贺才、任晓亮、潘强、付- 4 , 、王轶 昕，师姐刘倩倩，同门廖华平、吴少杰、肖兵、许永永，师弟章晓辉、何翔、 洪刚、康小方，室友张寅、叶中豹等人的大力帮助，情谊珍贵难忘，在此表示 一并感谢! 我要将最深的谢意献给我勤劳朴实的父母，父母的养育之恩、哥哥与姐姐 无私善良的大力支持我顺利完成本科和研究生学业，流了多少汗水，付出了多 少心血。是他们不断地给我勇气，激励我在人生的道路上披荆斩棘、奋勇前行! 虽然这种亲情也许我一辈子都还不尽，但是我一定会毕生好好孝敬和报答他们， 因为他们是世界上最美、最可爱、最让我尊敬的人。 最后，谨以此文对所有帮助过我的人致以诚挚而崇高的谢意! 作者：张利 2 0 11 年3 月 2 1 路面结构形式调查7 2 2 结构设计理论7 2 3 该路段路段排水和路线设计7 2 4 沥青路面调查的两种主要埋管形式布置图8 2 5 路面裂缝的调查8 2 6 路面其他病害类型1 l 2 7 路面损害调查汇总1 2 2 8 地下管道引起路面裂缝的原因分析1 3 第三章土工格栅工程特性及加筋机理分析1 5 3 1 土工格栅概述1 5 3 1 1 土工格栅的概念1 5 3 1 2 土工格栅的类型1 5 3 1 3 土工格栅的功能1 7 3 1 4 几种格栅的适用范围1 7 3 2 土工格栅的工程特性1 8 3 2 1 土工格栅的物理特性1 8 3 2 2 土工格栅的拉伸力学特性1 8 3 2 3 土工格栅的长期特性1 9 3 3 土工格栅加筋机理2 1 3 3 1 摩擦加筋原理2 1 3 3 2 准( 似) 粘聚力原理2 2 3 4 土工格栅在沥青路面工程的作用2 4 第四章土工格栅加筋路面的计算理论与力学模型2 7 4 1 模型的简化与假定2 7 4 2 有限元分析软件的选用2 7 4 3 土体单元2 8 4 3 1 土体本构关系2 8 4 6 2 单元网格划分3 8 4 6 3 荷载简化3 9 4 6 4 边界约束条件4 0 4 7 本章小结4 0 第五章土工格栅加筋含有地下管道的路面结构的力学特性研究4 2 5 1 未铺设土工格栅的道路计算4 2 5 1 1 未铺设土工格栅的路面弯沉分析4 2 5 1 2 没有铺设土工格栅的路面应力分析4 5 5 2 土工格栅加筋路面的影响效果4 6 5 2 1 布置土工格栅对路面弯沉影响的效果j 4 6 5 2 2 铺设土工格栅对道路结构应力影响效果4 9 5 2 3 铺设土工格栅对地下管道的影响效果5 1 5 3 土工格栅的铺设位置对路面各结构层的影响5 2 5 3 1 路面结构层上表面5 3 5 3 2 路面结构层上面层底部5 6 5 3 3 路面结构层中面层底部5 8 5 3 4 路面结构层下面层底部6 0 5 3 5 路面结构层基层底部6 3 5 4 改变格栅的层数对路面的影响情况6 5 5 5 土工格栅的模量对道路的影响情况6 7 5 5 1 加筋层位的确定6 7 5 5 2 筋材模量对路面的影响6 7 5 6 沟槽形式对道路铺设土工格栅的影响6 9 5 7 路基土体与沟槽回填土对土工格栅的加筋效果的影响7 2 5 8 本章小节7 4 第六章土工加筋沥青路面的经济、社会效益与建议的旌工要点7 5 6 1 利用格栅加强沥青路面技术经济与社会效益分析7 5 6 1 1 经济效益分析7 5 6 1 2 社会效益分析7 6 6 2 土工格栅加筋含有地下管道的沥青路面建议施工要点7 7 第七章结论与展望7 9 7 1 主要研究结论7 9 7 2 展望8 0 参考文献8 l 攻读硕士学位期间发表的论文8 5 插图清单 图2 1 沥青路面含纵向主干管的三维计算简图8 图2 2 沥青路面含横向主干管的三维计算简图8 图2 3 沥青路面的横向裂缝调查9 图2 4 沥青路面的纵向裂缝调查1 0 图2 5 沥青路面的纵向裂缝调查1 1 图2 6 车轮行驶轨迹处出现基层浆体1 2 图2 7 车轮轨处出现的坑槽1 2 图2 8 沥青路面破坏程度比例饼状图1 3 图3 一l 土工格栅的具体分类图示1 6 图3 2 土工格栅在加筋土体中受力图2 1 图3 3 土工格栅对土体颗粒的镶嵌作用示意图2 2 图3 4 土工格栅与土体摩擦作用示意图2 2 图3 5 加筋与未加筋土样的应力圆分析2 3 图4 1m o h r c o u l o m b 屈服面和d r u e k e r p r a g e r 屈服面示意图2 9 图4 2 应力与应变之间的关系图3 0 图4 3 局部坐标下的基本单元3 1 图4 4 土工格栅的三种典型拉伸曲线图3 3 图4 5 土工格栅的三节点薄膜单元3 4 图4 - 6 路面结构1 2 对称有限元单元划分图3 9 图4 7 沥青路面含纵向主干管的三维计算简图3 9 图4 8 地下管道上的沥青混凝土路面的结构形式4 1 图5 1h = l m 情况下，弯沉随不同回填土抗压弹性模量变化关系图一4 3 图5 2h = 2 m 情况下，弯沉随不同回填土抗压弹性模量变化关系图4 3 图5 3h = 3 m 情况下，弯沉随不同回填土抗压弹性模量变化关系图4 3 图5 4h = 4 m 情况下，弯沉随不同回填土抗压弹性模量变化关系图4 4 图5 5h = 5 m 情况下，弯沉随不同回填土抗压弹性模量变化关系图4 4 图5 6 不同的模量下的路面应力曲线4 5 图5 7 各结构层应力曲线4 5 图5 8 汽车荷载作用的正常路基弯沉4 7 图5 - 9 作用土工格栅的路基弯沉4 7 图5 1 0 两种路况下的弯沉数值对比4 9 图5 1l 两种路况下水平x 方向的应力对比4 9 图5 1 2 土工格栅在汽车荷载作用下的应力图5 0 图5 1 3 汽车荷载作用的正常底基层应力一5 0 图5 1 4 含有格栅的基底层结构应力图5 0 图5 15 两种路况下的基底层应力x 方向数值对比5 1 图5 1 6 未铺设格栅的道路管道应力图5 1 图5 1 7 铺设格栅的道路管道应力图一5 l 图5 1 8 土工格栅加筋路面结构模型示意图5 2 图5 1 9 格栅铺设于不同结构层下的路面上表面x 方向应力变化图5 3 图5 2 0 格栅铺设于不同结构层下的路面上表面y 方向应力变化图5 3 图5 2 1 格栅铺设于不同结构层下的路面表面x y 方向应力变化图5 3 图5 2 2 土工格栅铺设于结构层中的路表弯沉云图5 5 图5 2 3 土工格栅铺设于不同的结构层中的路表弯沉曲线5 5 图5 2 4 格栅铺设于不同结构层下的路基上面层底x 方向应力变化图5 6 图5 2 5 格栅铺设于不同结构层下的上面层底部y 方向应力变化图5 6 图5 2 6 格栅铺设于不同结构层下的上面层底部x y 方向应力变化图5 6 图5 2 7 土工格栅铺设于结构层中的上面层底部弯沉云图5 7 图5 2 8 土工格栅铺设于不同的结构层中上面层底部弯沉曲线5 7 图5 2 9 格栅铺设于不同结构层下的路基中面层底x 方向应力变化图5 8 图5 3 0 格栅铺设于不同结构层下的中面层底部y 方向应力变化图5 8 图5 3 1 格栅铺设于不同结构层下的中面层底部x y 方向应力变化图5 9 图5 3 2 土工格栅铺设于结构层中的中面层底部弯沉云图5 9 图5 3 3 土工格栅铺设于不同的结构层中面层底部弯沉曲线6 0 图5 3 4 格栅铺设于不同结构层下的路基下面层底x 方向应力变化图6 0 图5 3 5 格栅铺设于不同结构层下的下面层底部y 方向应力变化图6 1 图5 3 6 格栅铺设于不同结构层下的下面层底部x y 方向应力变化图6 1 图5 3 7 土工格栅铺设于结构层中的下面层底部弯沉云图6 2 图5 3 8 土工格栅铺设于不同的结构层下面层底部弯沉曲线6 2 图5 3 9 格栅铺设于不同结构层下的路基基层底x 方向应力变化图6 3 图5 4 0 格栅铺设于不同结构层下的基层底部y 方向应力变化图6 3 图5 4 l 格栅铺设于不同结构层下的基层底部x y 方向应力变化图6 3 图5 4 2 土工格栅铺设于结构层中的基层底部弯沉云图6 4 图5 4 3 土工格栅铺设于不同的结构层基层底部弯沉曲线6 4 图5 4 4 不同的格栅铺设层数对路表层x 方向应力图6 5 图5 4 5 不同的格栅铺设层数对路表层y 方向应力图6 6 图5 4 6 土工格栅铺设于不同的结构层基层底部弯沉曲线6 6 图5 4 7 不同土工格栅铺模量下基层底部x 方向应力曲线一6 8 图5 4 8 不同土工格栅铺模量下基层底部y 方向应力曲线6 8 图5 4 9 不同土工格栅铺模量下基层底部x y 方向应力曲线：一6 8 图5 5 0 不同土工格栅铺模量下路面弯沉曲线6 9 图5 5 1 含有地下管道的沟槽截面形式断面图一7 0 图5 5 2 两种放坡形式下的路表弯沉7 0 图5 5 3 两种放坡形式下的路表x 应力7 1 图5 5 4 两种放坡形式下的路表y 应力7 1 图5 5 5 两种放坡形式下的格栅水平x 应力7 1 图5 5 6 两种放坡形式下的基层底部水平x 应力7 2 图5 5 7 沟槽回填土与路基土模量之比的影响7 3 图5 5 8 回填土与路基土模量一定下的格栅模量不同影响7 4 表5 1 两种情况下的弯沉数据列表4 8 1 1 研究的背景与意义 第一章绪论 随着城市大建设的快速发展，与之相配套的市政基础设施尤其是城市道路 建设也随之正在蓬勃推进，相关的给排水管线、天然气与城市煤气管线、电力 和电缆管线、通讯、消防管线等也越来越多，这些地下构造物日益显现出为城 市赖以生存发展的物质基础，是现代化城市居民生活高效率、高质量运转的保 证，被誉为城市地下“生命线”。但同时也正由于这些地下管道的存在，引起路 面差异沉降，从而造成路面开裂、沉陷、井体下沉和井周环状或放射状裂缝等 病害。 然而，道路作为城市快速发展的“纽带”，在城市的发展建设中占有重要地 位，路面的质量直接影响行车速度与安全、养护费用、舒适和美观。因此，提 高路面外观质量，避免道路病害是非常必要的。城市道路作为城市生活中的一 项公用设施，在城市生活品位不断提升、创建现代化文明城市的同时，路面外 观质量显得尤为重要。造成这些病害的原因很多，但主要是由于设计、施工等 方面引起的。城市道路的设计涉及路面上作用的各种交通荷载，路基路面结构 还要包括地下的各种构造物；施工方面，由于地下管道的存在，管道周围的回 填土碾压施工难以保证压实度达到要求，从而导致路面差异沉降，给工程留下较 大的质量隐患，往往造成管道顶路面形成纵向裂缝、沉陷、混凝土板断板和管 道井室构造物周围路面下沉。此外车辆超载、地下水及温度的综合影响，也加 重了路面病害。地下管道引起路面差异沉降导致一系列的病害的存在不仅降低 道路质量、加大了城市道路及管线的维护工作，而且严重影响道路的使用性能、 行车安全、服务水平以及城市道路美观。 如何确保道路建设的质量减少甚至杜绝市政道路的病害、降低道路和管线 的维修工作量和资金成本，确保行车安全，提高道路服务水平，使之更好地为 城市经济建设服务，成为我们每位建设者所关注的问题。 目前含有地下管道的道路破坏而言，主要难点主要有以下几个方面：首先， 对含有地下管道的城市道路修建过程中，沟槽回填的压实度很难保证；其次， 管道的弹性模量与周边土体材料模量间差异很大造成地下管道对城市道路的影 响：再者，由于地下管道的存在对道路产生影响的成功处理工程实例或相关研 究理论比较稀少。针对上述描述的工程实际问题，研究人员经过大量的研究工 作试图通过改善沥青路面材料性能、结构组合形式等措施用以减少或避免地下 管道的存在引起城市道路病害的发生，但很难从根本上避免此现象的发生，性 价比角度也不理想。因此，我们通过对砼的作用机理的借鉴，将土工格栅在道 路沥青路面结构层中，用以抑制路面病害。通过工程实践表明，采用土工格栅 加筋沥青砼路面结构的措施，一定程度上沥青砼路面结构的整体稳定性和抗裂 性能均可以明显的提高，含有地下管道的路面使用寿命得到延长；同等荷载作 用下，路面结构层的厚度得到减薄，道路路面修建的工程造价降低；此外加筋 路面还可以表现出更好的路用性能。 本论文基于国内外含有地下构造物道路的相关研究以及沥青砼路面结构层 中加铺土工格栅有关资料n3 的基础上，针对含有地下管道的城市道路路面病害 影响严重的现状，将土工格栅铺设在含有地下管道的路面结构层中以改善现在 路面的理论和方法作进一步的探讨，探索土工格栅加筋在含有地下管道的沥青 混凝土路面结构层中防治措施的相关技术理论心1 ，提出符合我国现有节能减排 的环保策略、有效的含有地下管道的道路改造措施，及相应的施工技术，为今 后高等级公路结构层铺设土工格栅的设计与施工有很大的借鉴和指导意义。同 时，文章对依赖的课题进行进一步的研究，其丰富了土工格栅加筋城市道路地 下管道引起的的路面差异沉降的理论研究将对为合肥市市政工程道路的设计与 施工、质量监督与控制提供理论与技术上的支持均具有十分重要的实际意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 加筋土的应用技术在人类历史上拥有悠久的历史了。据史实记载，早在公 元前3 0 0 0 年以前，英国人就曾修建道路时将木排使用在沼泽地上 ( k o e r n e r ，1 9 8 6 ) 【3 】；而在公元前2 5 0 0 年左右，古罗马人在软弱地基上将天然 植物芦苇编织作为加筋材料应用其中，当时，这种技术且凭经验指导实践。但 以天然植物纤维作为加筋材料进行铺路，其致命的弱点就是易腐烂，耐久性差， 寿命短。2 0 世纪6 0 年代初，法国工程师亨利维达尔( h e n r iv i d a l ) 提出现代 加筋土理论，最初系统地对“加筋的机理进行了分析，同时提出了一套用 于加筋理论的计算方法，子1 9 6 3 年首次公布了其研究成果1 4 j ，他当初采用的加 筋材料为金属镀锌条带。1 9 7 9 年巴黎国际加筋土会议召开后，初期所采用的金 属条带的加筋材料被土工合成材料取代来加筋土体的技术提上日程，土工格栅 从此开始日益兴起。 2 0 世纪8 0 - - 9 0 年代，除了进一步探讨土工格栅加筋土结构的基本性状外， 在设计计算理论也有较大的发展。1 9 8 1 年英国诺丁汉大学的布朗等经过长达了 4 年关于土工格栅加筋以及其对路面的功能效用进行了研究，于1 9 8 5 年公布了 其研究成果，试验结果表明，加筋可以延长沥青混凝土路面的寿命，土工格栅 具有提高道路结构层的强度，长期抵抗拉应力的功效；同时可以使应力分布更 加均匀，减轻结构层徐变，从而达到防止病害的产生。8 0 年代开始p g ( p o l y m g r i d s 聚合物网栅) 的应用研究：m t l o n 公司为典型代表，开始研究塑料格栅所 具有泊勺相关材料性质；加拿大贝密尔斯有限公司研制出了加筋网格并开始运用 2 于道路的路面上；1 9 8 5 年在英国伦敦召开了国际会议专门对塑料格栅( p o l y m e r g r i dr e i n f o r c e m e n t ) 进行广泛的研讨，引起同行极大的关注，在当时的反响很 大。专题会议的召开标志着格栅在道路工程中的应用已经达到了一个新的台阶。 其中交流的具有权威代表性的研究报告，全面阐明了格栅开发以来在沥青路面 结构工程中研究的成果与应用的经验。逐渐拉开了土工格栅在公路路面应用研 究的序幕，打开了此领域研究大门。19 8 6 年11 月s f b r o w n 在中英学术会议 中向我国大致介绍了其研究成果，并对塑料格栅在沥青道路结构中的使用概况， 结果表明：加筋后的道路减少车辙约为5 0 ，可以防止反射裂缝的出现，延长疲 劳寿命可以达到1 9 倍，可减薄面层约3 6 。比利时工程人员也在改性沥青砼 道路结构层中铺设无纺土工布、加筋网的方法，通过对工程的实际调查，2 5 年后依然无反射裂缝f 5 】。1 9 9 2 年s t e i n b e r g 对t e n s a r 格栅在工程使用经验进行 了总结，通过美国长达1 0 多年的使用结果表明t e n s a r 格栅能有效减少路面的 车辙现象、加强路面面层、延长道路的寿命、拥有良好的经济和社会效益。加 拿大皇家军事学院经过大量的工程实验，得到在道路的结构层底铺设土工格栅 可以降低沥青层底拉应变近5 0 左右，铺设格栅的道路可以承受8 0 0 0 0 次荷载 碾压作用；道路结构层中无铺设土工格栅的沥青结构层层厚尽管达到为2 5 0 m m 时，汽车荷载的碾压作用只能承受约9 2 0 0 0 次作用。随后w a t e i l e d 大学对土工 格栅加筋路面的效果也进行了实际的试验，试验结果显示当土工格栅铺设在道 路结构层底部时，加筋后的的确可降低沥青结构层底部的水平拉应变。然而在 北美、欧洲和远东进行了大量足尺试验路，从试验的结果可以得到：从使用寿 命而言，采用土工格栅后比使用前可使路面结构的使用寿命平均是原来的4 倍， 从疲劳开裂的角度，含格栅的路面相对提高了约9 倍，土工格栅的加筋效果得 到了很好的验证，结果较为明显。 1 2 2 国内研究现状 土工格栅的加筋技术以其施工简单、经济有效的特点越来越受到广大学者 的青睐，同时也引起我国同行的极大关注，尽管我国对土工格栅技术理论的研 究起步较晚，但进步较快。国内自2 0 世纪8 0 年代末才开始此技术的研究工作， 首先是高等院校的相关研究人员充分了解国外的前人对土工格栅研究结论的基 础上，对其领域进一步开始研究。例如：哈尔滨建筑工程学院的研究人员在对 上海一宁波的高速公路的路面结构进行了研究，并对无铺设土工格栅与铺设土工 格栅的道路结构路段进行了对比测试，结果表明在道路结构层中布置土工格栅 后，对于道路结构延迟路面的裂缝出现时间、抗疲劳性能和减薄路基厚度的效 果。同济大学曾对沥青砼面层中加铺不同类型的土工布，研究整体沥青砼的低 温收缩、疲劳等模拟试验，得到加筋在一定程度上起的作用比较明显。长沙理 工大学的周志刚、张起森教授在国内研究此领域做了大量的工作，首次利用线 弹性的断裂力学的平面有限元对加筋材料提出使用薄膜单元，并且对薄膜单元 的理论在加筋的应用方面证明其可行的扣7 j ，进行了“土工格栅对沥青路面抗车 辙、抗开裂性能的试验研究”的项目研究，得到一些详实的一线实用结论。周 志刚教授还将土工格栅的适用范围进行扩大，在高速公路云南楚雄到大理路段 上，充分掌握工程施工现场情况，并对原设计桥型进行了具体的分析，提出了 解决桥头跳车的新方法一一t e r s a r 格栅加筋土，根据加筋后施工现场的监测、 理论计算分析与室内模型试验进行对比验证，此路段从通车至今还没有出现跳 车问题，该方法的可行性得到了有力的证明 8 - 9 。长安大学的支喜兰教授对道路 路面的结构层中的基层下面铺设土工格栅，研究其在普通路面结构中，改善路 面结构方面得到一些有益的规律。从以上的研究过程中可以看到，虽然土工格 栅在我国的路基路面处理上已经经过一段时间的探讨和研究，并在某些道路的 建设中进行运用，已经取得一定的成功经验，但是将土工格栅在含有地下管道 的道路建设相关技术研究记载还未查到。 根据土工合成材料在国内外公路中的应用研究成果，基于这个基础上并结 合我国的基本国情，在国家多部门的共同努力下，于1 9 9 9 年就制定了应用技术 规范和产品规格质量的国家标准来指导土工合成材料在我国工程领域为相关的 设计、施工和试验提供树立了规范，但其标准的内容多为原则性、指导性条文， 这样在实际工程操作起来就很难把握，尤其在对道路的路面加筋细则缺乏实质 性内容。随着土工合成材料的生产和应用技术的不断发展，其逐渐成为一门新 的边缘科学渐渐趋于成熟，近年，随着我国的改革开放与现代化建设步伐快速 前进，加筋材料技术在我国的发展也十分迅速，加筋材料品种丰富，原有的规 范需要迫切进行相应增加和修改，以起来适应我国经济社会的快速发展的需要。 2 0 12 年第八届全国土工合成材料学术会议将在天津召开，为了进一步推广土工 合成材料的应用，土工合成材料应用技术规范( g b 5 0 2 9 0 9 8 ) 的颁布并实施， 水利、铁路、交通等部门相应的行业标准也相继问世，极大地推动土工合成材 料在我国的发展，这些都为土工格栅大力服务建设、提高我国的道路建设质量 的发展前景提供了有利的环境。 1 3 本文研究内容 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 含有地下管道沥青砼路面病害现状调查 城市道路的病害对不同的路面结构其表现形式不尽相同，地下管道引起的 差异沉降对于沥青路面首先会导致路面开裂，可以分为纵向，横向，环状裂纹 等，进而发展为龟裂，严重的会引起沥青路面的坑槽、沉陷。文中选择合肥市 地下管道引起路面差异沉降破坏状况进行实地调查和资料调查，调查破坏路段 道路的等级，路面的结构形式，地下管线种类、结构型式和埋置深度、施工方 4 法、土质状况、道路排水状况及地下水位、破坏路段的交通荷载等，为后续的构 造物引起路面破坏类型分类，路面破坏机理分析，提出综合处理措施提供第一 手资料。 ( 2 ) 地下管道引起路面差异沉降破坏的机理分析 构造物引起路面差异沉降破坏的其路基路面的受力状态极为复杂，在路段 破坏机理分析中要综合考虑以下因素：交通荷载，管线的埋置深度以及管线部 位的填筑材料和施工状况、路基土的土质及填筑状况、道路排水、温度荷载等 综合影响。对破坏路段管线部位的填筑材料进行试验研究，对管线周边路基土 的回弹模量进行试验研究，为以后材料的选择和路面结构形式的设计和施工工 艺提供理论依据。对城市道路中地下管道引起路面差异沉降破坏的典型路段， 采用d p 模型模拟岩土体的非线性本构关系，建立有限元计算分析模型。综合 考虑不同土质、不同路基形式、路面结构形式，通过所建立的有限元模型对典 型地下管道引起的路面差异沉降造成的病害进行机理分析，为以后的处理措施 提供理论依据。 ( 3 ) 土工格栅在含有地下管道的土工格栅加筋加筋机理分析 由于土工格栅的发展与应用的局限性，所以其对工程的加筋技术机理研究 还不成熟，各国研究人员针对土工格栅与土体的加筋相互作用提出了多种加筋 机理，并取得了不少的研究成果，而其中的摩擦机理和准( 似) 粘聚力机理得 到大家较为普遍认可。通过对格栅的技术特性系统进行学习掌握、以及对路面 结构中的功能过渡到含有地下管道的研究，探讨出适合土工格栅加筋含有地下 管道的沥青混凝土道路加筋机理以及相应的有限元计算方法理论。 ( 4 ) 土工格栅在含有地下管道的不同筋位的内力与弯沉影响研究 利用以上计算理论与方法，建立土工格栅在含有地下管道的道路三维有限 元模型，分析其在上面层底部、中面层底部、下面层底部、基层底部在土工格 栅加筋条件下力学