重載交通路基結(jié)構(gòu)動應(yīng)力測試與分布規(guī)律分析

李志勇， 陳曉斌， 凌建明， 王 密， 劉文劼， 楊鐵山

(1. 湖南交通科學(xué)院研究有限公司， 湖南 長沙 410000； 2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410082； 3.同濟大學(xué)，上海 200082； 4.沈陽圣狩軟件科技有限公司公司， 遼寧 沈陽 110021)

近30 a來，我國陸路交通的軸重不斷增大、速度日益提升、交通流量迅猛增長，高速重載成為現(xiàn)代交通發(fā)展新趨勢。大件運輸特重汽車載重達680 t、重載鐵路軸重達30 t、長編組列車運量突破20000 t；高速鐵路時速度達350 km/h；繁忙高速公路日均斷面流量超過10萬輛。高速重載交通荷載作用使路基結(jié)構(gòu)工作區(qū)大幅度加深、應(yīng)力水平顯著提高、動應(yīng)力響應(yīng)更加突出，尤其是在高頻次重載與濕度作用下路基結(jié)構(gòu)的非線性永久累積變形和模量衰變加劇。其中高速公路重載現(xiàn)象已經(jīng)十分突出，加劇了公路路面結(jié)構(gòu)的破壞，縮短了公路使用時間，造成較大的損失[1]。因此，重載公路的路基路面結(jié)構(gòu)耦合動應(yīng)力響應(yīng)的測試與研究需要進一步加強。

國外，SAHIS M K[2]等研究結(jié)果表明，只有一種典型的瀝青和顆粒層厚度組合才有可能避免路面的車轍和疲勞。用本方法計算的地層厚度與國際上已有的數(shù)據(jù)進行了比較，結(jié)果吻合較好。采用Odemark’s-boussinesq方法確定了路面撓度作為優(yōu)化路面斷面的性能指標，并與IITPAVE和KENPAVE軟件得到的撓度進行了比較，結(jié)果顯示出合理的良好收斂性。LV S T[3]等基于撓度和底部拉應(yīng)力的疲勞壽命以及實驗室歸一化疲勞方程均顯著增加。將路面材料的疲勞性能與路面結(jié)構(gòu)的疲勞性能相結(jié)合，為半剛性基層瀝青路面的設(shè)計提供有效的優(yōu)化方法。TANG L[4]利用有限元分析軟件建立了加寬路基有限元模型，得到高填方路基加寬的變形大于低填方路基結(jié)構(gòu)加寬的變形。國內(nèi)，盧正[5]等結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范關(guān)于路面彎沉控制的思想，考慮路面路基的相互作用及協(xié)調(diào)變形，給出了路基頂面的動變形控制標準和確定方法，依據(jù)此標準提出了一種路基動變形控制設(shè)計的方法。蔡漢成[6]等提出了一種新的熱棒路基設(shè)計計算方法，其基本原理為確保熱棒年內(nèi)放熱量不小于路基的年凈吸熱量。結(jié)果表明，熱棒路基的沉降量明顯小于普通路基的沉降量，熱棒路基提高了地基多年凍土的穩(wěn)定性，控制住了路基沉降變形。石小平[6]等針對重車引起砼板底脫空、唧泥、錯臺和斷裂等，提出了控制板角撓度設(shè)計方法，該方法對于重載交通的水泥混凝土路面，比控制疲勞應(yīng)力的方法更切合實際。譚偉[7]等針對某公路路基改良膨脹土，模擬其在長期自然環(huán)境中受到的干濕循環(huán)和凍融循環(huán)作用，分析水泥改良效果的衰變特點，從長期性能角度出發(fā)探討合理水泥改良配比。同時從兼顧效果和成本的角度考慮，建議水泥摻量控制在10%左右。王晅[8]等開展了重載作用下公路路基結(jié)構(gòu)動應(yīng)力測試研究，得到動應(yīng)力隨著車載重量的增加呈增加趨勢。鄭水明[9]等考慮不同交通荷載、行車速度等對路基結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，豎向應(yīng)力隨著行車速度增加而減小；路基沿豎向應(yīng)力隨車載增加顯著增加；為道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。龐勁松[10]等運用通用有限元程序ABAQUS構(gòu)建了路基拓寬模型，分析道路地基頂面在拓寬工程影響下的沉降規(guī)律。

目前，關(guān)于車輛動載下的路基路面結(jié)構(gòu)耦合響應(yīng)的研究主要集中在理論分析、數(shù)值模擬方面，而現(xiàn)場試驗研究很少。本文針對目前存在的不足問題，提前在桂武高速公路路基結(jié)構(gòu)埋設(shè)應(yīng)力觀測元件，開展隨機交通荷載、控制速度與軸重條件下的路基結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)現(xiàn)場測試試驗研究，分析重載路基結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力傳遞深度及變化規(guī)律，研究結(jié)果可為研發(fā)重載路基結(jié)構(gòu)長期性能保障技術(shù)提供支撐。

1 路基結(jié)構(gòu)交通流量調(diào)查

重載交通與一般交通荷載的主要差別是路基結(jié)構(gòu)所受的動載強度加大，引起荷載效應(yīng)加大、動態(tài)附加應(yīng)力加大，導(dǎo)致路基結(jié)構(gòu)使用壽命縮短，強度、剛度、穩(wěn)定性等方面的安全儲備下降，各種病害出現(xiàn)的機率加大、危害性加劇。行車荷載是路面損壞現(xiàn)象中一個非常重要的因素。

依據(jù)規(guī)范，當以設(shè)計彎沉和瀝青層層底拉應(yīng)力為指標時，各級軸載均應(yīng)按如下公式換算成標準軸載P的當量軸次N。

(1)

在進行具體計算時，C1和C2按軸組計算，Pi為相應(yīng)單個軸組的平均軸重。結(jié)果表明，在對動態(tài)數(shù)據(jù)進行標準軸載作用次數(shù)換算時，考慮軸數(shù)系數(shù)C1與不考慮軸數(shù)系數(shù)C1的差值并不是很大。為了簡化計算，建議在進行標準軸載作用次數(shù)換算時，不計C1的影響，直接將計算結(jié)果乘以一個放大系數(shù)ξ(ξ取1.025)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及收集到的湖南主要干線交通流特征，現(xiàn)對交通等級進行分類。參考現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范和其他一些省份瀝青路面典型結(jié)構(gòu)研究的做法，按照以彎沉和瀝青層拉應(yīng)力為設(shè)計指標、以半剛性層拉應(yīng)力為設(shè)計指標兩種方法進行交通量分級，見表1。

表1 公路交通等級分類建議Table 1 Highway traffic classification suggestions次/車道方法Ne重交通特重交通(一)特重交通(二)特重交通(三)按彎沉和瀝青層拉應(yīng)力計算方法1.0×107～2.5×1072.5×107～5.0×1075.0×107～1.0×108>1.0×108半剛性層拉應(yīng)力計算方法1.0×107～5.0×1075.0×107～2.0×1082.0×108～1.0×109>1.0×109

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析，將交通等級分為特重交通一級、特重交通二級和特重交通三級。

2 動應(yīng)力現(xiàn)場測試方案

為了研究重載交通荷載作用下路基結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力變化特征，開展控制速度與軸重條件下的路基結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)現(xiàn)場試驗研究，分析重載路基結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力傳遞深度及變化規(guī)律。

2.1 測試元件埋設(shè)與布置

在路基結(jié)構(gòu)填筑施工中，控制好各層標高，埋設(shè)了動態(tài)土壓力傳感器，深度方向間距為0.5 m，見圖1。

圖1 路基結(jié)構(gòu)動土壓力盒埋設(shè)圖Figure 1 Laying of roadbed structure earth pressure cell

2.2 動力響應(yīng)測試加載方案

選擇三軸車為代表性車型，后軸為雙輪，外輪距2.10 m，內(nèi)輪距1.60 m，前軸輪距1.90 m，后兩軸軸距1.35 m，前軸與最近后軸軸距6.15 m，空車總重120 kN，滿載時貨物總重300 kN。實驗加載采用分級加載，各軸載重量分配情況見表2。

表2 試驗加載車軸重Table 2 Test load axle weight實驗加載車輛總重量/kN裝載重量/kN前軸載/kN后軸載(雙軸)/kN空載120.054.066.0重載I級300.0180.090.0105+105重載II級420.0300.0105.0107.5+107.5

等效換算后的，加載控制以實際胎壓為標準，試驗時車輛載重分為空載(胎壓為315 kPa)、重載I滿載(胎壓為735 kPa)、重載II(胎壓為1001 kPa)共3種荷載當量。試驗控制的速度分為3級，分別為60、80和100 km/h，加載方案見表3。

表3 實驗加載方案Table 3 Experimental loading scheme車速/(km·h-1)控制胎壓/kPa車重/kN6031512060735300601 00142080315120807353008010014201003151201007353001001 001420

3 動應(yīng)力測試結(jié)果分析

3.1 路基結(jié)構(gòu)動應(yīng)力分析

依據(jù)埋設(shè)在路基體內(nèi)動土壓力盒，測得了每次加載下路基結(jié)構(gòu)動態(tài)附加應(yīng)力，如圖2所示。

圖2 不同車速下路基結(jié)構(gòu)動應(yīng)力變化規(guī)律

圖2顯示車輛軸重及總重對路基結(jié)構(gòu)動態(tài)附加應(yīng)力影響顯著。比如，空載作用下(控制胎壓315 kPa)，路基頂面動態(tài)附加應(yīng)力峰值范圍在20～28 kPa之間；重載I級作用下(控制胎壓735 kPa)，路基結(jié)構(gòu)頂面動態(tài)附加應(yīng)力峰值則達到了35～42kPa之間；重載Ⅱ級作用下(控制胎壓1 001 kPa)，路基結(jié)構(gòu)頂面動態(tài)附加應(yīng)力峰值則達到了38～50 kPa之間，個別測點出現(xiàn)了大于50 kPa的應(yīng)力峰值。隨著軸重增加，路基結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力增加，尤其是軸重的增加更為明顯。

行車速度對路基結(jié)構(gòu)動應(yīng)力的影響，實驗數(shù)據(jù)顯示雖然隨著速度的增加，路基結(jié)構(gòu)表層的動態(tài)應(yīng)力有所增加，但是速度對動應(yīng)力增加的影響不明顯。在重載II級加載下(控制胎壓1 001 kPa)，車速從60 km/h提高到100 km/h時，路基結(jié)構(gòu)頂面動應(yīng)力幅值從42～46 kPa增加到43～48 kPa。結(jié)果表明對于重載交通荷載，速度的影響遠小于軸重及總車車輛對路基結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加的影響。

測試結(jié)果表明，路基結(jié)構(gòu)頂面動應(yīng)力幅值的集中域(車輪對應(yīng)相面)一般在20～50 kPa。行車道對應(yīng)位置以下的動態(tài)土壓力普遍高于超車道。

3.2 路基動應(yīng)力分布規(guī)律

為了描述動態(tài)土壓力沿著路基結(jié)構(gòu)深度變化的規(guī)律，定義了動態(tài)土壓力影響系數(shù)，見式(2)。

(2)

圖3 路基結(jié)構(gòu)動應(yīng)力比曲線Figure 3 Dynamic stress ratio curve of subgrade structure

由圖3顯示，動態(tài)土壓力變化明顯，與深度-0.5、-1.0、-1.5、-2.0、-2.5和-3.0 m對應(yīng)的土壓力影響系數(shù)為0.68、 0.45、 0.30、 0.17、 0.13和0.10。由此，提出非線性數(shù)學(xué)公式模擬土壓力影響系數(shù)，見式(3)。

(3)

式中: e為自然對數(shù);z為路基結(jié)構(gòu)深度值。

3.3 路基結(jié)構(gòu)應(yīng)力分區(qū)

盧正[11]等研究了汽車軸載、路面厚度及路基模量對路基工作區(qū)深度的影響，最后建立路基工作區(qū)深度的定量表達式，研究結(jié)果可為公路路基設(shè)計提供參考。

由此，把重載交通荷載作用下的路基結(jié)構(gòu)劃分為動荷載敏感區(qū)(動態(tài)附加應(yīng)力峰值大于自重應(yīng)力20%)和動荷載影響區(qū)(動態(tài)附加應(yīng)力峰值大于自重應(yīng)力10%)。測試得到的1 001 kPa重載交通下路基結(jié)構(gòu)動應(yīng)力與自重應(yīng)力比隨著深度變化情況見圖4。

圖4 動態(tài)附加應(yīng)力峰值/自重應(yīng)力隨深度變化Figure 4 Dynamic additional stress peak/deadweight stress varies with depth

圖4所示結(jié)果顯示，路基結(jié)構(gòu)頂面以下1.5～2.0 m深度范圍為動應(yīng)力敏感區(qū)，其動態(tài)附加應(yīng)力峰值/自重應(yīng)力接近0.2。路基結(jié)構(gòu)頂面以下2.0～3.0 m深度范圍內(nèi)其動態(tài)附加應(yīng)力峰值/自重應(yīng)力接近0.1。

4 結(jié)論

a.通過交通荷載特征調(diào)查，按彎沉和瀝青層拉應(yīng)力計算方法，當BZZ-100累計標準軸載Ne(次/車道)達到2.5×107～5.0×107為特重交通一級；當BZZ-100累計標準軸載Ne(次/車道)達到5.0×107～1.0×108為特重交通二級；當BZZ-100累計標準軸載Ne(次/車道)大于1.0×108為特重交通三級。

b.重載交通路基結(jié)構(gòu)按動應(yīng)力變化規(guī)律，可劃分為動荷載敏感區(qū)和動荷載影響區(qū)。其中路基結(jié)構(gòu)頂面以下1.5～2.0 m深度范圍為動應(yīng)力敏感區(qū)，其動態(tài)附加應(yīng)力峰值/自重應(yīng)力接近0.2。路基結(jié)構(gòu)頂面以下2.0～3.0 m深度范圍內(nèi)為動荷載影響區(qū)，其動態(tài)附加應(yīng)力峰值/自重應(yīng)力接近0.1。