王斌

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430056）

車輛荷載對(duì)海塘堤頂路面及防滲墻影響三維分析

王斌

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430056）

風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)期風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)輸過(guò)程中，堤頂行駛的重件運(yùn)輸車輛可能會(huì)對(duì)堤頂路面結(jié)構(gòu)和堤中防滲墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度影響。以某風(fēng)電場(chǎng)工程為例，對(duì)路面結(jié)構(gòu)和防滲墻結(jié)構(gòu)在有無(wú)車輛荷載作用下的情況進(jìn)行了三維有限元分析，計(jì)算結(jié)果表明，加鋪瀝青混凝土路面能保證路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且對(duì)防滲墻的應(yīng)力控制有利。

三維有限元；海塘堤頂路面；車輛荷載；防滲墻；應(yīng)力控制

0　引言

風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)所用道路一般利用場(chǎng)區(qū)現(xiàn)有道路，或?qū)⒁延械缆犯慕榕R時(shí)道路，道路等級(jí)往往較低。風(fēng)機(jī)部件和塔筒均為重型構(gòu)件，因此，在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)期風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)輸過(guò)程中，應(yīng)考慮運(yùn)輸要求對(duì)路面強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核。尤其是建設(shè)在海塘圍堤附近的風(fēng)電場(chǎng)，運(yùn)輸?shù)缆吠徒x用堤頂?shù)缆?，而堤頂行駛的重件運(yùn)輸車輛可能會(huì)對(duì)堤頂路面結(jié)構(gòu)和堤中防滲墻（大部分海堤未設(shè)防滲墻）結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的影響。為評(píng)價(jià)這一影響的程度，以某風(fēng)電場(chǎng)工程為例，采用三維有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以期為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1　計(jì)算條件

2.1計(jì)算模型和相關(guān)參數(shù)

海岸風(fēng)電場(chǎng)利用海塘堤頂?shù)缆纷鳛閳?chǎng)內(nèi)交通運(yùn)輸?shù)缆?，故選取典型海塘堤壩斷面建立三維模型，模型包括堤頂路面、堤身、堤基和防滲墻。計(jì)算采用線彈性模型，結(jié)構(gòu)全部采用六面體單元模擬。為消除邊界約束的影響，計(jì)算范圍在堤壩橫斷面方向各外延10 m，沿堤縱向取標(biāo)準(zhǔn)車輛長(zhǎng)度向兩端各外延15 m。計(jì)算實(shí)體模型和網(wǎng)格剖分如圖1、圖2所示。

堤壩結(jié)構(gòu)層參數(shù)按照地勘報(bào)告給出的參數(shù)建議值取用。地基彈性模量近似取為壓縮模量（見(jiàn)表1）。

圖1計(jì)算實(shí)體模型

圖2　網(wǎng)格剖分模型

表1　地基土彈性模量

因地基土體已經(jīng)固結(jié)完畢，故不考慮地基土體自重。防滲墻重度取為18.5 kN/m3。堤壩外水位按咸潮期設(shè)計(jì)高水位7.0 m取用，堤內(nèi)無(wú)水，故以防滲墻為界，堤壩內(nèi)側(cè)土體重度取為18 kN/m3，堤壩外側(cè)土體取浮容重8 kN/m3。堤頂路面重度均取為18 kN/m3。

1.2計(jì)算工況和模型加載

計(jì)算載荷涉及結(jié)構(gòu)自重、水壓力以及堤頂車輛荷載。自重由程序自動(dòng)計(jì)算，水壓力按面荷載作用加載于防滲墻上下游面?zhèn)?。車輛荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[1]的相關(guān)規(guī)定取用。車輛載荷技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2　車輛載荷主要技術(shù)參數(shù)

邊界條件取地基四周及堤壩兩側(cè)法向約束。

為分析運(yùn)輸車輛對(duì)防滲墻、堤頂路面結(jié)構(gòu)的影響，分以下兩類工況計(jì)算：

（1）泥結(jié)石路面：堤頂路面為200 mm厚石渣墊層和200 mm厚泥結(jié)石臨時(shí)路面，分別按無(wú)車輛荷載作用和有車輛荷載作用進(jìn)行分析。

（2）瀝青混凝土路面：堤頂路面為200 mm厚石渣墊層、300 mm厚水泥碎石穩(wěn)定層和80 mm厚瀝青混凝土路面。僅模擬有車輛荷載作用的情況[2-3]。

車輛荷載作用位置不同對(duì)防滲墻內(nèi)力影響不同，通過(guò)試算發(fā)現(xiàn)，一側(cè)輪壓作用于防滲墻內(nèi)側(cè)邊緣時(shí)防滲墻內(nèi)力最大，故計(jì)算時(shí)按該模型選取，車輪間距1.8 m，輪壓作用點(diǎn)見(jiàn)圖3。

圖3　車輛荷載的輪壓作用點(diǎn)示意圖(單位:mm)

2　計(jì)算成果分析

2.1運(yùn)輸車輛對(duì)堤頂路面影響評(píng)價(jià)

泥結(jié)石路面無(wú)車輛荷載作用時(shí)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

圖4　無(wú)車輛荷載作用時(shí)結(jié)構(gòu)整體圖（單位：Pa）

圖5　無(wú)車輛荷載作用時(shí)路面結(jié)構(gòu)豎向正應(yīng)力Sz（單位：Pa）

泥結(jié)石路面有車輛荷載作用時(shí)結(jié)構(gòu)整體的豎向位移見(jiàn)圖6。

圖6　泥結(jié)石路面有車輛荷載時(shí)結(jié)構(gòu)整體豎向位移Uz（單位：m）

泥結(jié)石路面有車輛荷載作用時(shí)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。

圖7　泥結(jié)石路面有車輛荷載時(shí)結(jié)構(gòu)整體圖（單位：Pa）

圖8　泥結(jié)石路面有車輛荷載時(shí)結(jié)構(gòu)整體豎向位移Uz（單位：m）

瀝青混凝土路面有車輛荷載作用時(shí)結(jié)構(gòu)整體的豎向位移見(jiàn)圖9。

圖9　瀝青混凝土路面有車輛荷載時(shí)結(jié)構(gòu)整體豎向位移Uz（單位：m）

瀝青混凝土路面有車輛荷載作用時(shí)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10、圖11。

圖10　瀝青混凝土路面有車輛荷載時(shí)結(jié)構(gòu)整體圖（單位：Pa）

圖11　瀝青混凝土路面有車輛荷載時(shí)結(jié)構(gòu)整體豎向位移Uz（單位：m）

泥結(jié)石路面無(wú)車輛荷載作用時(shí)，堤頂路面壓應(yīng)力最大值為65 kPa，路面最大拉應(yīng)力18 kPa。泥結(jié)石路面增加車輛荷載后，整體豎向位移增加13 mm，堤頂路面壓應(yīng)力最大為433 kPa，路面最大拉應(yīng)力為106 kPa。瀝青混凝土路面增加車輛荷載后，整體豎向位移增加8 mm，堤頂路面壓應(yīng)力最大為466 kPa，路面最大拉應(yīng)力為120 kPa。有車輛荷載作用時(shí)，堤頂輪壓附近會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，泥結(jié)石路面和瀝青混凝土路面對(duì)應(yīng)的堤頂路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值比較見(jiàn)表3。

由表3所列結(jié)果可知，車輛荷載對(duì)堤頂路面壓應(yīng)力有一定影響。堤頂路面在輪壓區(qū)附近范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，因泥結(jié)石材料不能承受拉應(yīng)力，故臨時(shí)路面對(duì)應(yīng)的堤頂路面結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)局部破壞。瀝青混凝土路面對(duì)應(yīng)的堤頂路面結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力極值為120 kPa，該值小于瀝青路面材料的最大容許拉應(yīng)力值600～1 000 kPa，因此可以認(rèn)為瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)是安全的。

表3　堤頂路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值

3.2運(yùn)輸車輛對(duì)防滲墻影響評(píng)價(jià)

泥結(jié)石路面無(wú)車輛荷載作用時(shí)防滲墻的位移和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖12、圖13。

圖12　無(wú)車輛荷載作用時(shí)防滲墻水平向位移Ux（單位：m）

圖13　無(wú)車輛荷載作用時(shí)防滲墻圖（單位：Pa）

泥結(jié)石路面有車輛荷載作用時(shí)防滲墻的位移和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖14、圖15。

圖14　泥結(jié)石路面有車輛荷載作用時(shí)防滲墻水平向位移Ux（單位：m）

圖15　泥結(jié)石路面有車輛荷載作用時(shí)防滲墻圖（單位：Pa）

瀝青混凝土路面有車輛荷載作用時(shí)防滲墻的位移和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖16、圖17。

圖16　瀝青混凝土路面有車輛荷載作用時(shí)防滲墻水平向位移Ux（單位：m）

圖17　瀝青混凝土路面有車輛荷載作用時(shí)防滲墻圖（單位：Pa）

泥結(jié)石路面無(wú)車輛荷載作用時(shí)，防滲墻最大水平向位移為15 mm，豎向正壓應(yīng)力為177 kPa。不出現(xiàn)拉應(yīng)力。泥結(jié)石路面增加車輛荷載后，防滲墻的水平位移基本沒(méi)有變化，防滲墻水平和豎向正應(yīng)力分別為82 kPa和260 kPa，豎向正應(yīng)力較無(wú)車輛荷載時(shí)增大83 kPa。路面鋪設(shè)瀝青混凝土路面后，在車輛荷載作用下，防滲墻水平和豎向正應(yīng)力為45 kPa和237 kPa，較泥結(jié)石路面有所減少。泥結(jié)石路面和瀝青混凝土路面兩種情況對(duì)應(yīng)的防滲墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移極值的比較見(jiàn)表4。

表4　防滲墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移極值

由表4所列結(jié)果可知，運(yùn)輸車輛會(huì)使防滲墻內(nèi)壓應(yīng)力有所增大，但該值小于墻體水泥土材料的最大容許壓應(yīng)力1 000 kPa。瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層加厚對(duì)防滲墻的應(yīng)力控制是有利的。

3　結(jié)　論

通過(guò)對(duì)車輛荷載作用下路面結(jié)構(gòu)和防滲墻結(jié)構(gòu)的三維模擬可知，對(duì)臨時(shí)路面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚愉仦r青混凝土）能保證運(yùn)輸過(guò)程中路面結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)防滲墻的應(yīng)力控制也是有利的。采用這種處理方式，可以認(rèn)為重型運(yùn)輸車輛對(duì)海塘堤頂路面和防滲墻的影響是可控的。

[1]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]龔曙光,等.ANSYS基礎(chǔ)應(yīng)用及范例解析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[3]龔曙光,謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

U416.01

A

1009-7716（2016）02-0020-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.006

2015-10-23

王斌（1982-），男，河北衡水人，高級(jí)工程師，工程師，主要從事道梁設(shè)計(jì)與科研工作。