行車荷載作用下瀝青路面路基永久變形計算

祝云琪

(寶鋼工程技術(shù)集團有限公司總圖部，上海 201900)

當前關(guān)于行車荷載作用下瀝青路面路基永久變形的預(yù)估方法主要是力學—經(jīng)驗法，即首先對路面結(jié)構(gòu)進行力學分析，計算得到路面關(guān)鍵計算點的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù);然后，根據(jù)室內(nèi)外試驗?zāi)M實際路面結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的受力狀況，并建立路面永久變形與應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)以及材料特性之間的經(jīng)驗統(tǒng)計關(guān)系進行計算，而力學—經(jīng)驗法中最常用的方法是分層應(yīng)變總和法[1，2]，但該法沒有考慮行車荷載橫向分布的影響。本文以路基永久變形預(yù)估基本計算方法為基礎(chǔ)，并考慮公路渠化交通，提出了綜合考慮輪載橫向分布頻率的分條分層應(yīng)變總和預(yù)估方法，對行車荷載作用下瀝青路面路基永久變形進行預(yù)估。

1 考慮輪載橫向分布頻率的分條分層應(yīng)變總和預(yù)估法

本文提出綜合考慮輪載橫向分布頻率的分條分層應(yīng)變總和計算方法，具體計算流程如圖1所示。

圖1 考慮軸載橫向分布頻率路基永久變形計算流程示意圖

分條分層應(yīng)變總和法是在分層應(yīng)變總和法的基礎(chǔ)上提出的，可以認為是兩層次疊加，第一層疊加是路基工作區(qū)深度內(nèi)的分層總和疊加，第二層疊加是輪載作用次數(shù)的分條總和疊加。即將路面在行車道橫向范圍內(nèi)分為若干個條帶，將行車道標準軸載累積作用次數(shù)按一定的比例分配到各個條帶上，先求在各個條帶上作用輪載時路基工作區(qū)深度內(nèi)分層的壓縮量δij(輪載作用在j條帶上，在路基土第i分層上產(chǎn)生的塑性變形)，然后將各分層壓縮量累加起來(分層總和);再將各個條帶上分別作用輪載時路基土總永久變形累加起來(分條分層總和)。分析步驟如下:

1)第一層迭代:分層總和法。

2)第二層迭代:分條總和法，圖2為3.75 m寬的車道上實測到的輪跡橫向分布頻率曲線[3]。

從圖2可以看到，距離外邊緣0.9 m和3.0 m附近的條帶，其橫向分布頻率達到峰值，約為30%;而車道邊緣處的分布頻率很低。輪跡覆蓋帶寬度通常為50 cm左右(雙輪組每只輪胎寬20 cm，輪隙寬10 cm)。這時兩個條帶頻率之和成為輪跡橫向分布系數(shù)。分條情況如圖3所示。

圖2 輪跡橫向分布頻率曲線圖[3]

圖3 輪載作用位置示意圖

確定各分條輪載作用次數(shù)的具體方法是:根據(jù)圖2輪跡橫向分布頻率曲線查得相應(yīng)條帶的輪跡橫向分布系數(shù)值;將設(shè)計車道標準軸載累計所用次數(shù)Ne乘以條帶的輪跡橫向分布系數(shù)得到該條帶的輪載作用次數(shù)N，作為該條帶上實際所受到的輪載作用次數(shù)，如表1，表2所示。

表1 輪跡橫向分布系數(shù)表

表2 考慮橫向分布系數(shù)時條帶上標準軸載作用次數(shù)表

3)將各分層平均彈性應(yīng)變值代入路基土永久變形預(yù)估模型，計算分層的塑性壓應(yīng)變量，乘以分層厚度即為該分層的永久變形量。

4)將路基工作區(qū)深度內(nèi)各分層土的永久變形量進行疊加，即得到路基土總的永久變形為:

其中，δjp(N)為在第j條帶上輪載p重復(fù)作用N次時路基土總的永久變形;εpi(N)為第i分層土的永久變形;n為路基土的分層數(shù);hi為第i分層厚度。

5)考慮水平方向不同位置荷載在同一計算點所引起的永久變形的疊加，即將各個條帶上作用輪載時路基土總的永久變形量累加起來，有:

其中，δp(N)為輪載p重復(fù)作用N次時路基土總的永久變形;m為行車道的條帶數(shù)。

2 計算示例

根據(jù)本文方法對典型半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)計算行車荷載作用下路基永久變形值。其中，路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表3，輪載采用標準軸載(BZZ-100)，車道軸載累計作用次數(shù)300萬次，荷載作用位置沿車道橫向分布，如圖4所示，考慮車道橫向分布頻率時條帶上標準軸載作用次數(shù)見表2。

表3 典型路面結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)表

圖4 輪載沿車道橫向分布示意圖

以粘土路基的永久變形計算為例，考慮輪載橫向分布頻率的路基永久變形值為2.727 mm，此值大于不考慮輪載橫向分布頻率時得到路基永久變形值1.083 mm。同時，還可以得到行車荷載作用下路基永久變形特征，以單車道情況為例，當行車荷載作用于行車道中央位置時，不考慮輪載橫向分布頻率時，路基土頂面永久變形的形狀如圖5所示，考慮輪載橫向分布頻率時，如圖6所示。

從圖5和圖6可知，考慮輪載橫向分布頻率的路基永久變形值較不考慮輪載橫向分布頻率的路基永久變形值要大，變形特征趨于波浪形，反映出路基永久變形的不均勻性特征，更符合實際情況。

圖5 不考慮輪載橫向分布頻率路基永久變形圖

圖6 考慮輪載橫向分布頻率路基永久變形圖

3 結(jié)語

1)在常規(guī)路基永久變形分層應(yīng)變總和預(yù)估法的基礎(chǔ)上，考慮公路渠化交通，提出了綜合考慮輪載橫向分布頻率的分條分層應(yīng)變總和的計算方法。2)考慮輪載橫向分布頻率的路基永久變形預(yù)估方法更符合實際情況，能更好地反映行車荷載作用下瀝青路面路基永久變形的不均勻性，完善了常規(guī)路基永久變形的預(yù)估方法。

[1] 同濟大學.路基與粒料層抗永久變形性能預(yù)估[R].西部交通建設(shè)科技項目研究報告，2007.

[2] 高啟聚.車載作用下瀝青路面路基土的永久變形研究[D].上海:同濟大學博士學位論文，2008.

[3] 姚祖康.道路路基和路面工程[M].上海:同濟大學出版社，1994.