宕渣土路基上路面結(jié)構(gòu)的受力特性研究

張震華， 韓 丁， 范承余， 阮宜東， 詹炳根

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級(jí)試驗(yàn)室，安徽 合肥 230009；3.合肥工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，安徽 合肥 230009；4.安徽省高速公路集團(tuán)控股有限公司，安徽 合肥 230088）

宕渣原意為開(kāi)采石料及殘余的石渣廢料，工程上其定義為：一種經(jīng)開(kāi)采并符合一定規(guī)格要求的自然土石混合材料。宕渣通常分為清宕渣和混宕渣，清宕渣一般用作隔離層，混宕渣一般用做填筑路堤［1］。用于路基填筑的宕渣的最大顆粒粒徑應(yīng)小于150mm，粒徑大于40mm的顆粒含量大于30%［2］。研究高速公路宕渣土路基會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力特性產(chǎn)生何種影響十分必要。

路基的回彈模量是道路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)［3］。目前瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計(jì)與分析仍采用彈性層狀理論體系［4］，而這一理論的前提是假定路面材料各向同性，即只承認(rèn)一個(gè)彈性模量。1997年我國(guó)頒布的瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范，主要特點(diǎn)是以多層體系，雙圓荷載圖示，水平、垂直綜合效應(yīng)下的應(yīng)力、位移解析解為基礎(chǔ)，以輪隙彎沉及層底拉應(yīng)力以及面層抗剪強(qiáng)度為設(shè)計(jì)指標(biāo)［5］。文獻(xiàn)［6］根據(jù)承載板試驗(yàn)和彎沉檢測(cè)的結(jié)果，建立了瀝青路面計(jì)算彎沉與當(dāng)量回彈模量的經(jīng)驗(yàn)公式。而美國(guó)各州公路工作者協(xié)會(huì)AASHTO瀝青路面設(shè)計(jì)方法中采用路基土的有效回彈模量作為設(shè)計(jì)參數(shù)［7］。殼牌（SHELL）設(shè)計(jì)法是以彈性層狀體系理論計(jì)算各層的應(yīng)力和應(yīng)變，路面結(jié)構(gòu)以3層連續(xù)體系為基礎(chǔ)，荷載圖式一般采用標(biāo)準(zhǔn)的雙輪荷載，并以80kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載［8］。

彎沉是路面抵抗垂直變形的能力，土基模量增大，路表彎沉?xí)p?。?］，故彎沉可反映路面各結(jié)構(gòu)層的整體強(qiáng)度和剛度。且土基彎沉測(cè)試比土基回彈模量測(cè)試簡(jiǎn)便、快速，所以可以利用彎沉值計(jì)算或檢驗(yàn)土基回彈模量，這樣可以大大減輕工作量，提高工作效率［10］。本文在承載板彎沉實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上利用ABAQUS軟件對(duì)宕渣土的當(dāng)量回彈模量進(jìn)行了反演，同時(shí)結(jié)合土基材料參數(shù)和5%水泥穩(wěn)定碎石層厚度的變化，通過(guò)三維雙圓荷載計(jì)算模型分析，對(duì)宕渣土路基上路面結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行了研究。

1 路床頂面的當(dāng)量回彈模量

為了簡(jiǎn)化力學(xué)計(jì)算，瀝青路面通常被看作半無(wú)限均質(zhì)彈性地基上的薄板。地基實(shí)際上是由不同模量和厚度的基層、底基層或墊層及土基組成的多層體系，因此需要將層狀地基等效轉(zhuǎn)換為半無(wú)限均質(zhì)空間體，計(jì)算基層頂面的當(dāng)量回彈模量。下面結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的工況來(lái)計(jì)算宕渣土路基的當(dāng)量回彈模量。

1.1 工況描述

試驗(yàn)段位于黃祁高速K66＋884～K66＋973之間，長(zhǎng)度為89m，填方最大高度為17.743m，共布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 路基頂面的承載板檢測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)在K66＋K916處，分別距左路肩為5m和15m（方向?yàn)樾輰幍狡铋T(mén)），試驗(yàn)段路基寬度為26m。

試驗(yàn)的目的在于評(píng)價(jià)宕渣土用于96區(qū)的合理性以及所表現(xiàn)出的工程特性。

承載板和待檢測(cè)路基沿某一橫斷面對(duì)稱(chēng)，因此可以選取1／2進(jìn)行分析。待檢測(cè)路基的幾何尺寸如圖2所示，承載板選用30cm直徑圓盤(pán)的1／2，厚度為2cm。

圖2 待檢測(cè)路基的幾何尺寸

1.2 數(shù)值計(jì)算模型與反演結(jié)果

承載板材料為鋼質(zhì)，彈性模量取為300GPa。除了邊坡和頂面外，其他邊界約束法向變形。為了與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)相一致，分別將承載板的荷載施加為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6MPa。在每個(gè)承載板荷載工況下，分別將路基的當(dāng)量回彈模量設(shè)定為50、100、200、300、400MPa。擬合每個(gè)承載板荷載工況下承載板豎向位移計(jì)算值與原有路基材料假定彈性模量的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)承載板的沉降檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)反算原有路基頂面的實(shí)際當(dāng)量回彈模量。測(cè)點(diǎn)1、2的回彈模量結(jié)果見(jiàn)表1所列。由表1回彈模量數(shù)據(jù)，剔除最大值和最小值，分別得到測(cè)點(diǎn)1、2的回彈模量平均值為198.96MPa和227.42MPa。

表1 測(cè)點(diǎn)1、2回彈模量計(jì)算

取測(cè)點(diǎn)1、2的平均值213.19MPa作為宕渣土路基上路床頂面的當(dāng)量回彈模量。

2 路面結(jié)構(gòu)的受力特性

黃祁高速公路設(shè)計(jì)中路面結(jié)構(gòu)采用4cm細(xì)粒式瀝青混凝土（AC－13C）＋6cm中粒式瀝青混凝土（AC－20C）＋8cM粗粒式瀝青混凝土（AC－25C）＋34cm水泥穩(wěn)定碎石（5%）＋20cm水泥穩(wěn)定碎石（3%）。

材料的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2所列。

表2 材料的設(shè)計(jì)參數(shù)

為了比較宕渣土作為路床填筑的效果，將土基的彈性模量換為213.19MPa，并將水泥穩(wěn)定碎石（5%）的厚度分別取為34、25、15cm，通過(guò)有限元程序?qū)拥桌瓚?yīng)力和瀝青路面頂層彎沉進(jìn)行計(jì)算。

2.1 計(jì)算模型

建立有限元計(jì)算模型，如圖3所示。規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)車(chē)后軸為單軸雙輪，后軸重為100kN。后軸單側(cè)的雙圓加載如圖4所示，其中單圓直徑d＝0.213m。

圖3 計(jì)算模型工況

圖4 后軸單側(cè)雙圓荷載的施加

取車(chē)輛橫向的1／2進(jìn)行建模，因此路基路面結(jié)構(gòu)也取為對(duì)稱(chēng)模型，對(duì)稱(chēng)面約束法向位移，底面約束三向位移，試件幾何尺寸為7m×4.375m×（2.79～2.98）m。

2.2 模型的計(jì)算結(jié)果

文獻(xiàn)［11］規(guī)定結(jié)構(gòu)層底的拉應(yīng)力和瀝青面層的彎沉值是路面結(jié)構(gòu)計(jì)算的檢驗(yàn)指標(biāo)，本文選用的結(jié)構(gòu)層底包括瀝青混合料下面層、5%水泥穩(wěn)定碎石層和3%水泥穩(wěn)定碎石層。

不同工況下瀝青路面檢驗(yàn)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3所列。

表3 有限元模型的計(jì)算結(jié)果

2.3 宕渣土路基對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響

為了探究宕渣土路基的影響，對(duì)表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)（工況1，土基彈性模量45MPa，5%水穩(wěn)層厚34cm）作為分母基準(zhǔn)值，其他工況結(jié)果與之相除，不同工況計(jì)算結(jié)果比較見(jiàn)表5所列，結(jié)果越大表明結(jié)構(gòu)越偏向于不安全。

表4 不同工況計(jì)算結(jié)果的比較

從表4中可以看出，使用宕渣土路基后能顯著降低瀝青層頂面的彎沉值和3%水泥穩(wěn)定碎石層底拉應(yīng)力，同時(shí)也會(huì)降低5%水泥穩(wěn)定碎石層底拉應(yīng)力，但瀝青下面層層底拉應(yīng)力有一定增加。采用宕渣土路基后，即使將5%水泥穩(wěn)定碎石層的厚度減少9cm，瀝青層頂面彎沉和3%水泥穩(wěn)定碎石層底拉應(yīng)力分別降低47.15%和13.39%，瀝青下面層和5%水泥穩(wěn)定碎石層底拉應(yīng)力分別增加8.54%和13.29%，路面結(jié)構(gòu)的整體表現(xiàn)仍明顯優(yōu)于采用34cm厚5%水泥穩(wěn)定碎石層的設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用ABAQUS軟件建立了數(shù)值計(jì)算模型，結(jié)合承載板彎沉試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)段96區(qū)填筑的宕渣土基層頂面當(dāng)量回彈模量進(jìn)行了反演，當(dāng)采用宕渣土路基時(shí)，瀝青路面的彎沉值大幅減少，3%水泥穩(wěn)定碎石層層底拉應(yīng)力也顯著降低。通過(guò)計(jì)算得出，即使5%的水泥穩(wěn)定碎石層減少9cm，采用宕渣土路基時(shí)，路面結(jié)構(gòu)的工程特性明顯優(yōu)于不減少水泥穩(wěn)定碎石層厚度的常規(guī)路面結(jié)構(gòu)。

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