論車速及軸向荷載作用下的路基變形

羅麗香

（湖南高速華達(dá)工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙）

引言

隨著我國(guó)高速公路施工技術(shù)的不斷完善，對(duì)路基耐久性的要求也越來越高。在行車荷載的作用下，如何保證路基能夠適應(yīng)正常的通行需求至關(guān)重要。結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的運(yùn)用，通過分析某高速路的具體狀況，對(duì)高速公路的各種影響因素進(jìn)行了研究。通過對(duì)不同速度、軸向荷載作用下路基質(zhì)量缺陷形成的縱、橫向變形開展綜合分析，總結(jié)出病害發(fā)生的原因、發(fā)展趨勢(shì)，期望為這類工程的建設(shè)提供借鑒。

1 工程概況

某高公路雙向共有四車道，每條車道的寬度為3.5 m。路面厚度為0.8 m，共分為3 層，最上面是面層，中間是基層，最下面的是底基層，再往下是路堤，厚度約為1.5 m，坡度是1:1.5，路堤表面缺陷層的厚度為0.7 m。通過使用數(shù)值法，具體分析了缺陷層對(duì)路堤的影響。路堤模型見圖1。

圖1 路堤模型示意

2 數(shù)值建模

準(zhǔn)確獲得路基土的關(guān)鍵參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值模擬方法有效分析路基變形響應(yīng)。獲得這些數(shù)據(jù)，主要是開展室內(nèi)試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試傳感器，能捕捉到路基動(dòng)態(tài)變形響應(yīng)，將其當(dāng)作數(shù)值模擬基準(zhǔn)[1]。

2.1 網(wǎng)格劃分

汽車通過荷載屬于常見的動(dòng)荷載，文中選取了ABAQUS 的EXPLICIT 功能，對(duì)其進(jìn)行了分析。圖2 為路基模擬圖，模擬環(huán)節(jié)采用了摩爾- 庫倫理論，通過網(wǎng)格化手段來加密處理缺陷部位，y 軸上的缺陷部位長(zhǎng)度為14.5 m。網(wǎng)格共計(jì)25 568 個(gè)，網(wǎng)格單元為六面體。

圖2 數(shù)值模擬

使用ABAQUS 軟件中的AMPLITUDE 模塊來調(diào)整交通荷載，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，合理設(shè)置移動(dòng)帶，移動(dòng)荷載主要是通過DLOAD 程序?qū)崿F(xiàn)。根據(jù)各種參考文獻(xiàn)，選擇100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 四種荷載開展研究[2]。

2.2 模擬工況

路基在不同車速及行車荷載的作用下，會(huì)發(fā)生沉降變形。為準(zhǔn)確分析各種具體情況，文中選取了40 km/h、60 km/h、80 km/h 三種行車速度進(jìn)行研究，設(shè)定四種車軸向荷載，分別為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN，通過施加5 000 次荷載，共有12 種情形，模擬工況見表1。

表1 模擬工況

3 車輛速度和軸向荷載對(duì)路基變形分析

3.1 車輛沿行駛方向的路基沉降分析

圖3 顯示了行車速度為40 km/h、60 km/h、80 km/h，車輛軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時(shí)，行車方向的路基沉降分布狀況。

分析圖3a 可知，當(dāng)車輛維持在40 km/h 速度前行，軸向荷載上升時(shí)，則路基形變量會(huì)變大。受各種軸向荷載影響，在平行方向上4 m 處的形變最為明顯。在軸向荷載依次增大到100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時(shí)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的沉降值分別是13.2 mm、17.1 mm、21.9 mm、25.1 mm。正常部位路基的形變量最大為12.6 mm，相較于同等條件下缺陷部位的路基形變量，下降了49.8%。

分析圖3b 可知，當(dāng)車輛維持在60 km/h 速度前行時(shí)，軸向荷載上升，則路基形變量會(huì)變大。受各種軸向荷載影響，在平行方向上4 m 處的形變最為明顯。在軸向荷載依次增大到100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時(shí)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的沉降值分別是12.8 mm、15.7 mm、19.6 mm、24.2 mm。正常部位路基的形變量最大是11.7 mm，相較于同等條件下缺陷部位的路基形變量，下降了51.7%。

分析圖3c 可知，當(dāng)車輛維持在80 km/h 速度前行時(shí)，軸向荷載上升，則路基形變量會(huì)變大。受各種軸向荷載影響，在平行方向上4 m 處的形變最為明顯。在軸向荷載依次增大到100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時(shí)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的沉降值分別是10.1 mm、12.6 mm、15.8 mm、18.8 mm。正常部位路基的形變量最大是8.5 mm，相較于同等條件下缺陷部位的路基形變量，下降了55%。

圖3 沿行駛方向路基沉降

需特別注意的是，汽車勻速行駛時(shí)，在不同軸向荷載下，路基形變量曲線一致，汽車調(diào)速后，形變量會(huì)出現(xiàn)改變。車速增至40 公里/小時(shí)，其曲線為“w”形；在速度為60 公里/小時(shí)和80 公里/小時(shí)，曲線呈現(xiàn)“V”形，在同一條件下，地基沉降隨車速的增大而減小[3]。

3.2 道路橫斷面路基沉降分析

圖4 顯示行車速度為40 km/h、60 km/h、80 km/h時(shí)，車輛軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時(shí)，公路橫斷面方向的路基沉降分布狀況。

分析圖4a 可知，距道路中心線6.5 m 的地方，路基沉降曲線的兩端是對(duì)稱的，沉降值在車輪處最大，其周邊300～600 mm 之內(nèi)會(huì)出現(xiàn)凸起。汽車保持40 km/h 的速度行駛時(shí)，當(dāng)軸向荷載變大時(shí)，路基形變量會(huì)不斷變大。軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時(shí)，對(duì)應(yīng)的沉降值分別為13.8 mm、14.3 mm、22.1 mm、25.5 mm。對(duì)正常部位的路基而言，其形變量最大值為12.5 mm，相比較于缺陷部位路基的形變量，下降了51%。

圖4b 表示汽車保持60 km/h 的速度前進(jìn)時(shí)，分析公路橫斷面路基形變量變化趨勢(shì)圖，其狀態(tài)與車速為40 km/h 的曲線一致。汽車保持40 km/h 的速度行駛，當(dāng)軸向荷載變大時(shí)，路基沉降值會(huì)不斷變大。軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時(shí)，對(duì)應(yīng)的沉降值分別為12.6 mm、16.2 mm、20.7 mm、23.9 mm，正常部位路基的形變量最大為12.5 mm，相比較于缺陷部位路基的形變量，下降了51.9%。

圖4c 表示汽車保持80 km/h 的速度前進(jìn)時(shí)，公路橫斷面路基沉降變化趨勢(shì)圖，它與車速為40 km/h、60 km/h 的曲線一致。汽車保持80 km/h 的速度行駛，當(dāng)軸向荷載變大時(shí)，路基沉降值會(huì)不斷變大。軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時(shí)，對(duì)應(yīng)的沉降值分別為10.8 mm、13.0 mm、16.9 mm、19.1 mm。正常部位路基的形變量最大為8.8 mm，相比較于缺陷部位路基的形變量，下降了53.9%。

圖4 沿道路橫斷面路基沉降

綜合對(duì)比分析圖4a、圖4b、圖4c 可知，公路橫斷面路基形變量不會(huì)因車速的改變而改變。當(dāng)軸向荷載增至185 kN 時(shí)，正常路基較于同等條件的缺陷路基，其沉降值會(huì)下降約50%。在其他條件一致的情況下，當(dāng)汽車加速時(shí)，路基沉降量會(huì)慢慢變小。

4 結(jié)論

文中以某高速公路工程項(xiàng)目為案例，針對(duì)于質(zhì)量存在缺陷的路基，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，綜合分析了受不同車速及軸向荷載影響的縱、橫向變形狀況，所得結(jié)論如下：

（1）在行車方向上，當(dāng)行車荷載變大時(shí)，路基沉降值會(huì)隨之變大。與此同時(shí)，當(dāng)車速增加時(shí)，其形變量會(huì)慢慢變小。

（2）當(dāng)汽車車速保持不變時(shí)，受不同的軸向荷載的影響，路基在行車方向上的沉降變化曲線一致。如果車速變化，曲線會(huì)隨時(shí)發(fā)生改變。車速為40 km/h時(shí)，該曲線表現(xiàn)為“w”形；車速增至60 km/h、80 km/h時(shí)，曲線會(huì)變?yōu)椤癡”形。

（3）當(dāng)車輛軸向荷載變大時(shí)，公路橫斷面方向的路基形變量會(huì)隨之變大，而車速增加時(shí)，形變量會(huì)隨之變小。