不同區(qū)域公路路基的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

李明軍 王柳殊 黃進(jìn)進(jìn) 李響

摘 要：基于道路工程環(huán)境中不同區(qū)域路基的工程施工和運(yùn)行特點(diǎn)，以采用層次分析法對(duì)雙層路基的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明不同區(qū)域公路路基隨著荷載作用次數(shù)的增加，荷載頻率為1Hz、2Hz和3Hz時(shí)的累積應(yīng)變都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，且在相同荷載作用次數(shù)下，荷載頻率越高則累積應(yīng)變?cè)叫?在相同荷載作用次數(shù)下，硬土在相同荷載頻率下對(duì)應(yīng)的累積應(yīng)變要明顯小于軟土。

關(guān)鍵詞：公路;雙層路基;影響因素;結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）10-0182-03

Analysis of Structural Stability of Highway Subgrade in Different Regions

Li Mingjun， Wang Liushu， Huang Jinjin， Li Xiang

（Sichuan Communication Surveying and Design Institute Co.， Ltd.， Chengdu 610000， China）

Abstract：Based on the engineering construction and operation characteristics of roadbeds in different areas in the road engineering environment， the structural stability of double-layer roadbeds was analyzed by the analytic hierarchy process. The results show that with the increase in the number of load actions on highway subgrades in different regions， the cumulative strains at the load frequencies of 1Hz， 2Hz and 3Hz all show a gradually increasing trend， and under the same number of load actions， the higher the load frequency， the smaller the cumulative strain; under the same number of loads， the cumulative strain of hard soil under the same load frequency is significantly smaller than that of soft soil.

Key words：highway; double-layer subgrade; influencing factors; structural stability

我國(guó)高速公路在近年來(lái)得到了迅猛發(fā)展，這不僅得益于近年來(lái)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，也與現(xiàn)代化生活的交通便利需求相關(guān)。我國(guó)國(guó)土面積較大，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，不同區(qū)域的路基建設(shè)都面臨不同的挑戰(zhàn)，對(duì)于高速公路的雙層路基結(jié)構(gòu)，在路基承受循環(huán)周期性載荷作用下時(shí)，通常會(huì)由于路基變形而影響穩(wěn)定性，這也是路基施工需要面臨的難題[1]。雙層路基在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性受到眾多因素的影響，比如車載荷載、土層分布、土的物性參數(shù)等[2]，如何區(qū)分不同影響因素對(duì)雙層路基穩(wěn)定性的影響權(quán)重大小，從而針對(duì)性的做出預(yù)防和補(bǔ)救措施，是保障公路路基穩(wěn)定性和安全運(yùn)行的重要組成部分[3]。然而，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的影響參數(shù)對(duì)雙層路基穩(wěn)定性的研究報(bào)道較少，這不僅與雙層路基穩(wěn)定性的影響因素較多、較復(fù)雜有關(guān)，還與不同影響因素之間還會(huì)產(chǎn)生耦合作用等有關(guān)[4]。為了搞清楚雙層路基的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響因素及其權(quán)重大小，本文采用層次分析法，以車輛荷載參數(shù)、土層分布特征及力學(xué)參數(shù)、土體物理參數(shù)和循環(huán)作用參數(shù)[5]為研究目標(biāo)，分析其對(duì)雙層路基的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，結(jié)果將有助于公路路基穩(wěn)定性提升。

1 建模與求解

基于道路工程環(huán)境中雙層路基的工程施工和運(yùn)行特點(diǎn)，建立了雙層路基動(dòng)力穩(wěn)定性的層次結(jié)構(gòu)模型[6]。該模型第2層次的影響因素主要包括：車輛荷載參數(shù)B1、土層分布特征及力學(xué)參數(shù)B2、土體物理參數(shù)B3和循環(huán)作用參數(shù)B4，每個(gè)第2層次的變量都可劃分為不同的影響參量，即第3層次參量。如車輛荷載參數(shù)還可進(jìn)一步劃分為車輛軸重C1和車速C2的影響，土層分布特征及力學(xué)參數(shù)可劃分為硬殼層厚度C3和硬殼層厚度硬度C4，土體物理參數(shù)劃分為軟土含水率C5和硬土含水率C6，循環(huán)作用參數(shù)劃分為荷載作用次數(shù)C7和荷載作用頻率C8。其中，厚度和硬度作為評(píng)價(jià)硬殼層的主要考核指標(biāo)，硬殼層的厚度和硬度越大，則路基的穩(wěn)定性越高;硬殼層土體的動(dòng)彈性模量、土體壓實(shí)度和壓實(shí)系數(shù)等都會(huì)影響硬殼層的硬度，而硬度可以綜合反映土體的力學(xué)性能。

在層次結(jié)構(gòu)模型中，A為目標(biāo)層、B為準(zhǔn)則層、C為因素層，其中目標(biāo)層和準(zhǔn)則層對(duì)應(yīng)的三標(biāo)度矩陣如下[7]：

因素層則采用正交試驗(yàn)表來(lái)進(jìn)行分析[8]，具體影響參數(shù)包括C1、C2、C3和C4，以動(dòng)應(yīng)力峰值作為考核指標(biāo)。正交試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室采用1∶100的小比例模型進(jìn)行，原始雙層路基寬度為80m、1∶2放坡，實(shí)驗(yàn)室所用到的模型箱的有效尺寸為200cm×150cm×80cm。

2 結(jié)果及討論

表1為因素層的正交試驗(yàn)結(jié)果，其中Rj為極差，表征對(duì)應(yīng)影響參數(shù)下動(dòng)應(yīng)力峰值最大值與最小值的差值，Rj值越大則表明其對(duì)動(dòng)應(yīng)力峰值的影響越大，該因素在運(yùn)行過(guò)程中的敏感性更高[9]。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法即可得到因素層中不同影響因素的作用權(quán)重。對(duì)比分析可見，車輛軸重、車速、硬殼層厚度和硬殼層硬度的Rj值分別為0.064、0.005、0.130和0.028。由此可知，Rj值從大至小順序?yàn)椋河矚雍穸?、車輛軸重、硬殼層硬度、車速，即硬殼層厚度對(duì)動(dòng)應(yīng)力峰值的影響最大，而車速對(duì)動(dòng)應(yīng)力峰值的影響最小。

準(zhǔn)則層B3的影響因素中包括軟土含水率C5和硬土含水率C6，其影響權(quán)重?zé)o法通過(guò)正交試驗(yàn)表來(lái)表征，這里采用IT300型掃描電鏡來(lái)觀察硬土和軟土的顯微形貌。通過(guò)硬土和軟土的掃描電鏡顯微形貌可以觀察到兩種不同土體的孔隙率差異，以此來(lái)表征土體在不同車輛荷載作用下路基的穩(wěn)定性[10]。

進(jìn)一步采用MATLAB軟件對(duì)掃描電鏡顯微形貌進(jìn)行孔隙率統(tǒng)計(jì)分析，硬土和軟土的含水率和孔隙率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。對(duì)比分析可知，在相同含水率下，硬土的孔隙率明顯低于軟土，當(dāng)含水率從18%增加至22%時(shí)，硬土和軟土的孔隙率極差分別為1.02%和1.662%，即相同含水率變化下軟土的孔隙率變化幅度更大。通過(guò)掃描電鏡形貌觀察和孔隙率統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知[11]，硬土含水率對(duì)雙層路基動(dòng)力穩(wěn)定性的影響要明顯小于軟土。

通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)對(duì)硬土和軟土在不同頻率作用下的土體累積變形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以表征循環(huán)作用參數(shù)下因素層荷載作用次數(shù)C7和荷載作用頻率C8對(duì)雙層路基動(dòng)力穩(wěn)定性的影響[12]，荷載頻率和荷載作用次數(shù)對(duì)硬土和軟土累積變形的影響如圖2所示。對(duì)于硬土而言（圖2a），隨著荷載作用次數(shù)的增加，荷載頻率為1、2和3Hz時(shí)的累積應(yīng)變都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，且在相同荷載作用次數(shù)下，荷載頻率越高則累積應(yīng)變?cè)叫?，如相同荷載作用次數(shù)下荷載頻率為1Hz的累積應(yīng)變要高于荷載頻率為3Hz的試件;對(duì)于軟土而言（圖2b），隨著荷載作用次數(shù)的增加，荷載頻率為1、2和3Hz時(shí)的累積應(yīng)變也都呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，且在相同荷載作用次數(shù)下，荷載頻率越高則累積應(yīng)變?cè)叫?，軟土的荷載作用次數(shù)、荷載頻率與累積應(yīng)變關(guān)系曲線與硬土相似。對(duì)比圖2a和圖2b可知，在相同荷載作用次數(shù)下，硬土在相同荷載頻率下對(duì)應(yīng)的累積應(yīng)變要明顯小于軟土，前者在荷載作用次數(shù)5000次以下時(shí)的累積應(yīng)變基本保持在0.18%以下，而后者在相同荷載作用次數(shù)下的累積應(yīng)變接近1.5%?？偟膩?lái)說(shuō)，無(wú)論是硬土還是軟土，相同荷載作用次數(shù)對(duì)雙層路基動(dòng)力穩(wěn)定性的影響要高于荷載頻率。

3 結(jié)論

（1）車輛軸重、車速、硬殼層厚度和硬殼層硬度的Rj值分別為0.064、0.005、0.130和0.028，由此可知，Rj值從大至小順序?yàn)椋河矚雍穸?、車輛軸重、硬殼層硬度、車速，即硬殼層厚度對(duì)動(dòng)應(yīng)力峰值的影響最大，而車速對(duì)動(dòng)應(yīng)力峰值的影響最小。

（2）在相同含水率下，硬土的孔隙率明顯低于軟土，當(dāng)含水率從18%增加至22%時(shí)，硬土和軟土的孔隙率極差分別為1.02%和1.662%。硬土含水率對(duì)雙層路基動(dòng)力穩(wěn)定性的影響要明顯小于軟土。

（3）無(wú)論是硬土還是軟土，隨著荷載作用次數(shù)的增加，荷載頻率為1、2和3Hz時(shí)的累積應(yīng)變都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，且在相同荷載作用次數(shù)下，荷載頻率越高則累積應(yīng)變?cè)叫?軟土的荷載作用次數(shù)、荷載頻率與累積應(yīng)變關(guān)系曲線與硬土相似，且在相同荷載作用次數(shù)下，硬土在相同荷載頻率下對(duì)應(yīng)的累積應(yīng)變要明顯小于軟土。

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