高速公路路基沉降及路面动力特性探讨

苏清波

摘 要：伴随我国现代经济建设的不断发展，高速公路的建设也得到了快速发展。高速公路在近些年的通车情况中发现了龟裂、车辙、断裂和沉陷等现象，严重影响了高速公路的使用寿命和交通安全。本文通过对高速公路路基沉降变形预测技术的分析，对路基路面结构动力特性在交通荷载作用下的问题进行探讨。

关键词：高速公路 路基沉降 路面动力 特性探讨

在高速公路建设快速发展的当下，全国高速公路网络已形成了纵穿南北、横贯东西、高效便捷的网络系统。我国高速公路有刚性水泥混凝土的组成，也有其柔性沥青混凝土的组成，其中有三十年限设计的是刚性水泥混凝土，而柔性沥青混凝土路面有不少于十五年的设计年限。但根据近年出现的一些高速公路路面结构损坏的情况来看，导致这些现象发生的主要是原因有路基长期的不均匀沉降，以及交通长期荷载的作用力。

1.路基工程建设的概述

在建设高速公路路基的工程中，分为路堑路基、半填挖路基和高填方路基。伴随我国高速公路的逐渐发展，其建设工程在众多山区中也进行了投入，但竣工后的路基工程因地形变化大、地质结构复杂、地势起伏程度高等原因，于是就会时常出现路基沉降的现象。路面结构会在路基大面积沉降中出现不良现象，如沉陷、裂缝或者断裂等，严重影响到高速公路的使用寿命，给交通安全带来隐患。因此建设高速公路工程中的路基工程是非常关键的步骤，要不断地去加强基沉降的建设与巩固地基沉降的建设。

我国高速公路多以山区地带为主，且沟壑的存在也较为频繁，高速公路路段上有着极为复杂的全线地质构造，还有较多的陡坡。水流经常冲刷路堑边坡的岩土，其稳定性会被外界地表水的冲刷所影响，同时还受到地下水的影响，从而使其稳定性有所减弱，致使局部出现一些沉降现象，或者还会引起变形以及滑塌等。因此需要对高填路基认真分析，同时对其进行必要的观察，找出使其问题的原因所在，然后制定相应的预防措施加以预防，在一定程度上解决路基沉降等问题 。

2.高速公路长期路基沉降变形预测技术

高速公路中有着众多因素导致路基长期沉降，这些因素之间相互影响联系。因此，对其内容进行研究将是个十分复杂的过程。在长期的路基沉降中，其影响因素可分为两个方面，一是微观方面，二是宏观方面。微观方面主要是土粒蠕动的变化，宏观方面主要是排水固结沉降。因此，科学研究者以及相关设计人员要对这些影响因素做出一个怎样的科学预测，显得尤为重要。

2. 1预测路基沉降方法的概述

预测路基沉降有多种方法，如灰色系统法、理论公式法、人工神经网络法和数值分析法等，以下笔者重点就两种方法进行详细介绍。

2.2采用人工神经网络的方法

这种方法是让非线性映射代替传统的现实数学公式，因为这种方法有相对较高平行处理能力，所以线性的优越性会在非线性问题的处理上得到体现。沉降之间的非线性关系与沉降影响因素参数的建立，在高速公路做地基沉降预测时就需要在建立的时候被确定出来，然后在人工神经网络训练好以后把实际需要测量的沉降影响因素放入预测地基点当中，从而计算出预测沉降量的结构。

2.3采用曲线拟合的方法

这种方法主要是拟合沉降预测曲线类似的曲线的方法，再计算后期沉降量的方法。其准确性很大程度上与预测人员的经验是息息相关的，普遍采用的方法有双曲线法、三点法、对数曲线法和图解法。

在沉降预测的所有方法中，推算出沉降量的准确结果需要从填筑时就要开始进行路基沉降的观测。对沉降进行预测的过程中，在综合预测开始进行之前，对多种方法的采用要按照实际情况进行灵活选择。

2.4 高速公路路基沉降控制

由于高速公路中要求有着相对较高路基沉降标准，通常在设计年限内的路面，在施工后对沉降量都会有必要的要求，所以沉降控制在路基施工以后显得尤为重要。又因为影响路基沉降有着非常多的因素，一个相对统一的沉降速率标准在我国目前的高速公路建设中仍然还没有形成。因此，实测沉降速率法和实测工后沉降法是在实际工作中最常用来判断路基沉降稳定性的依据。

3.路基路面结构动力对其交通荷载作用下的研究

根据以上推论来说，高速公路路面结构的破坏通常是由车辆动态荷载和车辆超载超限所导致的，在高速公路上由于动态荷载具有多变性、不可避免性以及不确定性。因此，动态荷载的分析更加复杂，也更为重要。

3. 1路面表面激励特性的分析

高速公路路基由于施工环境因素的影响，不平整性的问题，不管是新建的道路，还是经过多年营运的老路，在不同程度上都有所存在。而车辆在行驶中的震动也正是由于路面的不平整所引起的，路面的附加动载荷也会随着车辆的震动随之增加，那么路面的损坏程度就会遭到加剧。所以判断公路表面的激励特性，然后对其进行认真分析，才能将高速公路设计得更加合理。

路面的凹凸程度主要有理想平面竖向偏差及其频谱组成。测量路面凹凸程度是一项十分困难的工作，但又是一项必不可少的重要过程，因为这项过程能够把参照系在测量者和路面凹凸程度中给确定起来，测量结果的影响因素与测量工具的选用也有着直接关联。在高速公路测量不平整性的方法中较为常用的方法主要有动态反映法和静态反应法。其中动态反应法可以通过车辆反应判断路面凹凸程度，是一种对测量起到辅助性的间接形式方法。而静态反应法对道路不平整性的测量主要是通过分析面类平整度仪，再测量路表的断面结果 。

3.2路面不平整程度的分析

高速公路路面平整程度的测量可通过三米尺反映出不平整的程度，如果高速公路路面不平整程度的幅度变化及高低起伏变化用三米尺得不到准确的反映，就需要采用统计模型进行分析综合特性。因为大量测量随机场是一项尤为复杂的工作，所以需要对空间上的均匀性平稳分析在随机振源构造的统计模型中进行假设振源。由于是有限的分析高速公路路面不平整程度的技术水平，所以当前是通过沿纵向作一维测量来对高速公路道路表面的不平整程度进行分析。

3.3车辆随机动荷载特性的分析

因为车辆动荷载属于随机荷载，很多因素与这样的荷载紧密相关，比如路面的材料特性、路面不平整的程度、车辆的速度、车辆的型号以及车辆中固有的频率等。而其中的路面不平整程度是在这些影响因素当中，最重要的影响因素就是车辆动荷载。车辆因为行驶在了不平整的路面上，就会引起车辆振动。而车辆振动附加荷载的产生又对路面结构施加了压力，导致了车辆激励振动系统的形成，同时也会形成路面激励振动系统，而在这个系统中的每一个参数彼此之间又会产生影响。根据车辆随机振动的统计规律可以用一种随机过程理论进行解释和描述。

3.4分析影响车辆动载的参数规律

因为各种车型的不同、车辆质量的不同、车辆大小的不同以及其轮胎系统、悬挂系统和轴分配结构等因素的变化，使得高速公路路面损坏的程度也会因此有所不同，所以，车辆对高速公路路面的影响在一定控制条件下，要有针对性的规律研究，这一件是必不可少的事情。车辆动载在通常情况下，其轴距如果有所增加那么车辆动载也会随之增加，车速的升高会根据轴距的增加而产生升高的变化，而车辆动载的减少会根据载荷的增加而发生，所以车辆动载不会由于轮距的改变而产生相对影响的情况。

4.结语

路基在高速公路的公路建设中是最为关键的基础，也是尤为重要的核心部分，所以工作人员要将静载与动载对路面的影响充分考虑到设计中，避免使用投入后的高速公路在短期内就出现龟裂、坍塌和路基沉降等问题。高速公路路基沉降是由于受到诸多因素的影响，它是一个相当复杂且难以解决的问题。在高速公路上行驶的车辆对其路面所施加的荷载是一个随机变量，这个随机变量存在着复杂的非对称性，所以对高速公路路基沉降及路面动力特性还需要付出更多的努力。

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