路基共同作用層厚度對拓寬道路路面的影響

鄭州市公路建設(shè)重點(diǎn)工程管理處 張 濤

路基共同作用層厚度對拓寬道路路面的影響

鄭州市公路建設(shè)重點(diǎn)工程管理處 張 濤

一、問題的提出

近二十多年來，我國的公路建設(shè)發(fā)展迅速，公路對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的促進(jìn)作用也越來越顯著。但是，我國在公路密度、技術(shù)等級和高等級公路比重等方面與發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距。為滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對交通基礎(chǔ)設(shè)施的需求，對原有低等級公路進(jìn)行改建和擴(kuò)建勢在必行。公路拓寬通常包括對原有公路線形和縱坡的改善、路基拓寬和填高以及路面補(bǔ)強(qiáng)和加鋪等內(nèi)容。

但是，在公路拓寬工程中，新填路基會發(fā)生一定程度的固結(jié)沉降，而老路基基本上不產(chǎn)生沉降，這導(dǎo)致整個路基在橫斷面上產(chǎn)生工后不均勻沉降，進(jìn)而在路面結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力。一旦該附加應(yīng)力與輪載應(yīng)力疊加以后超過路面材料的允許強(qiáng)度，路面便會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，此時，路面就發(fā)生較大規(guī)模的縱向裂縫，進(jìn)一步發(fā)展將嚴(yán)重影響行車安全和舒適性。在對其發(fā)生原因進(jìn)行分析的過程中筆者發(fā)現(xiàn)，拓寬類型中的路基共同作用層厚度與該類病害嚴(yán)重程度有著較為密切的關(guān)系。

二、路基拓寬的影響因素與路基共同作用層

1.路基拓寬的影響因素。公路拓寬工程應(yīng)考慮老路與新路的關(guān)系以及工程所處的地形、地基等條件，路基拓寬影響因素主要有地形地基條件、路基的拓寬范圍、新路基填挖形式、新老邊坡類型、共同作用層厚度等五類。

2.路基共同作用層。在舊路拓寬工程中，若拓寬后道路路床頂面設(shè)計標(biāo)高高于舊路路面標(biāo)高，全路幅范圍內(nèi)中間這一層新填路基稱為路基共同作用層，如圖1所示。

拓寬工程中，路基共同作用層的厚度通常在某一范圍內(nèi)變化，特別是在某些公路需要將道路等級提高時，通常原路縱斷面線形無法滿足新改建道路的縱斷面線形標(biāo)準(zhǔn)，致使不同路段有不同的新老路標(biāo)高差，也就有了不同厚度的路基共同作用層。本文，筆者針對拓寬工程在路基橫斷面上發(fā)生工后差異沉降（又稱為不協(xié)調(diào)變形）的情況，應(yīng)用有限元分析方法，對不同路基共同作用層厚度下基層底面彎拉應(yīng)力以及相應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命進(jìn)行分析，以期為類似工程病害的預(yù)防和整治提供參考。

三、拓寬工程路基不協(xié)調(diào)變形對路面結(jié)構(gòu)的影響

拓寬路基不協(xié)調(diào)變形的取值參照同濟(jì)大學(xué)黃琴龍博士的學(xué)位論文中的算例：老路寬10m，單側(cè)拓寬10m，拓寬建成后10年的老路頂面層位處的工后沉降曲線如圖2所示，拓寬完成后的路面各結(jié)構(gòu)層和路基共同作用層的材料參數(shù)見表1。

表 1 路面結(jié)構(gòu)和路基的材料參數(shù)

老路頂面處的不協(xié)調(diào)變形為工后差異沉降，將該曲線作為邊界條件施加于路基共同作用層的底面。由于其上的路面結(jié)構(gòu)為半剛性基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)，剛度最大的結(jié)構(gòu)層——二灰碎石基層對此最為敏感，在其底面產(chǎn)生的額外附加應(yīng)力和車輛荷載產(chǎn)生的荷載應(yīng)力直接決定了該路面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)壽命，因此，本次分析僅關(guān)注上述不協(xié)調(diào)變形引起的道路基層底面附加拉應(yīng)力變化情況。

經(jīng)過分析得到，不同路基共同層厚度下的基層底面附加應(yīng)力，見表2。可以看出，隨著路基共同層厚度的增加，基層底面附加最大彎拉應(yīng)力明顯降低。

我國公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范采用劈裂強(qiáng)度fsp作為極限彎拉應(yīng)力。對二灰穩(wěn)定粒料類采用如下疲勞方程：

表 2 不同路基共同層厚度下的基層底面附加應(yīng)力

式（1）中，Nf為疲勞壽命（次數(shù)），σ/s為應(yīng)力強(qiáng)度比，其中s是劈裂強(qiáng)度，σ為反復(fù)彎拉應(yīng)力值。

據(jù)規(guī)范，二灰碎石劈裂強(qiáng)度為0.5～0.8Mpa，取fsp=0.65MPa。

通常情況以107作為材料的疲勞極限，按疲勞方程，取Nf= 107時，算得σ0=0.302MPa。

在不協(xié)調(diào)變形作用下，在最不利斷面處基層底面的總彎拉應(yīng)力需要將兩者進(jìn)行疊加，再推算出結(jié)構(gòu)壽命，如表3所示。

表 3 基層底面總彎拉應(yīng)力與結(jié)構(gòu)壽命

路基共同作用層厚度h與lg Nf間的關(guān)系如圖3所示。

有限元分析結(jié)果得到，新老路基結(jié)合處路面結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力較大，并出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。在不協(xié)調(diào)變形的作用下，路面結(jié)構(gòu)會在基層底面開裂，最終形成貫穿整個路面厚度的裂縫。同時，可以看出，隨著路基共同作用層厚度的增加，不協(xié)調(diào)變形對路面結(jié)構(gòu)的影響逐步變小，路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命衰減得也越來越慢，當(dāng)h=6m時，可以忽略不協(xié)調(diào)變形對疲勞壽命的影響。

綜上，不同厚度的路基共同作用層，在相同的老路路表層位處不協(xié)調(diào)變形作用下，對上部路面結(jié)構(gòu)的影響差別較大，如，較?。?.5m）的情況下由此產(chǎn)生的基層底面附加應(yīng)力是較厚（5.0m）情況下的4.69倍，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)壽命也大大縮短。因此，路基共同作用層厚度的增加，將有助于控制拓寬工程相關(guān)病害的發(fā)生，對提高類似工程的工程質(zhì)量有著積極意義。當(dāng)路基共同作用層厚度增加到一定厚度（6m）時，可以忽略其不協(xié)調(diào)變形對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。