考慮車輛動應力條件下的軟土路基處理深度研究

尚志剛

（天津城建設計院有限公司，天津市 300122）

科技研究

考慮車輛動應力條件下的軟土路基處理深度研究

尚志剛

（天津城建設計院有限公司，天津市 300122）

針對濱海新區(qū)軟基特點，在現(xiàn)有道路工程低填方路堤或挖方段軟土路基處理深度計算方法的基礎上，根據(jù)車輛對道路產生的動應力影響，提出了考慮車輛動應力條件下的軟土路基處理深度研究計算方法。分析確定車輛荷載模型，并通過室外道路車輛動應力采集，驗證模型準確性。通過試驗采集沖擊數(shù)據(jù)，采用ABAQUS軟件進行數(shù)值模擬，驗證了土中動應力衰減的道路模型。在此基礎上模擬計算出不同軸重、速度及交通量下的動應力影響深度，參照地基沉降計算方法及路基工作區(qū)定義，確定軟土地基的處理深度，得到以下結論：考慮車輛動應力及路面鋪裝情況下，高速公路低填方軟土路基處理深度應在1.10 m以上，一級公路為1.23 m以上，二級公路為1.31 m以上，三級公路為1.4 5m以上，視重載交通情況軟土地基處理深度相應增加25～40 cm。

軟土路基；路基處理深度；數(shù)值模擬；車輛動應力

0 引言

伴隨國家在21世紀經(jīng)濟的飛速提升，我國的交通事業(yè)得到迅猛發(fā)展，僅高速公路里程總數(shù)已突破10萬大關。但同時我們也必須注意到，在如火如荼的施工建設后，道路病害并沒有相應減少，許多道路出現(xiàn)了過早破壞的情況。除去施工質量原因，材料質量和設計問題也是道路破壞的重要原因。例如天津市濱海新區(qū)，位置緊鄰渤海，地下水位高，地基土含水量大。除了部分可見地表土質極差，其下部還有很厚的軟弱土質層。這些土體土質強度極差，塑性指數(shù)高，難以滿足道路工程要求。對于低填方路堤或挖方段，雖然表層處理后可以達到施工彎沉要求，但這些軟弱層不經(jīng)處理，就會造成較大的不均勻工后沉降。由于這類原因造成的道路破壞在類似濱海新區(qū)的土質較差的軟土地基區(qū)域并不少見。對于這類問題，工程上常采用換填或拋石擠淤等方式進行處理，如果土質稍好的則采用化學固化等土質改良的方式進行解決。雖然路基土處理方式較為成熟，但處理深度一直未有定論。正是由于此類問題處理深度的隨意性，造成了后期不均勻沉降引起的道路破壞。

對于道路工程中類似低填方的軟土地基的處理深度問題，路基土體除受到道路自重影響外，車輛沖擊對路基土體影響極大，現(xiàn)在比較認可的也是規(guī)范采用的理論為路基工作區(qū)深度理論。該理論取車輛荷載與土體自重荷載之比即 σz/σB為1/10～1/5時的土體深度位置至路基頂面范圍為路基工作區(qū)[1]。汽車通過路面后，產生的荷載由接觸點向下傳導，其應力σz會隨著路基深度的增加迅速減小，故路基土中較為靠上的成為會受到較大的影響，此深度范圍內路基受到較大的汽車荷載影響，易產生塑性形變。這便是路基工作區(qū)的理論基礎，而易產生塑性形變的路基土區(qū)域則被稱為路基工作區(qū)或者路床壓實區(qū)。世界上其他國家對于同類問題早有相應規(guī)定，法國和日本[2,3]規(guī)定路基工作區(qū)為路基頂面以下1 m，前蘇聯(lián)則規(guī)定較低等級路的路基工作區(qū)為0.6 m，高等級路為1.2 m[4]。它們也都對這個區(qū)域的土質及壓實提出了更高的要求。我國最新的《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30-2015）[5]中規(guī)定路床厚度應根據(jù)交通量及軸載組成確定：輕、中及重交通公路路床厚度為0.8 m；特重、極重交通的公路路床厚度為1.2 m；對特種軸載的公路，應單獨計算路基工作區(qū)深度，確定路床厚度。

但以上研究成果均是在討論汽車靜止情況下載軸對路基的影響，對于行駛在路面上的車輛，幾十年前就有學者提出在相同工況下車輛行駛產生的動應力對路基土體產生的影響遠大于車輛靜止條件下對路基的影響（Schimming等學者，1966年；Yamanouchi和 Yasuhara等學者，1975年；Fujiwara等學者，1985年；Tohno等學者，1989年）[6-9]。Hyodo等學者于1989年通過載重卡車對低填方路段進行現(xiàn)場靜止和運動實驗，得出了動應力為靜載自重4～5倍的結論[10]。Chai等學者于2002年通過大量工程實例建立了經(jīng)驗公式，并得出結論：行車荷載對路基影響深度區(qū)域為路基頂面向下6 m范圍[11]。同時還有學者提出，動荷載影響下土體對于應力的傳遞形式與靜載有所不同，土體的豎向震動也會造成動應力的影響范圍會更廣。同時車輛動應力沖擊路面會造成上部路基路面整體震動，促使路基積累塑性形變，破壞道路結構。此外，動應力穿過較為致密的路面結構也會產生較大衰減。故現(xiàn)有的軟土地基處理深度僅考慮靜荷載影響也有一定的局限性。同時除車輛的動應力外，上述有些研究成果未考慮路面鋪裝層，其結論說服力有限。

通過上文分析，低填方軟土地基處理深度仍有待繼續(xù)分析研究?；谏鲜鲈?，本文通過建立相應仿真模型，并通過實際試驗驗證模型準確性。通過這些模型，結合現(xiàn)有研究成果，分析確定車輛動應力條件下的低填方路堤軟土地基處理深度問題，為設計及施工建設提供指導。

1 汽車荷載模型

分析汽車荷載對路基影響，第一步是確定汽車荷載模型。相關文獻有很多，有些根據(jù)波的可疊加特性，通過傅里葉級數(shù)來對汽車荷載進行闡釋；有些著重研究路面不平整度對車輛動應力的影響，提出了路面譜的概念。但類似的模型都有些局限性，比如有的模型只適用于波傳導單元，有些模型實際計算由于參數(shù)過多并不方便。但學者普遍認同對于路面某一處的汽車荷載可以被近似的認為是穩(wěn)態(tài)正弦波動應力[12-15]。實際上汽車荷載受到的影響因素很多，除了車重，還有路面性能，車輛構造，車速及路面不平整度等。其中路面不平整度會造成汽車震動，產生汽車荷載，是主要原因。綜合各文獻的汽車荷載模型，本文采用了穩(wěn)態(tài)正弦波動模型，也是一種在道路模擬中較多采用的汽車荷載模型，表達式如下：

式中：ω為振動圓頻率，ω=2πv/L；v為車速；q為振動應力幅值，q=M0μω2；L為道路幾何曲線的波長；μ為路面幾何不平整系數(shù)（根據(jù)實際路面測量獲得）；M0為模型車輛簧下質量；P0為車輛車輛單邊輪載靜載壓力，單位為kN；正常載重30 t（超載42 t）試驗試驗車其具體汽車荷載計算參數(shù)見表1。

表1 試驗車荷載計算參數(shù)表

2 汽車荷載模型驗證

為了驗證模型的準確性，本文通過現(xiàn)場實驗觀測汽車荷載情況，并記錄數(shù)據(jù)。觀測試驗設在濱海新區(qū)港塘路，測試時對道路進行單車道隔離前后2 km，用兩種試驗車進行不同速度下的汽車荷載試驗。圖1為試驗現(xiàn)場照片。

圖1 試驗現(xiàn)場

在現(xiàn)場完成實驗設備按照調試后，分別用正常載重試驗車（標準軸重）和重載試驗車（軸重140kN）勻速駛過試驗段路面，車速范圍10～60 km/h，得到詳細實驗數(shù)據(jù)，將試驗實測數(shù)據(jù)和軟件模擬數(shù)據(jù)進行曲線對比見圖2。

通過圖2所示可以看到模擬數(shù)據(jù)可以對實測數(shù)據(jù)記性較好的你擬合，即驗證了該模型的準確性，通過該模型可以完成對不同軸重車輛不同車速的汽車荷載進行模擬。

3 道路結構模型驗證

對于瀝青路面的模型研究，研究界普遍認為線彈性、非線彈性及粘彈性模型均可以針對其不同特點進行很好的仿真模擬。

對于道路這種特殊的帶狀結構，不論車輛的靜荷載還是動荷載，都相對較小，影響深度較小，土體各種變形較小，不會達到極限應變狀態(tài)。同時，荷載應力經(jīng)瀝青路面斜角分散后較為均勻的向路基土傳遞，路基土的剪應力相對很小。所以，對于道路的路基土模型來說，其減脹極小。再次，對于道路結構的車輛動應力來說，荷載作用時間極短，類似一種沖擊荷載。對于道路結構中無論是瀝青面層還是路基土、地基來說，更為顯著的體現(xiàn)其本構模型中的線彈性特點。綜上所述，根據(jù)道路結構特點同時兼顧計算簡便原則，采用分層線彈性模型對道路結構進行模擬。

圖2 正常載重和超載試驗車數(shù)據(jù)擬合圖

為了對上述模型準確性進行驗證，本文選取試驗路段進行模擬，試驗段鋪裝結構見表2。

表2 路面結構材料參數(shù)

在路基土埋入傳感器，由于試驗段條件有限，無法采用通過車輛進行實測，故采用夯錘模擬沖擊，并記錄實驗數(shù)據(jù)。實驗施加沖擊荷載的夯錘底面尺寸：23 cm（模擬標準軸載當量圓）、夯錘質量為30 kg。采用靖江泰斯特電子有限公司制造的TS108高頻動態(tài)壓力傳感器進行瞬時應力測量。

傳感器埋置分別為S10（距路基土頂面10 cm）、S20（距路基土頂面20 cm）、S30（距路基土頂面30 cm），傳感器位置豎直朝上用以采集垂直向下的沖擊動應力。使夯錘分別從30 cm，50 cm和80 cm三個不同高度落下模擬汽車荷載沖擊，落錘位置為傳感器正上方。采集軟件截面見圖3。數(shù)據(jù)以每次沖擊峰值動應力進行記錄，采集數(shù)據(jù)。

圖3 軟件界面

依據(jù)試驗現(xiàn)場工況，采用第3節(jié)中的道路結構模型，運行ABACUS有限元模擬軟件對現(xiàn)場試驗進行仿真數(shù)值模擬，模擬結果見圖4。仿真計算模型采用的材料參數(shù)見表2。

圖4 仿真計算模型

分別模擬夯錘自相應高度落下，計算沖擊瞬間夯錘下方土體0.5 m深度動應力值，步長為0.05 m，進行數(shù)值模擬。

通過對比仿真與實測數(shù)據(jù)，由圖5可以看出，模型較好的反應了實際沖擊荷載在土中的衰減情況，并且從趨勢是較為準確的預測了動應力的衰減情況，說明該模型可以較為準確的對土中沖擊應力的變化進行模擬。

圖5 數(shù)值模擬與實驗數(shù)據(jù)擬合圖

4 動應力數(shù)值模擬

在有了較為準確的汽車荷載模型和道路結構模型后，將汽車荷載模型作為初始應力條件加載至道路模型，進行仿真計算。車速范圍40～100 km/h，步長20 km/h；軸載分別為標準軸載和超載140 kN軸載，即車輛載重30 t和42 t兩種情況。相應的其他條件參見表3。

表3 不同車速下的振動應力幅值q和周期大小

道路結構則參照濱海新區(qū)港塘路的實際道路結構。該段道路經(jīng)過一次中修罩面，其現(xiàn)狀路面結構為4 cm細粒式瀝青混凝土罩面+8 cm瀝青混凝土原有面層+兩步18 cm二灰碎石+18 cm石灰土（12%），面層總厚66 cm。路基土厚度則取5 m。綜合上述初始條件，采用ABACUS有限元模擬軟件仿真進行數(shù)值模擬，模型見圖6。

圖6 仿真計算模型

通過對模型加載計算，提取模擬車輛動荷載下方不同深度的動應力值，可以得到如圖7所示應力趨勢圖。通過對該衰減趨勢的分析，可知車輛在相同速度時，軸重越大，沖擊應力越大。同時還可以看出，保證其他條件相同時，車輛對路基的動應力會隨車速增加而減小。這主要是因為車速增加后，作用的時間也相應減少，所以導致動應力和車速的反比的規(guī)律。

5 動應力下的軟土地基處理深度

根據(jù)第五節(jié)的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，參照路基工作區(qū)的概念，即動應力與自重應力σz/σB=1/10時所對應的深度Za，減去路面結構層厚度后的土體深度Zc作為低填方路堤或挖方段的軟土地基處理深度，見表4。

圖7 正常載重和超載試驗車不同行駛速度下的動應力隨深度變化規(guī)律

表4 不同行駛速度下的軟土地基處理深度Zc

由于濱海新區(qū)港塘路的實際道路限速為60 km/h，經(jīng)觀測平均車輛行駛速度主要分為區(qū)間為55～74 km/h之間，該路段連接沿海工業(yè)區(qū)，經(jīng)常有重車通過，綜合上表可以確定，該路段軟土地基處理深度為1.32 m。

除卻車輛軸載和行駛速度，路面結構對軟基處理深度也有很大影響，為了確定不同等級低填方道路典型的軟基處理深度，本文選取了各等級道路較為常用的路面結構層組合，見表5，并進行相應的方針計算，得到了各等級道路相應的地填方路堤軟基處理深度，見表6。該表格結論可根據(jù)當?shù)貙嶋H情況進行調整后用于現(xiàn)場軟基處理深度的確定。

表5 各等級道路典型路面結構層組合

表6 各等級道路軟土地基處理深度Zc

6 結論

本文通過選取并驗證了汽車荷模型及道路模型后，綜合二者進行仿真模擬探究不同軸載、車速及道路結構層條件下低填方路堤基于車輛動應力的軟基處理深度，主要得到以下結論：

（1）相同條件下，車輛軸載與車輛在道路結構中產生的動應力呈正相關；車速與車輛在道路結構中產生的動應力呈負相關；增加路面結構層厚度可以相應的減少軟基處理的深度?？偟膩碚f即是軸載越輕、車速越快、路面結構層越厚以及路面平整度越高就越有利于減少軟基處理深度，反之則應增加軟基處理深度。

（2）通過對不同等級道路常用路面結構層組合的仿真模擬，得到了各等級道路較為典型的軟基處理深度，即考慮車輛動應力及路面鋪裝情況下，高速公路低填方軟土路基處理深度應在1.10 m以上，一級公路為1.23 m以上，二級公路為1.31 m以上，三級公路為1.45 m以上，視重載交通情況軟土地基處理深度相應增加25-40 cm。工程實際中可根據(jù)當?shù)貙嶋H情況對上述結論數(shù)據(jù)進行調整后用于現(xiàn)場軟基處理深度的確定。

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U416.1

A

1009-7716（2017）04-0177-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.053

2017-01-10

國家自然科學基金（41402276）

尚志剛（1976-），男，黑龍江黑河人，高級工程師，從事道路規(guī)劃設計工作。