土基顶面压应变设计指标研究★

郭　伟　商英姿

(1.济宁市公路工程总公司，山东 济宁　272115；　2.济宁市公路勘测设计研究院，山东 济宁　272115)



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土基顶面压应变设计指标研究★

郭伟1商英姿2

(1.济宁市公路工程总公司，山东 济宁272115；2.济宁市公路勘测设计研究院，山东 济宁272115)

为了建立土基顶面压应变控制模型，调研了AASHO试验路的沥青路面结构和相应车辆荷载作用次数，通过轴载换算，将AASHO试验路的荷载作用次数换算为我国标准轴载的作用次数，并结合我国的实际情况选取路面结构层所用材料参数，利用弹性层状体系计算程序，计算了各试验环道不同路面结构双轮隙中心处土基顶面压应变，统计回归了土基顶面压应变与标准轴载作用次数的相关关系式，用于我国路面结构设计中土基永久变形的控制。

土基顶面压应变，永久变形，设计指标，AASHO试验路

永久变形是粒料柔性基层沥青路面的主要破坏形式，许多国家把土基顶面压应变作为主要设计指标，利用限制土基顶面竖向压应变大小的方法控制路面结构的永久变形。

土基顶面竖向压应变法是一种适应设计使用的近似方法。Dormon等[1]利用AASHO试验路的观测资料(50个试验段)，按现时服务能力指数PSI=2.5的路面状况，通过结构反算，建立了标准轴载(80 kN)作用次数与土基顶面容许竖向压应变的经验关系式：

εz=aN-b

(1)

其中，εz为路基顶面容许压应变；N为标准轴载累计作用次数；a，b均为统计回归系数。

这一压应变关系式随后成为壳牌设计方法[2]的一项设计指标，其经验回归系数经历了多次修订。于1987年，壳牌设计方法又利用AASHO试验路全部试验段(300个)的观测资料，对回归公式进行了重新整理，得到了不同保证率时的系数值[3]。Edwards和Vakering[4](1974)也基于AASHO试验路的数据进行了数值分析，建立了土基顶面容许压应变和轴载作用次数之间的关系式：

εz=2.8×10-2×N-0.25

(2)

由于我国沥青路面结构的多元化，随着粒料基层沥青路面结构的推广与应用，提出我国的土基顶面压应变设计指标并建立相应的控制模型已是势在必行。本文力图在AASHO试验路的基础上，结合我国的实际情况，建立适于我国国情的土基顶面压应变控制模型，为进一步丰富和完善我国的沥青路面设计指标和控制模型提供参考依据。

1　AASHO试验路调研

1.1AASHO试验路成果

AASHO试验路[5]包括6个环道，分别为4个大环道(编号为3～6)和2个小环道(编号为1和2)，每一个环道由2个车道组成。3号～6号环道为试验环道，每个环道的直线段长度为2 074 m，曲线段半径为61 m，按照40 km/h的速度设置超高。2号环道直线段长度为1 340 m，用于行驶轻型汽车；1号环道直线段长610 m，不行驶汽车。这是国际上空前大规模的道路试验，其主要成果有：1)得出了路面耐用性指数与路面工作状态之间的关系，提出以最终耐用性指数PSI=2.5作为主要公路的设计标准，PSI=2.0作为次要公路的设计标准；2)建立了路面设计方法的基本方程，提出了不同设计标准的路面厚度计算列线图和不同路面材料的等值系数；3)提出了设计时采用的标准轴载(即双轮组单轴载80 kN)，导出了不同车型轴载与数量间等效关系的轴载换算公式。

1.2AASHO试验路的柔性路面结构与车辆轴载类型

AASHO试验路主要有3种柔性路面结构形式，分别为在土基上直接铺筑沥青面层的2层结构，在土基上铺筑粒料基层和沥青混凝土面层的3层结构和基层分为粒料底基层和粒料基层的4层路面结构。第一、二环道为小环道，第一个环道没有行驶汽车(主要用于研究环境因素对未加载路面的影响)；第二个环道按三种面层厚度，三种基层厚度和三种底基层厚度共18个柔性路面结构组合修筑试验路段，用于行驶轻型汽车；其余3环道～6环道为试验路段，而且每个环道均按三种面层厚度，三种基层厚度和三种底基层厚度共27个柔性路面结构组合修筑试验路段；各环道采用的柔性路面结构层厚度如表1所示，每一环道采用的车辆轴载类型见表2。

表1　AASHO试验路各环道采用的柔性路面结构层厚度

表2　AASHO试验路各环道采用的车辆轴载类型

2　土基顶面压应变设计指标控制模型的建立

2.1轴载换算

AASHO路面结构设计方法规定：标准轴载为18 000 lbf(80 kN)，接地压强0.49 MPa，双圆当量半径δ=11.5 cm，AASHO试验路中不同轴荷与标准轴载的当量换算系数见表3[6]。

利用表3中的轴载系数换算，可以把AASHO试验路各试验环道不同轴载的荷载作用次数换算成标准轴载80 kN的荷载作用次数，换算结果见表4。

同时根据表3中的轴载换算系数，利用内插法得到我国标准轴载与AASHO标准轴载的作用次数换算公式：

N100=N80×0.419 5

(3)

按照式(3)就可以把PSI=2.5所对应的各试验环道的标准轴载(80 kN)作用次数换算为我国标准轴载(100 kN)的作用次数，换算结果见参考文献[7]。

表3　AASHO路面结构设计方法中的轴载当量换算系数(PSI=2.5时)

表4　AASHO试验路试验环道的轴载系数

2.2土基顶面压应变计算

1)路面结构层所用材料参数选取。在选取路面材料参数之前，利用试验环道的沥青路面结构，分析了材料参数影响土基顶面压应变的敏感性[7]。分析结果表明，面层模量和基层模量的变化对土基顶面压应变的影响幅度为3%～10%，敏感性较低，而土基模量的变化对土基顶面压应变的影响幅度为40%，敏感性较大，结合我国的实际情况，最终选取的路面结构层所用材料参数如表5所示。

表5　路面结构层所用材料参数

2)土基顶面压应变计算结果。把AASHO试验路各试验环道的柔性路面结构假设为线弹性层状体系，以双轮组单轴载100 kN为作用荷载，利用弹性层状体系计算程序BISAR3.0，计算土基顶面

双轮隙中心点处的压应变值，计算结果见参考文献[7]。

3)土基顶面压应变控制模型的建立。根据各试验环道不同路面结构的土基顶面压应变计算结果，以及换算后与之对应的我国标准轴载作用次数，对二者按照幂指数形式进行数学统计回归(见图1)，得到土基顶面压应变控制模型如下：

εz=1.39×10-2N-0.236 6，R2=0.694 6

(4)

3　结语

1)以AASHO试验路为基础，提出了控制粒料基层沥青路面结构永久变形的土基顶面压应变设计指标，建立了适合我国国情的土基顶面压应变控制模型如下：

εz=1.39×10-2N-0.236 6。

2)进一步丰富和完善了我国的沥青路面结构指标和控制模型，但模型公式未进行现场修正，有必要在下一步的工作中对控制模型进行修正与验证。

[1]Dormon K.R.The extension to practice of a fundamental procedure for the design of flexible pavements[C].Proceedings, International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements.Ann Arbor,1962:785-793.

[2]戴维.怀特奥克·壳牌沥青手册[Z].北京：壳牌(大中华)集团，1995.

[3]Gerristsen A.H.， Koole R.C.Seven years’ experience with the structural aspects of the Shell pavement design manual[C].Proceedings,6th International Conference on Structural Design of Asphalt Pavements,Ann Arbor,1987:94-106.

[4]Edwards,J.M., Valkering,C.P.Structural Design of Asphalt Pavements for Road Vehicles-the Influence of High Temperatures[J].Highway and Road Construction,1974(15):125-127.

[5]AASHO.The AASHO Road Test，Special Report 61F[R].Washington，D.C.:Highway Research Board,1962.

[6]姚祖康.公路设计手册：路面[M].北京：人民交通出版社，2006：156.

[7]高启聚.土基与粒料层永久变形设计指标和控制模型研究,SDJTKYS2011-2[R].济南：山东省交通科学研究所，2011.

Research on design index of compressive strain on top of subgrade soils★

Guo Wei1Shang Yingzi2

(1.JiningHighwayEngineeringGeneralCorporation，Jining272115,China；2.JiningHighwaySurveyandDesignResearchInstitute,Jining272115,China)

In order to create controlling model of compressive strain on top of subgrade soils， asphalt pavement structures and corresponding number of vehicle load repetitions of AASHO test road were surveyed, and number of vehicle load repetitions of AASHO test road was converted into number of Chinese standard axle load repetitions by way of axle load conversion. Combined with Chinese specific characteristics, material parameters of pavement structure layers were selected, and mul-layer elastic system calculation program was used to calculate compressive strain on top of subgrade soils located in double gap center point of different pavement structures, statistical regression formula between compressive strain on top of subgrade soils and corresponding number of Chinese standard axle load repetitions was obtained in order to control permanent deformation of subgrade soils during the process of pavement structures design.

compressive strain on top of subgrade soils, permanent deformation, design index, AASHO test road

1009-6825(2016)23-0142-02

2016-06-10★:山东省交通科技计划项目(项目编号：2009Y017)

郭伟(1972- )，男，高级工程师

U416.217

A