（模式识别与智能系统专业论文）交通荷载下检查井受力变形研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 随着社会的不断进步发展，城市的建设不论从规模还是品质上都不断需要得 到提升，因此城市道路和市政管网的建设也必须同步跟进。检查井是城市道路和 市政管网中的重要组成部分，在其使用过程中，普遍出现了沉陷及其周边沥青混 凝土开裂等现象，严重影响了行车安全性和舒适性以及城市环境的美观。为调查 清楚引起检查井破坏的因素以及破坏机理，本文作了如下工作： ( 1 ) 作者对杭州市部分城市道路上检查井进行了现场调查，根据机动车道 和非机动车道上的检查井破坏情况的对比分析，发现交通荷载是引起检查井沉陷 和周边沥青路面开裂的主要原因； ( 2 ) 建立了检查井所受汽车冲击荷载以及残余变形的计算方法。计算分析 表明，交通荷载引起的检查井砌体残余变形并不显著，因此检查井砌体的残余变 形应该不是检查井沉陷的主要因素； ( 3 ) 针对检查井上部结构进行了三维有限元计算。计算分析表明，在单次 轮载过程中，井座垫层和砌体外边缘沥青路面竖剖面经历了反复剪切的作用。在 这种反复剪切的作用下，井座垫层和沥青路面极易出现疲劳破坏，从而引起检查 井沉陷和周边路面开裂； ( 4 ) 本文最后采用轴对称有限元计算模型，分析了交通荷载动力作用下检 查井的受力变形，分析了荷载大小、荷载作用时间和检查井材料性质对检查井受 力的影响。分析表明，作用时间的长短对动力作用下的检查井的最大应力和变形 也没有很大影响；检查井盖板在承受动力荷载过程中，会交替出现较大的拉应力 和压应力；交通荷载对检查井结构的影响的从上到下由大到小，影响深度有限。 因此交通荷载作用下检查井的破坏主要发生在上部结构。 关键词：检查井，交通荷载，现场调查，有限元，变形，应力 i l 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a st h es o c i e t yd e v e l o p sr a p i d l y ，b o t ho ft h es e a l ea n dq u a l i t yo f c i t i e s c o n s t r u e t i o nn e e dt ob ep r o m o t e d s ot h ec o n s t r u c t i o n so fu r b a n r o a d sa n dm u n i c i p a lp i p en e t w o r km u s tb ef o l1 0 w e du p m a n h 0 1 e sa r e i m p o r t a n tp a r t so fu r b a nr o a d sa n dm u n i c i p a lp i p en e t w o r k s o m ec o o n p h e n o m e n a ，s u c ha ss i n k i n go fm a n h o l e sa n dc r a c k i n go fa s p h a l tc o n c r e t e ， s e t i o u sl ye f f e c tt h es a f e t ya n dc o m f o r to fd r i v i n ga n dt h eb e a u t yo ft h e c i t ye n v i r o n m e n t i no r d e rt os p e c i f i c a l l yi n v e s t i g a t et h ed a m a g e c a u s a t i o no fm a n h o l e sa n dd a m a g em e c h a n is m ，t h isd is s e t t a t i o nd i ds o m e w o r ka sf 0 1 1 0 w ： ( 1 ) i n v e sti g a ti n gm a n h o l e si ns o m er o a d si n h a n g z h o u i tw a sf o u n d t h a tt r a f f i cl o a dw a sm o s t1 i k e l yt h ef a c t o tt oc a u s es i n k i n go fm a n h o l e s a n dc r a c k i n go fa s p h a l tc o n c r e t e ，a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r is o nb e t w e e nt h e d a m a g e so fm a n h o l e si n v e h i c l e1 a n e sa n dn o n m o t o rv e h i c l e sl a n e s ( 2 ) e s t a b lis h i n gc a l c u l a t i n gm e t h o d so fv e h i c l ei m p a c tl o a d so n t o m a n h o l e sa n dr e s i d u a l d e f o r m a t i o n s c o m p u t a t i o n a la n a l y s isi n d i c a t e d t h a tr e s i d u a ld e f o r m a t i o n so fb r i c km as o n r yc a u s e db yt r a f f i cl o a dw e r e n o tn o t i c e a b l e s ot h er e s i d u a ld e f o r m a t i o n so fb r i c km a s o n r yw e r en o t t h em a i nf a c t o rc a u s i n gm a n h o l e ss i n k i n g ( 3 ) a d o p t i n gt h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt os i m u l a t e m a n h o l e s s u p e r s t r u c t u r e c o m p u t a t i o n a la r i a l y s isi n d i c a t e dt h a tc u s h i o n s o fm a n h o l ec o v e r sa n dv e t t i c a ls e c t i o no fa s p h a l tc o n c r e t e c o n n e c t i n g t ob ri c km a s o n r y so u t e re d g eu n d e r g o n er e p e a t e ds h e a rl o a d s u n d e rt h is r e p e a t e ds h e a rs t r e s s e s ，c u s h i o n so fm a n h o l ec o v e r sa n da s p h a l tp a v e m e n ts m i g h te a sil yg i v ei nt o f a ti g u ef a il u r e ，w h i c hc a u s e dm a n h 0 1 e ssi n k i n g a n dn e i g h b o r i n gp a y e m e n tsc r a c k i n g ( 4 ) u s i n g a x is y 咖e t r i c 9 1f i n i t ee l e m e n tm o d e lt oc a l c u l a t ea n d d e f o r m a t i o na n ds t r e s so fm a n h o l e su n d e rt r a f f i cl o a d s ，a n dt oa r i a l y z e i i l 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t t h ei n f l u e n c eo fm a g n it u d ea n dd u r a ti o no fl o a d s ，a n dm a t e r i a lp r o p e r ti e s o nt h es t r e s so fm a n h 0 1 e s t h ea n a l y s isd e m o n s t r a t e dt h a tt h el o a d d u r a t i o nh a d1 i t t l ee f f e c to nm a n h o l e s p e a ks t r e s sa n dd e f o r m a t i o n u n d e r d y n a m i cl o a d ，t e n si1 ea n dc o m p r e s si v es t r e s s e so c c u r r e db yt u r n so nt h e c o v e rp l a t e so fm a n h o l e s t h et r a f f i cl o a d s e f f e c to nt h em a n h o l e sb e c a m e 1 e s sf r o mt h et o pt ot h eb o tt o m t h e r e f o r e ，t r a f f i cl o a d s e f f e c tis l i m i t e di nt h el o w e rp a r to fm a n h o l e s f o rt h isr e a s o n ，m a n h o l e s d a m a g e s m o stl yo c c u ri nt h es u p e r st r u e t u r e k e yw o r d ：m a n h o l e ，t r a f f i cl o a d s ，o n - s i t ei n v e s t i g a t i o n s ，f i n i t e e l e m e n t ，d e f o r m a t i o n s ，s t r e ss 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的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。 学位做作者鲐乞狮；4 长签字魄洳碑多月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，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) 学位论文作者签名：留艺悸和训朵 签字日期：沙f ，年弓月f ) 日 锄始( 施嚼 签字日期：伽c ，4 年弓月tr 日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 两年半的研究生生活很快就过去了。在这宝贵的学习阶段，我在学习和为人 处事上都得到了很大的收获。 本文是在张仪萍老师的悉心指导下完成的，在论文的整个写作的过程中，张 老师付出了大量的心血。张老师教会了我很多理论知识和解决实际能力以及为人 处事的方法。在他的指导下，我在硕士阶段参与多个工程实践项目，丰富了专业 知识，使我对土木工程专业的行情有更深入的了解。张老师渊博的知识、严谨的 治学态度、开阔的视野和敏锐的洞察力，都使我们肃然起敬。老师的平易近人、 和蔼可亲，对我的精心指导，使我体会到了为人师表的高贵，对我今后的工作和 生活都产生巨大的影响。在生活上张老师也给我足够的关心和爱护，令我非常感 动。感激之情无以言表。 在硕士期间，得到张土乔老师、俞亚南老师、柳景青老师、屠毓敏老师、俞 亭超老师、张燕老师、邵卫云老师、王金昌等多位老师的指导和帮助，也得到李 涛、刘伟超、王洋、严露、李剑同门师兄弟的大力支持帮助，还有市政工程研究 所徐坚、段园煜、牛辉、周胤、张巍、喻志洁、刘润生、莫伟丽、沈承、吴赛男 等所有师兄师弟、师姐师妹的鼎力相助，室友袁林的殷切关怀，郑翠女士的一直 支持和鼓励。在此，向他们表示深深的谢意。 在论文撰写期间，进行了现场资料的调查。感谢杭州市城管办市政监管中心 工程师在此期间的热心帮助和耐心指导。 感谢养育我的父母，在背后一直支持帮助、鼓励我的家人、朋友。 最后，向所有关心我、支持我和帮助我的人表示最诚挚的谢意。我会记住这 份关爱，它是我人生道路上前进的不朽动力。 饶勤波 2 0 10 年1 月 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 绪论 1 1 研究背景与意义 随着全国各省区市城市化步伐越来越快，各个城市纷纷加大城市基础设施建 设的力度，城市市容市貌焕然一新i l j o 城市道路建设也得到飞速发展，各类市政 公用管线也越来越多，城市道路上的各类检查井也随之增多。检查井一般由井盖、 井筒、井室和底板构成。检查井的分类有很多种：从材料上分有砌体结构检查井、 混凝土结构检查井和塑料检查井；从功能上分有排水检查井、电缆检查井和自来 水检查井等。 检查井不仅属于城市管网系统，而且也是在城市道路的不可缺少的组成部 分。检查井的质量好坏对城市道路和排水系都有大的影响。在现实情况中，检查 井影响到城市的市容、道路的平整度以及行车的安全和舒适性等。 在城市道路中检查井的位置普遍会发生一些破坏情况，其表现在：检查井 井盖与井座吻合不严，检查井井盖与周边路面发生沉降差；检查井周围混凝土 开裂、松散破碎；检查井和周围混凝土整体下沉；检查井内部结构的破坏， 比如砖砌体的破坏，井圈混凝土的破坏；等等。 通过调查杭州市的城市道路可知，城市道路行车道上的检查井在经过2 3 年的通车使用后，一般都会出现不同程度的沉陷。特别是坐落在车轮经常通过路 线上的检查井的沉陷更是严重。 不仅是杭州，全国城市道路上的检查井也有类似的问题。北京市市政工程研 究院对北京市小街桥至雍和宫桥段、雍和宫桥至安定门桥等路段数百座检查井现 况进行了调查1 3 j 。观测记录了检查井类型、位置、沉降方式、破坏半径、沉陷深 度、破坏范围等情况。在上述路段的5 2 4 座检查井，其中发生明显沉陷的有3 1 7 座，损坏率达6 0 4 9 。在已调查检查井中大部分为凹陷变形，发生凸起变形仅 一处，破坏半径最大10 0 0 m m ，沉陷深度最大6 0 r a m 。检查井沉陷使路面平整度劣 化并造成井周路面龟裂破坏。大同市【4 】和太原市【5 】检查井也有类似的情况。检查 井的这些问题给城市道路带来很大的弊端。 城市道路上检查井上最常见的破坏现象是检查井井盖下沉，井盖与周边路面 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 产生沉降差，检查井周边混凝土开裂破碎。这些破坏对行车非常不利，表现在车 轮行驶在检查井盖上有跳车感，减慢车速，同时井盖与井框之间由于空隙的存在 而撞击产生噪音。其后果轻则影响市容，重则影响到检查井的使用功能，产生车 祸等。道路上检查井的沉陷，对城市道路是非常不利的，由此会影响道路的使用， 甚至会影响到检查井自身的使用功能。由此每年要花费大量的人力物力来维修检 查井。杜长勤【2 3 】曾估算过：10 0 0 米道路检查井约为5 0 座( 10 0 0 4 0 * 2 ) ，假定 平均每个检查井延长寿命半年，则相当于每年少维修检查井2 5 座次。检查井1 次维修的费用，包括挖除损坏路面、肥料运出、盖座校正、座浆养护、摊铺新的 黑色路面，每座井的维修面积为1 9 1 9 = 3 6 1 平方米，根据市政定额计算，每 座井的维修费用为3 6 1 9 1 8 2 = 3 3 2 元座，所以每年每公里可节约维修费用2 5 3 3 2 = 8 3 0 0 元。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 检查井的研究现状 国外对检查井沉陷破坏性状的研究较少。s a l a he 1h a g g a r 【6 】等研究采用不 可回收的塑料和钢筋等材料来做检查井井盖。减少污染，降低造价，降低井盖被 偷等造成的事故。美国有很多关于调整检查井井座高度的研究，如b o w m a n 关于 调整检查井井座的措施 7 i 。c h ristj a nf a l k 【8 】在“检查井盖维修”中研究了检查 井上部结构，就是上部井筒、井盖和检查井周边一定范围的土体、沥青路面这部 分。他通过室内试验，在井盖上作用一个动荷载来分析上部结构的受力变形情况， 结果表明：检查井上部砂浆层的破坏对检查井与路面的差异沉降有很大影响；又 经过现场和室内试验表明砂浆类型、修补方法及现场条件对材料的荷载反应有很 大影响。他提出一个设计方法是把井盖和井筒隔开，使上部交通荷载传递到新做 出来的钢筋混凝土上，不会直接作用在检查井的上部井筒上。还有一种检查井的 改进措施就是在井座下安装检查井高度调整装置。当检查井与路面发生沉降差 时，可以调整该装置，使得检查井井顶与周边路面标高保持一致。然而以上文献 没有对交通荷载作用下检查井沉陷等受力变形的研究。 目前国内很多文章描述检查井的破坏性状并提出了一系列相应的预防措施。 王晓江f 3 j 通过对北京典型路段的检查井进行了深入的现场调查分析、地质雷达检 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 测和有限单元法静力和动力学计算，从检查井井座下砂浆垫层受力上总结分析北 京地区检查井病害的主要原因。提出预防检查井病害发生的四项工艺措施：井 盖安装以现浇混凝土取代砂浆卧底；井圈周围浇筑钢筋混凝土搭板，其目的是 实现井圈与井筒脱离，车辆荷载通过井圈底座搭板传递到道路基层，避免检查井 沉陷；采取预制井圈修复检查井；采用反做法施工时用莱克树脂等材料取代 检查井周边沥青混凝土。 曾平生h 6 1 在“检查井周围沥青砼路面的应力分析及其破坏的防治措施”中分 析了检查井周围沥青混凝土在温度变化和汽车荷载作用下的温度应力、弯拉应 力，还对应力集中和弯拉应力联合作用的影响进行分析。最后提出了3 个检查井 周围沥青混凝土路面破坏的防治措施：在检查井周围强调浇洒粘油层来改善周 围路面面层和基层的接触条件；在设计、施工中着力提高井圈周围基层材料的 强度和密实度来加强基层；在面层的底面加铺纤维格栅一类的加筋网片，使温 度产生的收缩应力和车轮荷载产生的弯拉应力由网格的加筋来承担，由此提高局 部沥青混凝土路面的使用寿命。 都本力h 刚通过对杭州市道路上的检查井进行了调查，分析了检查井出现下沉 的可能原因。最后他经过计算分析得出：汽车的水平冲击力使检查井发生水平位 移是造成检查井下沉的主要原因。井座在反复水平冲击作用下产生了水平位移， 从而使得井座的调整层开裂破损，强度下降，丧失支撑力，下沉量为调整层的高 度；同时来车方向的铸铁井座环的有效支撑面积减小或脱空，迅速丧失支撑力使 井座翘曲下沉，井座斜着坐入井内。他提出完善井座调整层的构造来治理井座下 沉问题，方法有二：一是按设计意图在砖井壁上加做一个环形l 截面的钢筋混凝 土盖座。既可增加局部承压强度，又能箍住井座抵御汽车的水平冲击力或者对井 座有个较大的水平抗力；二是加宽铸铁井盖座的底宽，提高铸铁井座的稳定性。 刘深华n 1 假设检查井看作是线弹性体，土体是粘弹性体，交通荷载为简谐荷 载的条件下，把检查井简化为一个空心等截面柱体模型，在竖向简谐荷载作用下 根据桩的振动理论求得检查井纵向振动位移解析解；根据同样的方法，对更复合 实际情况的变截面检查井进行分析，变截面检查井纵向振动位移在拉普拉斯变换 域内的解析解，再通过傅立叶变换得到了变截面检查井纵向振动位移的时域半解 析解。它得出的结论是检查井的弹性模量越高，土体的压缩模量越大，检查井纵 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 向位移越小。 曹磊n 1 假定土体本构模型为d r u c k e r p r a g e r 弹塑性模型，检查井为线弹 性模型，井和土接触采用库仑摩擦形式，交通荷载为冲击荷载，使用a n s y s 有限 元软件建立检查井沉降分析有限元二维模型，分析在静力荷载和冲击动荷载下的 沉降形状和影响因素。通过选取不同参数进行计算分析，得出的结论是：增大土 体压缩模量e s ，增大井周回填土综合变形模量e d ，可以减小检查井的沉降值； 增大井壁材料弹性模量e 对减小检查井沉降值有一定帮助，但当e 达到一定的数 值后，再继续增大e ，检查井的沉降值减小的很少。 国内还有很多期刊文献对检查井的研究主要在检查井和周边路面沉陷破坏 性状的综述以及在施工管理和技术上采取的措施。对这些文献所讲的检查井出现 的沉陷等破坏状况，我们对它的成因作了一些分析和总结，主要有以下几个方面。 在人员方面，施工管理者和施工人员质量意识淡薄，责任心差，施工管理水平低； 在施工方法上挖槽断面小进而使得检查井周围回填工作面小，回填土夯实碾压不 到位；在检查井回填土等材料上，无机料处理不当，采用建筑垃圾等不符合质量 要求的填土，造成质量隐患；在砌筑检查井施工时养护期过短，井筒时在砂浆未 达到强度前就进行上部施工或提前接受上部外荷载；最后在环境方面主要是冬冷 夏热四季气候差异比较大和上部交通量可能比规划设计的更大。 1 2 2 研究理论和方法 检查井是一个多材料、多部件组成的综合体。因此没有对其量身定制的很成 熟的研究理论和方法，但是仍可找到可以借鉴的研究理论和方法，比如桩的振动 理论基础和管道纵向振动理论 2 9 】o 1 、桩纵向振动理论基础 城市道路中的检查井的受力类似于土体中的桩体。桩振动理论建立的基础是 弹性理论、荷载传递理论、剪切位移理论以及有限元理论等。下面将简要介绍以 下这几种理论： 弹性理论。以弹性理论为基础的桩性状研究目前有很多的成果。首先是 s a l a s b e l z u n e e 抬町等以弹性连续体理论模拟桩周土体的响应。随后就有很多的 学者在此基础上有更深入的研究。弹性理论考虑土的连续性，能够进行比较精确 的分析，并且可以用于群桩分析。其缺陷在于无法精确考虑层状地基和土的非线 性性质的影响。 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 荷载传递理论。s e e d & r e e s e 根据旧金山淤泥的现场测试结果首先提出 了荷载传递理论。荷载传递理论以其简便直观的特点在实际工程中得到了较为广 泛的应用，然而影响荷载传递理论能否真实反应桩一土界面应力和位移关系的因 素是传递函数的确立。 剪切位移理论。c o o k er wb 2 1 在试验和理论分析的基础上首先建立了用于 分析均质弹性地基中刚性的纯摩擦桩性状的剪切位移理论。剪切位移理论与荷载 传递理论有一定的相似性，但是剪切位移理论可以得到单桩一定位置处土体的位 移。 有限元理论。c l o u g h 鲫等首先将有限元引入到土力学计算分析中，随后有 限元理论在土体以及土体与结构的研究中发挥着巨大的作用。 2 、管道纵向振动研究 目前专门分析过动力作用下检查井的受力问题的学者比较少，但是上个世纪 六七十年代以来，动力作用下的管道和软土地基中的管道受力问题就成为很多国 内外学者的研究对象。n e w m a r k b 4 1 早在1 9 7 5 年就对地下管线进行了振动分析。到 目前为止，管道纵向振动研究取得了丰硕的成果，对检查井的研究有宝贵的借鉴 作用。 1 2 3 检查井需要进一步研究的问题 在上述的文献有很多对检查井的沉陷和沥青混凝土破坏的描述，还有针对 检查井沉陷和沥青混凝土破坏的预防措施，但是仍然有很多问题需要解决。 1 、对现场检查井足够的详细调查。虽然有关于检查井的相关调查很多学者 都曾做过，但他们所做的调查仍是比较粗糙的，需要有更深入的调查。例如在某 段城市道路上的检查井的数量有多少，检查井在道路中的位置，检查井使用中的 状况以及出现各种状况的检查井的数量和比例，检查井的沉陷或凸出路面的数值 是多少，该路段的地质情况和交通量情况。 2 、对于大多数检查井，它的井筒和井室一般都是由砌体砌筑而成，那么砌 体在检查井沉陷过程中是怎么样的情况，是砌体在交通荷载下出现了破坏还是检 查井其它部分引起的沉陷? 3 、几乎所有行车道上的检查井周边沥青混凝土都会出现开裂破坏，而且是 有明显环形裂缝，即使没有出现沉陷的检查井如图1 1 也不例外。那么这些这条 明显的环形裂缝处在检查井和沥青混凝土的什么位置，是如何形成的? 浙大学硕士学位论支第一章绪论 图1 1 检查井周边沥青混凝土破坏圈 4 、检查井是一个由铸铁井盖、井座、砌体、钢筋混凝土等多种材料组成的 综合体，结构形状也是根据实际需要多种多样。在交通荷载的作用下，检查井备 部分在受力变形上诗然会有所差异。因此把检查井当作一种均质材料来研究不符 合实际情况检查井在交通荷载作用下的各个部分的受力变形情况也是重要研究 内容。 1 3 本文主要工作 1 、对城市道路中的检查井进行了现场调查，分析了检查井发生沉陷以及检 查井周边秭青混凝土开裂破坏等现象的原因。 2 利用冲击机理和砌体本构关系得到了检查井所受汽车作用的冲击荷戟以 及残余变形的计算方法，分析检查井在汽车荷载作用下的受力、变形和破坏机理。 3 ，利用有限元软件a b a q u s ，首先建立了三雏有限元模型，计算分析了捡查 井在汽车荷载的静力作用下的受力变形特性；其次建立了轴对称模型，分析了检 查井在汽车荷载动力作用下的受力、变形情况。计算分析所得的结果，对检查井 的设计、施工以及检查井的维护具有指导意义。 浙江大学硕士学位论文第z - 章冲击荷载下检查井受力变形的简化计算 2 冲击荷载下检查井受力变形的简化计算 2 1 检查井现场调查 检查井在城市道路使用中发挥非常重要作用，影响检查井外观和使用功能也 是各种复杂因素共同作用的结果。为更好地了解目前检查井的使用情况，我们随 同杭州城管办市政监管中心的工作人员对杭州城市道路上的检查井使用现状进 行了调查。调查后发现，杭州道路行车道上的检查井也毫不例外地出现沉陷、周 边沥青混凝土龟裂等现象，且该现象普遍存在，大多检查井在通车后一段时间必 须重新维修才能继续使用。 作者等人重点对西溪路古墩路口至西溪路庆丰农贸市场路段进行了更深入 的调查。调查的内容有该路段的检查井数量、检查井的外在破坏情况和交通量等。 我们对西溪路古墩路1 ：2 至西溪路庆丰农贸市场路段的检查井数量和外观状 况进行了观察和统计。统计结果如表2 1 。 表2 1 检查井数量统计 周边沥青 数量总计沉陷明显相对完好相对地表凸出 明显龟裂 机动车道 2 1 213 813 44 21 非机动车道 6 0215 62 由上表调查情况可以看出，机动车道上的检查井出现比较严重的周边沥青混 凝土龟裂、检查井沉陷等现象。周边沥青混凝土明显龟裂的检查井数量约为机动 车道上检查井总数的6 5 1 ；相对周边路面，有明显沉陷的检查井超过检查井总 数的6 3 2 。检查井几乎都是相对路面有沉陷，凸出路面的很少。非机动车道上 的检查井大多比较完好，很少有沉陷和周边混凝土龟裂的现象。因此，调查结果 表明机动车道上的车辆荷载是检查井沉陷和周边混凝土龟裂的主要原因。 我们对有沉陷的一部分检查井进行了观测。检查井的沉陷量是用水准仪测量 井盖中心与周边未发生沉陷的路面的高差而得出的观测值。对现场的观测结果进 行独立统计分析，分析结果见图2 1 。 从观测的数据情况上看，所测得的沉陷量主要分布在1 3 c m 范围内，平均 7 淅n 大学硬士学位论文第= 章冲荷蓑下检壹井受力变形的菏化计算 值17 4 c m ，最大测得的沉陷量为45 c m 。 051 01 52 03 03 54 04 55 05 56 0 沉陷量( m ) 囤2 1 沉陷量统计圈 城市道路上的检查井周边沥青混凝土发生开裂破坏现象也是很普遣的现象。 即使在检查井没有发生明显沉陷的情况下沥青混凝土也会开裂破坏。沥青混凝土 的开裂破坏形状成环状，如下圉2 2 。 腰2 2 沥青破坏图 我们对西溪路上的一部分检查井井周沥青混凝土的破坏范围进行了测量。测 量的对象主要是没有经过维修的检查井井周j 5 5 青混凝土破坏范围观测的数据结 果如图23 。所剥沥青混凝土的破坏半径平均值约为22 c m 。破坏半径在20 25 c m 的数量约占总数的5 2 。 对于经过维修的检查井，沥青混凝土的维修半径大约为65 c m 。经过维修后 的检查井在通车一段时间后，井盖周边的沥青混凝土也会发生明显环状破坏，破 s ；i l o 蚺士螺 淅太学顼学位论x第：章冲击荷栽下植壹井是力变形的简化计算 坏半径为2 0 多c m ，见围2 4 圈23 沥青混凝土破筇范围 目2 4 修补后的检查井 根据排水检查井的图集0 2 s 5 15 ”上的上部井筒结构图可知，检查井井座下 面的砌体井筒壁厚一般为2 4 c m 厚井盖边径向2 2 c m 处即在砌体井筒外边缘，甲 检查井周边沥青混凝土的破坏范围主要在检查井上部井筒区域。因此检查井的沉 陷对周边沥青混凝士的破坏有着重大影响。 检查井在发生沉陷后，其内部也相应会产生相应的变形，如图25 。王晓江 等“也调查到检查井砌体井筒中砌块发生错位、先前压实的井周回填土进入新的 空隙，造成井体下沉，井圈移位、井周回填土沉陷现象。作者除了调查检查井的 9 渐d 学学位论文第= 章冲荷载下检壹井受力变形的茼化计算 在路面上的破外状况，还对有明显沉陷的检查井的井筒内部情况也进行调查。经 观测，发现以下现象：砌体井筒表面被雨水洗刷侵蚀较严重，特别是砌体表面 没有按熙设计规定经过抹面处理的井筒，砌体的砂浆被雨水冲刷更为明显。 井 筒砌块错位。井筒砌体的砌块在上部重型机械作用下以及重型车辆荷载作用下， 砌块必然发生移位，使得压实的周围回填土进入新的空隙，使井筒受力不均。 砂浆被挤压出井体。井筒砌体在瑚筑时一般都低于设计标高，在安装井座时调整 垫层的厚度柬达到井盖与路面标高一致。由于垫层的刚度相对较小，在上部重型 荷载作用下就会横向变形，即挤压出井体外。据观测可知，一般情况下垫层越厚， 检查井井盖的沉陷量就越大。垫层越葺，井盖的沉陷量就越小。 井座倾斜。检 查井在各种因素作用下会产生一定的沉陷量，印与路面产生一定的高差。汽车的 转载对捡查井的井盖的作用力方向就由原来的垂直路面向下变为斜向下。那么就 会造成汽车荷载对检查井竖直方向上受力不均。长期如此作用下，井座就会发生 倾斜，检查井的受力就会更加不均匀，如此恶性循环必然造成检查井的沉陷等现 象。 田2 5 井葡内的情况 由有上述调查可知，行车荷载对检查井的正常使用影响非常大。因此有必要 对作用在检查井上的行车荷载进行计算。所以就要调查所调查路段的交通量。 对交通量的调查方法，国内大多采用人工观测记录的方法，目前也研制了一 些自动观测记录装置，进行长期的连续观察。本文所用的调查方法为人工观测记 录法。 调查时间：2 0 0 8 年12 月2 1 日。 调查地点：西浸路农贸市场。 调查记录如下： 10 浙江大学硕士学位论文第二章冲击荷载下检查井受力变形的简化计算 表2 2 交通量调查记录表 时间段小车( 辆)大车( 辆) 1o ：0 5 10 ：107 55 10 ：2 5 10 ：3 06 36 10 ：4 5 10 ：5 0 6 05 1 1 ：0 5 1 1 ：10 6 68 1 1 ：2 5 1 1 ：3 08 15 注：调查车辆的行车方向为由西向东，小车是指车辆荷载与小汽车相当的汽车；大车指 车辆荷载与公交车相当的汽车。 估算交通量：未考虑高峰期和夜间低峰期，以1 2 月2 1 日为参考。 每小时：小车经过次数： ( 7 5 + 6 3 + 6 0 + 6 6 + 8 1 ) 5 】1 2 = 8 2 8 ( 辆) 大车经过次数： ( 5 + 6 + 5 + 8 + 5 ) 5 1 2 = 6 9 6 ( 辆) 每天：小车经过次数：8 2 8 2 4 = 1 9 8 7 2 ( 辆) 大车经过次数：6 9 6 2 4 = 16 70 4 ( 辆) 每年：小车经过次数：1 9 8 7 2 3 6 5 = 7 2 5 3 2 8 0 ( 辆) 大车经过次数：1 6 7 0 4 3 6 5 = 6 0 9 6 9 6 ( 辆) 四年：小车经过次数：7 2 53 2 8 0 4 = 2 9 0 13 1 2o ( 辆) 大车经过次数：6 0 9 6 9 6 4 = 2 43 8 7 8 4 ( 辆) 被调查路段由西向东有2 车道，则每车道的四年平均交通量为：小车 1 4 5 0 6 5 6 0 ( 辆) ；大车1 2 1 9 3 9 2 ( 辆) 。 公路行驶车辆的型号多种多样，而路面设计采用统一的标准轴载表示。我国 路面设计以双组单轴1o o k n 为标准轴载。各种车型应按照规定的法则作当量换 算，得到当量的标准轴载次数。由于不同力学参数的疲劳等效应不同，我国规定， 当量轴载换算分以下两种情况进行：以弯沉值和沥青层层底拉应力为设计指标 换算；以半刚性材料结构层的层底拉应力为设计指标。 当以柔性路面弯沉值和沥青层层底拉应力为设计指标时，按下式完成轴载当 量换算： 1 1 浙江大学硕士学位论文第二章冲击荷载下检查井受力变形的简化计算 = 艺c i c 2 n i ( 鲁) 4 3 5 ( 2 1 ) i = 1 1 式中：n 一一标准轴载的当量轴次，次日；n ；一一被换算车辆的各级轴作用次 数，次日； p 一一标准轴载，k n ；只一一被换算车辆的各级轴载，k n ； k 一一被换算车辆类型数； c 1 一一轴数系数，c l = 1 + 1 2 ( m i ) ，i l l 是轴数。当轴间距大于3 m 时，按 单独的一个轴载计算，当轴间距小于3 m 时，应考虑轴数系数； g 一一轮组系数，单轮为6 4 ，双轮为1 ，四轮为0 3 8 小车前后轮均为单轮组，轴距大于3 m ，前轮轴载3 0k n ，后轮轴载7 0 k n ； 大车前轮单轮组，后轮双轮组，前轮轴载5 0k n ，后轮轴载1o o k n ，则总次数 n = 2 1 7 7 0 7 8 2 次，若忽略轮组系数的影响，即c 1 = 1 ，则：n = 4 4 3 0 5 4 7 次。 2 2 检查井的冲击荷载计算 冲击是系统受到瞬态激励时，其力、位移、速度或加速度发生突然变化的现 象【2 引。冲击是振动的一种特殊状态，它与一般状态的振动不同，具有自己独特 的特点：( 1 ) 冲击过程是瞬态的，持续时间短暂；( 2 ) 冲击是骤然的、剧烈的能量 释放、能量传递与转换过程；( 3 ) 冲击激励往往是非周期的，其频谱是连续的， 冲击过程一次性完成，不呈现周期性；( 4 ) 系统在冲击作用下所产生的运动为瞬 态运动，运动状态与冲击持续时间及系统的固有周期有关。 行驶在道路上汽车由于路面的不平整会对路面产生冲击作用，这种冲击作用 同样也会作用在检查井上。根据实际调查可知，检查井与路面材料不同，在各种 因素作用下，检查井会产生的沉降往往大于路面的沉降。该沉降差会使行驶的汽 车对检查井产生冲击力。 从理论分析角度看，冲击运动就是系统受到一种短暂的脉冲、阶跃或其它瞬 态的非周期激励下的响应。冲击响应引起的系统振动能够很快消失，但它引起的 最大应力( 或位移) 却可能使系统损坏。冲击动力学过程是一系列随时间变化的 动态过程 2 6 】。汽车荷载对检查井冲击作用的最大应力和位移也可能使检查井某 1 2 浙江大学硕士学位论文第二章冲击荷载下检查井受力变形的简化计算 部分产生破坏。此外交通荷载是汽车荷载的不断循环，使检查井在疲劳作用下， 其破坏荷载也会随之降低【1 5 】。 交通荷载对检查井的作用主要是体现在汽车荷载对检查井的循环作用。由于 汽车的大小、型号以及前后轴的不同，汽车对路面的作用荷载也会相应的不相等。 根据城市道路坂、丌、机汜- 4 4 - - c j j 一9 0 2 7 1 ，把汽车荷载用标准轴荷载l o o k n 来统计模拟。 则可把作用在平整道路上检查井的汽车荷载模拟为恒定的5 0 k n ，在此基础上计 算有沉陷的检查井所受的冲击力。 1 、两球碰撞理论计算冲击力 h e r t z 1 0 】研究了质量为m ，和聊：的两个弹性球体以一速度v 碰撞时的最大冲 击力表达为下面的形式： f , n - k 2 1 5 p 最 3 5 2 ， 式中，k 由下式给出 后：! l 上 ( 2 3 ) 3 z1 + r 2 c 1 + c 2 c l = 警 ( 2 4 ) g ：上丝( 2 5 ) 。7 比2 这里，巧和眨分别为两球的半径，e 。和易为两球的弹性模量，“和a ：为两球的 泊松比。 运用该公式要把汽车和检查井分别简化成弹性球体，并确定各弹性球体的半 径，、弹性模量e 和泊松比1 。由于汽车和检查井比较难以简化成弹性球体，其 弹性球体的参数半径，、弹性模量e 和泊松比都难以准确取值。所以用该公式 计算汽车荷载对检查井的冲击力误差比较大。 2 、能量原理的冲击力计算方法 ( 1 ) 不考虑受撞击构件质量时的应力和变形| 1 3 】 浙江大学硕士学位论文第二章冲击荷载下检查井受力变形的简化计算 撞击问题假设条件：1 ) 冲击物本身在撞击时不发生变形，冲击物和被冲击 物接触后无回弹；2 ) 撞击过程中只有位能、动能与应变能的转化，略去能量损 失。 尼= 力p = ( 1 + 1 + 2 h 1 8 ) p ( 2 6 ) 式中：万为静载作用时的变形；p 为静荷载；只为动荷载；为冲击系数。 ( 2 ) 考虑受撞击构件质量时的应力和变形d ，】 如果受撞击构件的质量和撞击物的质量比不是很小，则应考虑构件本身的质 量。这时把整个构件质量的一部分集中在受撞击点，这部分质量称为相当质量。 如图2 6 的悬臂梁在自由端b 受有重物g = m g 的撞击，在b 点放置构件的相当质 量m 。的碰撞时非弹性的，并且两个质量在撞击后以共同的速度v 1 运动。有动量 守恒可知m v o = ( 加+ m 1 ) v l ，故h = v o m ( m a + 聊) 。此后认为这两质量以速度h 撞 击到一无质量的构件上，因此撞击物的动能是： 巧= 三( m 怕睁意尹1j = 蒜 ( 2 7 ) 式中v o = 2 幽是重物g 即将与梁撞击时的速度。 如设想重物g 自由下落高度时具有动能不，则由g j i z l = 东可知： 7 1 1 = h ( 1 + ，z l m ) ( 2 8 ) 以此盔代替式( 2 5 ) h 中的即得 p d = k d p = ( 1 + i 嗡2 h ，p 9 ， 1 4 浙江大学硕士学位论文第二章冲击荷载下检查井受力变形的简化计算 y j广口g - r a g x 皇x 。 - 1 g l = m g 广 、二 b ： a b ， l 图2 6 构仵荧冲击图【引目又献【13 j ) 相当质量的求法，则认为整个构件和集中在受撞点的相当质量具有相同的动 能。对图2 6 ，以在b 点受静力p 时的挠曲线作为冲击时的动挠曲线。由悬臂梁 的静挠曲线 y = 百p 1 3 【矿x 3 一矿3 x 2 ) = 蹦；一等) ( 2 y2 百钉一矿j - y 口弦一矿) 川 上式对时间t 求导数，即 立= 一d y bl 鬲x 3 一可3 x 2 d t d t 2 1 ) ( 2 1 1 ) 一：= 一- i 二上上j 、 3 2 ， 设梁单位长度的重量为缈，则出段的动能是等( 于是 f 互l c o 面d y ) 2 出= 互c o g ( 、d 以y b ，) 2f ( 蒡一等) 2 出= 圭而3 3x c g o l ( d 班y 口) 2 = 三聊，c 誓) 2 所以，对悬臂梁，在自由端承受撞击时的相当质量是全梁质量的尝。如简支梁 14 0 的中点受撞击时，集中于梁中心的相当质量是全梁质量的娶。如直杆在杆段受 轴向撞击时，则集中在杆端的相当质量是直杆总重量的三3 。 3 、加械能守恒计笪冲击打 1 5 浙江大学硕士学位论文第二章冲击荷载下检查井受力变形的简化计算 该方法主要是根据机械能守恒定律，假定检查井刚度无穷大，忽略检查井的 变形；忽略其他能量损失。把汽车简化成一个质量和一个弹簧的组合体。如下图 2 7 。 图2 7 汽车的冲击示意图 图中h 为检查井和路面的沉降差；k 为汽车的刚度；x 为弹簧偏离平衡位 置的最大压缩量；m g 为汽车的重量。根据能量守恒定律可得： m g ( h + a x ) = 去k 麟2 ( 2 12 ) 二 最大冲击力为 f = 彪= 尥+ ( 魄) 2 + 2 m g k h ( 2 13 ) 本文采用此方法计算汽车荷载的冲击力。 2 3 检查井的砌体本构关系 砌体受压本构关系是描述砌体受压应力一应变的数学表达式，由于得出砌体 受压本构关系的过程中带有经验性和某些假定，因此不同的研究人员可能会得到 不同的本构关系。多年来，国内外学者在这方面做了大量的工作，提出了许多本 构关系表达式，归纳起来有对数函数型、指数函数型、多项式型和有理分式型等。 全曲线的表达又可分为用一个方程来表达和采用上升、下降段分别用两个方程式 来表达。提出的砌体受压本构表达式虽多，但由于材料、施工、试验等的变异性， 设计和分析理论的各种要求，使得如何较好地用公式来表达砌体受压应力应变全 曲线仍值得研究 1 6 】1 2 0 。 苏联0h mi i i1 4k 教授3 0 年代提出的对数型公式较为典型，如下式： 1 6 浙江大学硕士学位论文第二章冲击荷载下检查井受力变形的简化计算 一挚，一南11 ， f 、 疋7 ( 2 1 4 ) 式中：s 为砌体应变；盯为砌体应力；