基层铺筑时施工车辆对石灰土底基层的力学影响分析

马士宾，刘俊琴，王丽洁，陈 晗

（1.河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2.河北工业大学 建筑与艺术设计学院，天津 300401）

石灰土是目前我国沥青路面最常用的底基层材料.然而，近年来，沥青路面的早期破坏现象也日益严峻地暴露出来.造成路面早期破坏的原因很多，在施工过程中，由于各种影响因素变异性很大，对路面结构的影响尤为重要.工程实践表明，石灰土底基层在较短的时间里很难达到设计强度.由于路面结构需要分层施工，在石灰土铺筑后，在不同的时间进行基层施工，对已铺筑的石灰土底基层影响如何，一直是施工技术人员关心的问题.实际施工过程中，由于受工期影响，基层开始施工时，石灰土的强度往往还没有达到设计强度，造成底基层的承载能力有限，若施工机械轴载过大，轴载一次作用就可能造成石灰土的破坏.当发生这种现象时，不仅底基层受到影响，而且还会影响到整个路面结构的后期强度的增长，最终导致沥青路面通车后发生大面积的早期破坏现象.

为探求基层施工期间，石灰土底基层在汽车轮在作用下内部的力学行为、路面的损坏机理和类型，本文首先通过室内试验研究，获得了石灰土不同龄期的各种路用性能.然后利用Bisar3.0程序计算出龄期、施工车辆轴载、水平荷载等各种因素作用下，弯沉、层间剪应力和层底拉应力等力学指标变化规律，这对改善半刚性基层沥青路面早期破坏现象具有一定的借鉴作用.

1 路面结构力学计算方法

1.1 路面结构参数的确定

以河北省廊坊地区大广高速霸州互通连接线的路面结构为例，路面底基层采用石灰土.通过对石灰土材料力学性能的试验研究，在标准养生温度（20℃）下，不同龄期的抗压回弹模量如表1所示.

1.2 荷载的确定

以双轮组单轴载100 kN为标准轴载，在标准荷载作用下，双圆均布垂直荷载当量圆的半径为10.65 cm，圆心距始终保持为31.95 cm.考虑到随着轴重的增加，轮压和接地面积也随之增加，本文借助于比利时的轴重与接地面积的经验公式，依据当前我国道路的实际情况用式 (1)来计算不同轴载下当量圆的面积.

根据对施工车辆的轴载专项调查，发现工程施工车辆主要包括运料车、工程洒水车等.车辆的实际载重量远远超过了其设计额定载重量，部分单轴轴重往往会达到20～30 t.本文在计算时主要分析11种荷载的作用情况，其轴载计算参数见表2所示.

此外，车辆在路面上行驶时，路面不仅受到垂直荷载的作用，同时也会受到平行于路面的水平荷载的作用，路面结构在行车的作用下可能受到的水平荷载有：1）车轮滚动产生的滚动摩阻力；2）车辆加、减速产生的阻力；3）刹车过程中可能产生的滑动阻力；4）车辆上下坡时的坡度阻力；5）弯道行使时的离心力.本文中水平力取值分别为0、0.2倍的垂直力.

表1 不同龄期的石灰土路用性能参数Tab.1 Rarametersof limepavementperformance in differentage

表2 轴重与轮胎接地面积、单轮当量圆半径的关系Tab.2 Relationship of Axle load and tire contactarea,equivalentcircle radius of single wheel

1.3 计算点的选取

确定弯沉的计算点为路表双圆均布垂直荷载的轮隙中心处，沥青混凝土路面结构层层底拉应力、层间最大剪应力的计算点与结构层模量、层间接触状态有关，经反复试算来确定.

2 基层铺筑时车辆对底基层与剪应力的影响

基层铺筑时龄期、轴载、水平力不同时底基层与土基间最大剪应力见表3.

表3 基层铺筑龄期、轴载不同、水平力（SPF）不同时底基层与土基间最大剪应力Tab.3 Maximum shear stress between subbase and earth subgrade in differentage,axle load

由表3和图1、图2分析可知：1）基层铺筑时，在轴载一定的情况下，随着龄期的增长，底基层与土基间的最大剪应力不断增大，但增长幅度越来越小.因为随着龄期的增长，石灰土底基层抗压回弹模量也不断增长，所以底基层与土基间最大剪应力随着底基层模量的增加而增大.可见，减小底基层回弹模量，可减小底基层与土基间剪应力.2）在龄期一定时，随着轴载的增大，底基层与土基间最大剪应力不断增大，并随着轴载的增加其增大的幅度逐渐减小.由以上数据可知，轴载为200 kN时，底基层与土基间最大剪应力是标准轴载时的1.6倍左右；轴载为300 kN时，底基层与土基间最大剪应力是标准轴载时的2.06倍左右.由此可见，超、重载对层间剪应力的影响很大，所以为了避免路面结构层间发生剪切破坏，应严格防止超、重载现象的发生.3）水平荷载为0.2倍垂直荷载时，底基层与土基间的最大剪应力随龄期、轴载的增长而变化的规律与水平荷载为0时是一致的.水平荷载增加，底基层与土基间的最大剪应力也随之增长.可见，在垂直荷载和水平荷载的综合作用下，底基层和土基间更易发生剪切滑移破坏.

3 基层铺筑时车辆对底基层与层底拉应力的影响

通过对石灰土底基层在标准养生温度下不同龄期的劈裂强度试验研究结果可知，石灰土7 d、14 d、21 d的劈裂强度分别为0.07MPa、0.08MPa、0.1MPa左右.但经过运算可知，在施工车辆轴载为100 kN时，石灰土底基层层底产生的最大拉应力在龄期7 d，14 d，21 d下分别为0.371 8 MPa、0.467 8 MPa、0.518 6 MPa，均远远超过了石灰土底基层相应龄期的劈裂强度.所以本文只考虑非超载车辆对石灰土底基层产生的最大拉应力情况，见表4.

表4 基层铺筑龄期、轴载不同，水平力不同时底基层层底最大拉应力Tab.4 Maximum tensile stressunder subbase in differentage,axle load,horizontal force

由表4和图3、图4可看出，当龄期一定时，随着轴载的增加，层底最大拉应力也随之增长.当施工车辆轴载为20 kN时，各龄期的石灰土底基层产生的最大拉应力已达到了石灰土相应龄期的劈裂强度.因此，为防止石灰土底基层因过大的拉应力而导致破坏，施工车辆单轴载要限制在20 kN以内.从上表还可以看出水平荷载为0.2倍垂直荷载时的底基层底最大拉应力和水平荷载为0时的是一样的.可见，底基层底拉应力不受水平荷载变化的影响.

4 基层铺筑时车辆对底基层顶弯沉影响

基层铺筑时龄期、轴载、水平力不同时底基层顶的最大弯沉见表5.

表5 基层铺筑龄期、轴载、水平力不同时底基层顶的最大弯沉Tab.5 Maximum deflection above subbase in differentage,axle load,horizontal force

由表5和图5、图6分析可知：1）在铺筑基层时，当轴载一定时候，随着龄期的增长，底基层顶的最大弯沉值不断减小，但减小幅度却越来越小.因为随着龄期的增长，抗压回弹模量也不断增长，所以底基层顶最大弯沉值随着底基层模量的增加而减小.可见，增大底基层回弹模量，可以有助于降低底基层的回弹变形.2）在龄期一定时，随着轴载的增大，底基层顶最大弯沉值不断增大.3）轴载为200 kN时，底基层顶最大弯沉值是标准轴载时的1.98倍左右.可见，相对于层间剪应力、层底拉应力，路表弯沉对车辆轴载的变化更为敏感.考虑到路表弯沉与路面结构的开裂、沉陷、车辙都有很大关，因此要严格控制超、重载.4）水平荷载为0.2倍的垂直荷载时的底基层顶最大弯沉值和水平荷载为0时的是完全一样的.可见，底基层顶弯沉值不受水平荷载变化的影响.

5 基层施工时应变状态测试和分析

根据理论分析和计算得出在车辆轮胎作用的位置也即是距路缘石内边缘1.5～2.1m处产生的层底拉应力最大，故而将应力应变片埋设在此处.各应变片之间的间距为60 cm，压力盒和温度传感器均距路缘石内边缘2.7m，其埋设示意图如图7所示.

2010年7月24日对试验路铺筑的应变片以及压力盒进行了加载测试，测试时底基层已铺筑14 d.测试车后轴采用20 kN，加载时，后轴一侧车轮在应变片1的正上方.具体测试结果见表6.

图7 应变片布置示意图Fig.7 Strain gauge layoutschematic

表6 底基层层底实际拉应变Tab.6 Practical tensile Strain under subbase

6 结论

本文通过运用力学分析软件计算了基层铺筑时，龄期、施工车辆轴载、水平荷载对石灰土底基层的影响，重点研究了拉应力、剪应力和弯沉等指标的变化规律.通过计算分析，得到如下的结论：

1）在龄期一定时，随着轴载的增大，底基层与土基间最大剪应力不断增大，并随着轴载的增加其增大的幅度逐渐减小.轴载为200 kN时，底基层与土基间最大剪应力是标准轴载时的1.6倍左右；轴载为300 kN时，底基层与土基间最大剪应力是标准轴载时的2.06倍左右.由此可见，超、重载对层间剪应力的影响很大，所以为了避免路面结构层间发生剪切破坏，应严格防止超、重载车辆在石灰土底基层上行驶.

2）当施工车辆轴载为20 kN时，各龄期的石灰土底基层产生的最大拉应力已达到了石灰土相应龄期的劈裂强度.因此，为防止石灰土底基层因过大的拉应力而导致破坏，在铺筑二灰稳定碎石基层时，施工车辆单轴载要限制在20 kN以内.同时计算表明，水平荷载为0.2倍垂直荷载时的底基层底最大拉应力和水平荷载为0时的是一样的，底基层底拉应力不受水平荷载变化的影响.

3）在龄期一定时，随着轴载的增大，石灰土层顶弯沉值不断增大.轴载为200 kN时，石灰土层顶弯沉值是标准轴载时的1.98倍左右.弯沉相对于层间剪应力、层底拉应力，路表弯沉对车辆轴载的变化更为敏感.

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