趙 江，魏麗敏，鄧?yán)砻?，李宏泉，陳江?/p>

(1.長(zhǎng)沙市望城區(qū)沿江建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200；4.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司, 廣東 廣州 510507)

0 引言

泡沫輕質(zhì)土作為一種新型工程材料，具有密度小、流動(dòng)性好、固化后自立性強(qiáng)、均質(zhì)穩(wěn)定、整體性強(qiáng)、耐久性好和對(duì)環(huán)境影響小、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用到諸多工程領(lǐng)域[1]，例如地下結(jié)構(gòu)減荷[2]、道路改擴(kuò)建、橋臺(tái)臺(tái)背路基填筑[3]、礦山采空區(qū)充填[4]，以及地基回填和管道回填等工程項(xiàng)目，也吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行壓縮特性本構(gòu)模型研究[5-7]與其工程應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[8-10]。但由于泡沫輕質(zhì)土用于管道溝槽回填的工程實(shí)際較少，其應(yīng)力、變形情況和實(shí)際服役效果尚處于探索階段，盡管現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以獲得真實(shí)、可靠的第一手實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但常常受到成本、工期等的制約難以獲得不同工況、不同材料下的內(nèi)力與變形性能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值分析技術(shù)對(duì)試驗(yàn)條件、試驗(yàn)工況和測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行拓展計(jì)算，已成為工程界普遍采用的研究方法。

本文采用ABAQUS有限元計(jì)算軟件建立管道溝槽回填泡沫輕質(zhì)土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)典型斷面數(shù)值分析模型，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)的合理性。采用驗(yàn)證后的模型，對(duì)比分析路面結(jié)構(gòu)自重和壓路機(jī)荷載作用下HDPE管道、混凝土管道應(yīng)力和回填區(qū)應(yīng)力與變形分布規(guī)律，為后續(xù)相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景

本文以市政道路下雨水管道溝槽回填泡沫輕質(zhì)土為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，研究管道應(yīng)力、回填區(qū)應(yīng)力與變形分布規(guī)律。依托工程位于長(zhǎng)沙市望城區(qū)湘江西岸防洪保安工程瀟湘北路堤防(三叉磯—溈水河)， 試驗(yàn)工點(diǎn)選取瀟湘北路與望湖路交叉口(K7+860～K7+910)，設(shè)置了2個(gè)測(cè)試區(qū)段。本文側(cè)重分析測(cè)試區(qū)段一(見(jiàn)圖1)，其管道沿瀟湘北路K7+860～K7+900右側(cè)輔道靠近綠化帶處布置。

圖1 測(cè)試區(qū)段平面布置

雨水管道采用高密度聚乙烯鋼帶增強(qiáng)螺旋波紋管(又稱(chēng)HDPE管)，見(jiàn)圖2。HDPE管公稱(chēng)內(nèi)徑為1 000 mm，波峰處外徑為1 070 mm，最大螺距150 mm。

圖2 HDPE鋼帶增強(qiáng)螺旋波紋管

雨水管溝槽設(shè)計(jì)為梯形斷面，底寬200 cm、坡率1∶0.5、深200 cm。測(cè)試斷面由地基、泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)、HDPE管道、砂墊層、上路床改良層、底基層、基層和路面結(jié)構(gòu)層組成，見(jiàn)圖3。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與測(cè)點(diǎn)布置

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要測(cè)試從管道埋設(shè)、溝槽回填到路面結(jié)構(gòu)施工這一過(guò)程中的管道表面應(yīng)力、泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)應(yīng)力與壓縮變形量，測(cè)試元件布置見(jiàn)圖3。

圖3 測(cè)試元件布置圖(單位：cm)

管道表面應(yīng)力采用表面應(yīng)變計(jì)量測(cè)，分為3組，分別安裝在HDPE管頂(BY1)和管道水平直徑外表面(BY2和BY3)處。

回填區(qū)應(yīng)力采用混凝土應(yīng)變計(jì)量測(cè)，分為3組，分別安裝在回填區(qū)中的不同位置，見(jiàn)表1。

回填區(qū)壓縮變形采用單點(diǎn)沉降計(jì)量測(cè)，安裝在偏離斷面中心線60 cm處，元件上端法蘭盤(pán)布置于泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)頂端，元件下端固定于回填區(qū)底端砂墊層。

表1 混凝土應(yīng)變計(jì)組別和埋設(shè)位置Table 1 Group and buried position of concrete strain gauge組別布置位置HY1試驗(yàn)斷面中心線處,管道頂端和泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)之間。HY2偏離試驗(yàn)斷面中心線60 cm,泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)內(nèi)部管頂標(biāo)高處。HY3偏離試驗(yàn)斷面中心線60 cm,泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)底部。

3 數(shù)值分析模型建立

3.1 計(jì)算區(qū)域

在此次試驗(yàn)和數(shù)值分析過(guò)程中，壓路機(jī)荷載與路面結(jié)構(gòu)自重荷載均為豎向荷載，且沿道路走向均勻分布，主要變形均發(fā)生在與道路垂直的橫斷面內(nèi)，縱向變形很小，故將其簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題?；诖?，以測(cè)試區(qū)段一F2斷面為原型建立二維ABAQUS數(shù)值模型進(jìn)行分析。

本次數(shù)值計(jì)算主要分析回填區(qū)上覆各結(jié)構(gòu)層填筑過(guò)程中泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)與HDPE管道的內(nèi)力與變形發(fā)展情況，故計(jì)算區(qū)域確定為：寬度設(shè)置為18 m，路面結(jié)構(gòu)層按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)定，見(jiàn)表2，考慮到進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)4 cm改性瀝青混凝土上面層尚未鋪設(shè)，為便于與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，建模時(shí)將瀝青混凝土面層設(shè)定為13 cm，地基厚度取5 m。

數(shù)值模型中共有8個(gè)部件，如圖4所示。分別是HDPE管、泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)、地基、回填區(qū)頂面砂墊層、上路床改良層、5%水泥穩(wěn)定碎石底基層、5%水泥穩(wěn)定碎石基層和瀝青混凝土面層。

圖4 二維數(shù)值模型尺寸與內(nèi)含部件

3.2 單元類(lèi)型及材料參數(shù)與網(wǎng)格劃分

HDPE鋼帶增強(qiáng)管由外部HDPE外殼和內(nèi)部鋼質(zhì)螺旋增強(qiáng)筋組成，將其簡(jiǎn)化為一種復(fù)合材料，采用彈塑性本構(gòu)模型。地基、回填區(qū)砂墊層、上路床改良層、底基層、基層和路面結(jié)構(gòu)層均采用線彈性本構(gòu)模型，具體材料參數(shù)特性如表2所示[11]。

表2 結(jié)構(gòu)層厚度與數(shù)值分析模型材料參數(shù)Table 2 Thickness of structural layer and material param-eters of numerical analysis model部件名稱(chēng)材料參數(shù)密度/(t·m-3)彈性模量/MPa泊松比厚度直徑/cm地基1.93850.000.40500泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)0.636.920.21180HDPE管7.85758.400.30107混凝土管2.330 000.000.20107回填區(qū)砂墊層1.7100.000.3020上路床改良層2.0480.000.30255%水泥穩(wěn)定碎石底基層2.21 500.000.25235%水泥穩(wěn)定碎石基層2.21 500.000.2522瀝青混凝土面層2.41 400.000.3513

泡沫輕質(zhì)土作為一種典型的多孔材料，其本構(gòu)模型與普通混凝土有一定差異，對(duì)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種本構(gòu)模型：一類(lèi)是基于室內(nèi)試驗(yàn)成果提出的，如趙全勝[5]和張浩[6]等的模型；另一類(lèi)是基于理論分析提出的，如蘇步云[7]的模型。

基于本次施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的泡沫輕質(zhì)土配比制作了多組試件，進(jìn)行室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)，獲得其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，結(jié)合ABAQUS默認(rèn)的經(jīng)典彈塑性理論，獲得彈性階段需要定義的參數(shù)即彈性模量值為36.92 MPa，塑性階段需要定義的參數(shù)僅為塑性應(yīng)變?chǔ)舙l，其取值如表3所示[12]。

表3 泡沫輕質(zhì)土塑性階段的真實(shí)應(yīng)力和塑性應(yīng)變Table 3 Real stress and plastic strain in plastic stage of foamed lightweight soil真實(shí)應(yīng)力/kPa塑性應(yīng)變/με真實(shí)應(yīng)力/kPa塑性應(yīng)變/με878.550968.722 151896.452721 024.297 311915.495171 033.047 826933.867991 036.948 483948.251 1881 043.219 055959.251 6581 048.669 649

采用CPE8R實(shí)體單元對(duì)所有部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分時(shí)，為保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果精度的同時(shí)提高計(jì)算效率，對(duì)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行不均勻劃分。對(duì)于重點(diǎn)研究部分，如HDPE管和管道溝槽回填區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，網(wǎng)格尺寸為0.015 m，路面結(jié)構(gòu)層網(wǎng)格豎向尺寸為0.075 m，橫向尺寸由回填區(qū)域最小單元尺寸0.015 m向邊界處最大單元尺寸0.15 m變化布置，地基網(wǎng)格尺寸橫向布置與路面結(jié)構(gòu)層一致，豎向尺寸由回填區(qū)域最小單元尺寸0.015 m向邊界處最大單元尺寸0.075 m變化布置。

3.3 接觸、約束與邊界條件

在變形過(guò)程中，各部件之間的相互作用關(guān)系需要通過(guò)定義接觸和約束來(lái)實(shí)現(xiàn)。泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)頂面的砂墊層是散粒體材料，底部與回填區(qū)接觸，不可能產(chǎn)生脫空，變形一定是協(xié)調(diào)的，故該處砂墊層和泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)之間設(shè)置了綁定約束(tie constraint)，使二者緊密連接。其余部件之間采用硬接觸，并定義其法向接觸特性，使之在接觸時(shí)能夠傳遞壓力。在初始分析步，約束模型底部所有位移和模型兩側(cè)的水平位移、轉(zhuǎn)動(dòng)位移，同時(shí)約束管道內(nèi)壁的轉(zhuǎn)動(dòng)位移。

3.4 分析步設(shè)置

各路面結(jié)構(gòu)層鋪設(shè)后，需采用壓路機(jī)在其表面進(jìn)行碾壓。數(shù)值分析時(shí)，選用了壓路機(jī)在施工碾壓過(guò)程中最不利工況，將壓路機(jī)荷載簡(jiǎn)化為輪寬范圍內(nèi)的線荷載，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓路機(jī)型號(hào)，取高激振力條件下線荷載q大小為174 kN/m。

本文按照測(cè)試區(qū)段的施工過(guò)程，設(shè)置了地應(yīng)力平衡步后加載過(guò)程的分析步，并考慮了實(shí)際施工過(guò)程中壓力機(jī)的加載與卸載。主要施工順序：開(kāi)挖坑槽-施作管道基礎(chǔ)-管道施工-輕質(zhì)土回填-回填路床土-施工路面結(jié)構(gòu)層。例如：第1步是模擬泡沫輕質(zhì)土回填與其頂面的砂墊層鋪設(shè)完成后進(jìn)行的路基表面碾壓平整工序，第2步模擬壓路機(jī)卸載；第3步模擬上路床改良層鋪設(shè)，第4步則為壓路機(jī)卸載。其余各結(jié)結(jié)構(gòu)層依次類(lèi)推，即每進(jìn)行一步新增結(jié)構(gòu)層與壓力機(jī)荷載加載，隨即進(jìn)行一步壓路機(jī)卸載。

數(shù)值分析成果按分析步順序進(jìn)行提取。為更好地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，考慮到壓路機(jī)荷載施加的時(shí)間有限，本文在與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比時(shí)，提取的是各施工步壓路機(jī)荷載卸除后計(jì)算結(jié)果。數(shù)值計(jì)算分析步和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表4。

3.5 觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置

提取數(shù)值分析結(jié)果的觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置對(duì)應(yīng)，參見(jiàn)圖5和圖6。管道外側(cè)設(shè)置2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別設(shè)置在管頂(1#)和管側(cè)(2#)，觀測(cè)管道應(yīng)力；泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)設(shè)置5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別在管頂(3#)、管頂左側(cè)60 cm處(4#)、管底左右兩側(cè)60 cm處(5#、6#)和泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)表面偏離中線60 cm處(7#)，觀測(cè)回填區(qū)應(yīng)力和變形。

表4 數(shù)值計(jì)算分析步和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 4 Corresponding relationship between numerical a-nalysis steps and field test time分析步計(jì)算工況現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開(kāi)展時(shí)間1路基基礎(chǔ)碾壓平整2壓路機(jī)卸載第38天3上路床改良層鋪設(shè)4壓路機(jī)卸載第90天5水泥穩(wěn)定碎石底基層鋪設(shè)6壓路機(jī)卸載第96天7水泥穩(wěn)定碎石基層鋪設(shè)8壓路機(jī)卸載第102天9瀝青混凝土面層鋪設(shè)10壓路機(jī)卸載第126天

圖5 管道觀測(cè)點(diǎn)

圖6 回填區(qū)觀測(cè)點(diǎn)

4 數(shù)值分析模型驗(yàn)證

4.1 管道應(yīng)力

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，HDPE管道的頂部和左右兩側(cè)外表面均布置了表面應(yīng)變計(jì)，文中選用受施工干擾影響小的靠近主路一側(cè)側(cè)面測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬1#和2#觀測(cè)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。管頂、管側(cè)表面應(yīng)力對(duì)比情況如圖7、圖8所示。

圖7 管頂表面應(yīng)力變化計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖8 管道側(cè)面表面應(yīng)力變化計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

從圖中可以看出，數(shù)值計(jì)算結(jié)果中管頂和兩側(cè)表面應(yīng)力均為壓應(yīng)力，其大小隨路面結(jié)構(gòu)層填筑呈增大的趨勢(shì)，且頂面壓應(yīng)力在路基表面碾壓平整階段增大的速度更快。但計(jì)算值與實(shí)際值尚有一定差距。分析認(rèn)為：誤差主要來(lái)源于模型計(jì)算時(shí)采用的管道綜合模量偏低，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果整體偏小。管頂表面應(yīng)力計(jì)算與實(shí)測(cè)最大值分別為136.584和146.40 kPa，各階段應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差值為10.68、11.95、6.11、2.65、9.82 kPa，相對(duì)誤差在2.13%～11.12%之間。管側(cè)表面應(yīng)力計(jì)算與實(shí)測(cè)最大值分別為124.65和152.08 kPa，各階段應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差值為-18.67、59.39、53.46、44.73、27.43 kPa，除第40天實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值外，其它工況相對(duì)誤差在18.06%～42.67%之間。

4.2 泡沫輕質(zhì)土應(yīng)力

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)(HY1、HY2、HY3)處的實(shí)測(cè)應(yīng)力，提取數(shù)值分析模型中與之對(duì)應(yīng)的3#、4#和5#觀測(cè)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，繪制泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖，分別見(jiàn)圖9、圖10和圖11。

圖9 管道頂面泡沫輕質(zhì)土應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖10 管頂左側(cè)60 cm處應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖11 回填區(qū)底面應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

從圖中可以明顯看出，3測(cè)點(diǎn)計(jì)算值和實(shí)測(cè)值均為壓應(yīng)力，且變化規(guī)律基本相似，均隨回填區(qū)上部結(jié)構(gòu)層的填筑而增大。管道頂面處3#測(cè)點(diǎn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差較大。主要是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，管頂與回填泡沫輕質(zhì)土之間出現(xiàn)了一定程度的脫空[12]，管頂混凝土的“成拱效應(yīng)”導(dǎo)致其實(shí)測(cè)值較??；而數(shù)值模型將界面設(shè)置為硬接觸，無(wú)法反映脫空現(xiàn)象。除此以外，另外2測(cè)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為接近，4#和5#觀測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力差值范圍分別為-0.25～-3.56、-2.35～-4.54 kPa，對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差分別在1.55%～30.46%和12.34%～21.77%之間。

4.3 壓縮變形

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中布置了單點(diǎn)沉降計(jì)用于測(cè)試回填區(qū)的壓縮變形情況，數(shù)值分析時(shí)，選取元件布設(shè)位置對(duì)應(yīng)的泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)底面和頂面設(shè)置6#和7#這2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖6)，提取各計(jì)算工況下(見(jiàn)表4)豎向位移值，通過(guò)計(jì)算2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位移差值得到泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)的壓縮變形。計(jì)算和實(shí)測(cè)壓縮量隨時(shí)間變化結(jié)果如圖12所示。

圖12 回填區(qū)壓縮變形量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

從圖12可以看出，計(jì)算所得回填區(qū)壓縮量隨上部路面結(jié)構(gòu)層施工總體上呈上升趨勢(shì)，在路基面層碾壓平整階段和路面結(jié)構(gòu)底基層鋪設(shè)過(guò)程中壓縮量增長(zhǎng)最快，而后期變化速度放緩。回填區(qū)壓縮變形計(jì)算與實(shí)測(cè)最大值分別為3.584和2.19 mm，各工況差值依次為0.74、0.84、1.33、1.40、1.39 mm。

綜上，鑒于計(jì)算所得管道表面應(yīng)力、泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)應(yīng)力與變形在施工過(guò)程中的發(fā)展趨勢(shì)與實(shí)測(cè)結(jié)果一致，其差值在工程應(yīng)用可以接受的范圍內(nèi)，認(rèn)為建模方法和計(jì)算參數(shù)是合理的，可應(yīng)用于對(duì)實(shí)際工程的拓展分析。

5 HDPE 管道與混凝土管道對(duì)比分析

為了進(jìn)一步探討不同材質(zhì)管道與溝槽回填泡沫輕質(zhì)土共同工作的應(yīng)力與變形情況，本文還將HDPE管道更換為尺寸相當(dāng)?shù)幕炷凉艿肋M(jìn)行了數(shù)值分析，混凝土管計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

混凝土管道計(jì)算模型觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置情況與HDPE管道相同，見(jiàn)圖5和圖6。

5.1 管道應(yīng)力

HDPE管道和混凝土管道在瀝青下面層鋪設(shè)完成且壓路機(jī)卸載時(shí)豎向應(yīng)力情況分別見(jiàn)圖13、圖14。

圖13 HDPE管道豎向應(yīng)力情況

圖14 混凝土管道豎向應(yīng)力情況

由圖13和圖14可知，此工況HDPE管道的頂面和側(cè)面均為受壓狀態(tài)，管頂、管側(cè)最大壓應(yīng)力分別達(dá)到了136.58、124.65 kPa；混凝土管道的管頂為受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為912.42 kPa，管道側(cè)面為受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力為240.44 kPa。各計(jì)算工況HDPE管和混凝土管頂部與側(cè)面應(yīng)力變化情況見(jiàn)圖15和圖16。

圖15 管道頂部1#觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化對(duì)比

圖16 管道側(cè)面2#觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化對(duì)比

由圖15可知，從管道埋設(shè)、泡沫輕質(zhì)土回填到路面結(jié)構(gòu)層施工完成，HDPE管道和混凝土管道的頂部均呈受壓狀態(tài)，其壓應(yīng)力大小隨路面結(jié)構(gòu)層填筑厚度增加呈增大的趨勢(shì)。其中HDPE管道在路基表面碾壓平整階段應(yīng)力增長(zhǎng)最快，之后各階段增長(zhǎng)較為緩慢；而混凝土管道除路基面層碾壓平整階段應(yīng)力增長(zhǎng)較快外，在水泥穩(wěn)定碎石層鋪設(shè)時(shí)增長(zhǎng)也較快。

由圖16可知，上述施工過(guò)程中，混凝土管側(cè)呈受拉狀態(tài)，而HDPE管道側(cè)壁呈受壓狀態(tài)。無(wú)論是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力，均隨路面結(jié)構(gòu)層填筑呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，這對(duì)抗拉能力較弱的混凝土管道來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一個(gè)安全隱患。

5.2 泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)應(yīng)力

采用HDPE管道和混凝土管道時(shí)，泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)應(yīng)力云圖如圖17、圖18所示。

由圖17和圖18可知，盡管管道類(lèi)型不同，但泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)在從管道埋設(shè)、回填到路面結(jié)構(gòu)填筑的施工過(guò)程中，均呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。

圖17 回填HDPE管道下回填區(qū)豎向應(yīng)力

圖18 回填混凝土管道下回填區(qū)豎向應(yīng)力

在整個(gè)施工過(guò)程中，管頂高程處的3#(管頂)、4#(距管中心60 cm)測(cè)點(diǎn)泡沫輕質(zhì)土應(yīng)力變化情況見(jiàn)圖19和圖20，圖21為管道底面處(5#測(cè)點(diǎn))應(yīng)力變化情況。

圖19 回填區(qū)3#觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化對(duì)比

圖20 回填區(qū)4#觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化對(duì)比

圖21 回填區(qū)5#觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化對(duì)比

可以看出，無(wú)論是HDPE管道還是混凝土管道，回填區(qū)應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且隨路面結(jié)構(gòu)層的鋪設(shè)，應(yīng)力的增長(zhǎng)趨勢(shì)相同：回填區(qū)場(chǎng)地整平階段最快，后期緩慢增長(zhǎng)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，混凝土管頂泡沫輕質(zhì)土壓應(yīng)力均大于HDPE管頂?shù)呐菽p質(zhì)土應(yīng)力，前者最大值約為后者的2.91倍；但采用混凝土管道時(shí)，泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)4#、5#觀測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)力均比采用HDPE管道時(shí)小，其最大值的比值約為0.87倍和0.89倍。分析認(rèn)為：選用不同材質(zhì)管道對(duì)泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)的應(yīng)力影響較大的部位在管頂區(qū)域，其他區(qū)域影響較小。

5.3 回填區(qū)壓縮變形

圖22為采用不同管道時(shí)泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)的壓縮變形情況。在數(shù)值分析結(jié)果中，分別提取各階段6#、7#觀測(cè)點(diǎn)豎向位移，計(jì)算其差值得到泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)的壓縮變形，壓縮量隨施工進(jìn)程的變化結(jié)果如圖22所示。

圖22 不同管道下回填區(qū)壓縮變形

從圖22可以看出，采用不同管道時(shí)，回填區(qū)壓縮量隨上部路面結(jié)構(gòu)層施工總體上均呈上升趨勢(shì)，在采用HDPE管道時(shí)的回填區(qū)壓縮變形量較大，其最大值為3.58 mm，約為采用混凝土管道時(shí)的1.3倍。

6 結(jié)論

本文采用ABAQUS數(shù)值分析軟件，建立了管道-泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)-路基路面結(jié)構(gòu)二維數(shù)值模型，研究其在路面結(jié)構(gòu)填筑過(guò)程中管道應(yīng)力、回填區(qū)應(yīng)力與變形變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

a.從管道埋設(shè)、溝槽回填到路面結(jié)構(gòu)施工完成，HDPE管道管頂和兩側(cè)表面應(yīng)力均為壓應(yīng)力，其大小隨路面結(jié)構(gòu)層填筑呈增大趨勢(shì)，管頂、管側(cè)實(shí)測(cè)表面應(yīng)力最大值分別為146.40和152.08 kPa。若采用混凝土管道，其管側(cè)呈受拉狀態(tài)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)特別關(guān)注。

b.無(wú)論是采用HDPE管道還是混凝土管道，泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)均處于受壓狀態(tài)，其應(yīng)力隨上部路面結(jié)構(gòu)層施工總體上呈上升趨勢(shì)。不同材質(zhì)管道對(duì)回填區(qū)的應(yīng)力影響較大的部位在管頂區(qū)域。

c.采用HDPE管道時(shí)，泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)壓縮變形約為采用混凝土管道時(shí)變形量的1.3倍。