重载交通路基结构动应力测试与分布规律分析

李志勇， 陈晓斌， 凌建明， 王 密， 刘文劼， 杨铁山

(1. 湖南交通科学院研究有限公司， 湖南 长沙 410000； 2.中南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410082； 3.同济大学，上海 200082； 4.沈阳圣狩软件科技有限公司公司， 辽宁 沈阳 110021)

近30 a来，我国陆路交通的轴重不断增大、速度日益提升、交通流量迅猛增长，高速重载成为现代交通发展新趋势。大件运输特重汽车载重达680 t、重载铁路轴重达30 t、长编组列车运量突破20000 t；高速铁路时速度达350 km/h；繁忙高速公路日均断面流量超过10万辆。高速重载交通荷载作用使路基结构工作区大幅度加深、应力水平显著提高、动应力响应更加突出，尤其是在高频次重载与湿度作用下路基结构的非线性永久累积变形和模量衰变加剧。其中高速公路重载现象已经十分突出，加剧了公路路面结构的破坏，缩短了公路使用时间，造成较大的损失[1]。因此，重载公路的路基路面结构耦合动应力响应的测试与研究需要进一步加强。

国外，SAHIS M K[2]等研究结果表明，只有一种典型的沥青和颗粒层厚度组合才有可能避免路面的车辙和疲劳。用本方法计算的地层厚度与国际上已有的数据进行了比较，结果吻合较好。采用Odemark’s-boussinesq方法确定了路面挠度作为优化路面断面的性能指标，并与IITPAVE和KENPAVE软件得到的挠度进行了比较，结果显示出合理的良好收敛性。LV S T[3]等基于挠度和底部拉应力的疲劳寿命以及实验室归一化疲劳方程均显著增加。将路面材料的疲劳性能与路面结构的疲劳性能相结合，为半刚性基层沥青路面的设计提供有效的优化方法。TANG L[4]利用有限元分析软件建立了加宽路基有限元模型，得到高填方路基加宽的变形大于低填方路基结构加宽的变形。国内，卢正[5]等结合现有规范关于路面弯沉控制的思想，考虑路面路基的相互作用及协调变形，给出了路基顶面的动变形控制标准和确定方法，依据此标准提出了一种路基动变形控制设计的方法。蔡汉成[6]等提出了一种新的热棒路基设计计算方法，其基本原理为确保热棒年内放热量不小于路基的年净吸热量。结果表明，热棒路基的沉降量明显小于普通路基的沉降量，热棒路基提高了地基多年冻土的稳定性，控制住了路基沉降变形。石小平[6]等针对重车引起砼板底脱空、唧泥、错台和断裂等，提出了控制板角挠度设计方法，该方法对于重载交通的水泥混凝土路面，比控制疲劳应力的方法更切合实际。谭伟[7]等针对某公路路基改良膨胀土，模拟其在长期自然环境中受到的干湿循环和冻融循环作用，分析水泥改良效果的衰变特点，从长期性能角度出发探讨合理水泥改良配比。同时从兼顾效果和成本的角度考虑，建议水泥掺量控制在10%左右。王晅[8]等开展了重载作用下公路路基结构动应力测试研究，得到动应力随着车载重量的增加呈增加趋势。郑水明[9]等考虑不同交通荷载、行车速度等对路基结构应力的影响，竖向应力随着行车速度增加而减小；路基沿竖向应力随车载增加显著增加；为道路路面结构设计提供参考。庞劲松[10]等运用通用有限元程序ABAQUS构建了路基拓宽模型，分析道路地基顶面在拓宽工程影响下的沉降规律。

目前，关于车辆动载下的路基路面结构耦合响应的研究主要集中在理论分析、数值模拟方面，而现场试验研究很少。本文针对目前存在的不足问题，提前在桂武高速公路路基结构埋设应力观测元件，开展随机交通荷载、控制速度与轴重条件下的路基结构动态响应现场测试试验研究，分析重载路基结构的动应力传递深度及变化规律，研究结果可为研发重载路基结构长期性能保障技术提供支撑。

1 路基结构交通流量调查

重载交通与一般交通荷载的主要差别是路基结构所受的动载强度加大，引起荷载效应加大、动态附加应力加大，导致路基结构使用寿命缩短，强度、刚度、稳定性等方面的安全储备下降，各种病害出现的机率加大、危害性加剧。行车荷载是路面损坏现象中一个非常重要的因素。

依据规范，当以设计弯沉和沥青层层底拉应力为指标时，各级轴载均应按如下公式换算成标准轴载P的当量轴次N。

(1)

在进行具体计算时，C1和C2按轴组计算，Pi为相应单个轴组的平均轴重。结果表明，在对动态数据进行标准轴载作用次数换算时，考虑轴数系数C1与不考虑轴数系数C1的差值并不是很大。为了简化计算，建议在进行标准轴载作用次数换算时，不计C1的影响，直接将计算结果乘以一个放大系数ξ(ξ取1.025)。根据现场调查及收集到的湖南主要干线交通流特征，现对交通等级进行分类。参考现行沥青路面设计规范和其他一些省份沥青路面典型结构研究的做法，按照以弯沉和沥青层拉应力为设计指标、以半刚性层拉应力为设计指标两种方法进行交通量分级，见表1。

表1 公路交通等级分类建议Table 1 Highway traffic classification suggestions次/车道方法Ne重交通特重交通(一)特重交通(二)特重交通(三)按弯沉和沥青层拉应力计算方法1.0×107～2.5×1072.5×107～5.0×1075.0×107～1.0×108>1.0×108半刚性层拉应力计算方法1.0×107～5.0×1075.0×107～2.0×1082.0×108～1.0×109>1.0×109

根据表1数据分析，将交通等级分为特重交通一级、特重交通二级和特重交通三级。

2 动应力现场测试方案

为了研究重载交通荷载作用下路基结构的动应力变化特征，开展控制速度与轴重条件下的路基结构动态响应现场试验研究，分析重载路基结构的动应力传递深度及变化规律。

2.1 测试元件埋设与布置

在路基结构填筑施工中，控制好各层标高，埋设了动态土压力传感器，深度方向间距为0.5 m，见图1。

图1 路基结构动土压力盒埋设图Figure 1 Laying of roadbed structure earth pressure cell

2.2 动力响应测试加载方案

选择三轴车为代表性车型，后轴为双轮，外轮距2.10 m，内轮距1.60 m，前轴轮距1.90 m，后两轴轴距1.35 m，前轴与最近后轴轴距6.15 m，空车总重120 kN，满载时货物总重300 kN。实验加载采用分级加载，各轴载重量分配情况见表2。

表2 试验加载车轴重Table 2 Test load axle weight实验加载车辆总重量/kN装载重量/kN前轴载/kN后轴载(双轴)/kN空载120.054.066.0重载I级300.0180.090.0105+105重载II级420.0300.0105.0107.5+107.5

等效换算后的，加载控制以实际胎压为标准，试验时车辆载重分为空载(胎压为315 kPa)、重载I满载(胎压为735 kPa)、重载II(胎压为1001 kPa)共3种荷载当量。试验控制的速度分为3级，分别为60、80和100 km/h，加载方案见表3。

表3 实验加载方案Table 3 Experimental loading scheme车速/(km·h-1)控制胎压/kPa车重/kN6031512060735300601 00142080315120807353008010014201003151201007353001001 001420

3 动应力测试结果分析

3.1 路基结构动应力分析

依据埋设在路基体内动土压力盒，测得了每次加载下路基结构动态附加应力，如图2所示。

图2 不同车速下路基结构动应力变化规律

图2显示车辆轴重及总重对路基结构动态附加应力影响显著。比如，空载作用下(控制胎压315 kPa)，路基顶面动态附加应力峰值范围在20～28 kPa之间；重载I级作用下(控制胎压735 kPa)，路基结构顶面动态附加应力峰值则达到了35～42kPa之间；重载Ⅱ级作用下(控制胎压1 001 kPa)，路基结构顶面动态附加应力峰值则达到了38～50 kPa之间，个别测点出现了大于50 kPa的应力峰值。随着轴重增加，路基结构的附加应力增加，尤其是轴重的增加更为明显。

行车速度对路基结构动应力的影响，实验数据显示虽然随着速度的增加，路基结构表层的动态应力有所增加，但是速度对动应力增加的影响不明显。在重载II级加载下(控制胎压1 001 kPa)，车速从60 km/h提高到100 km/h时，路基结构顶面动应力幅值从42～46 kPa增加到43～48 kPa。结果表明对于重载交通荷载，速度的影响远小于轴重及总车车辆对路基结构应力增加的影响。

测试结果表明，路基结构顶面动应力幅值的集中域(车轮对应相面)一般在20～50 kPa。行车道对应位置以下的动态土压力普遍高于超车道。

3.2 路基动应力分布规律

为了描述动态土压力沿着路基结构深度变化的规律，定义了动态土压力影响系数，见式(2)。

(2)

图3 路基结构动应力比曲线Figure 3 Dynamic stress ratio curve of subgrade structure

由图3显示，动态土压力变化明显，与深度-0.5、-1.0、-1.5、-2.0、-2.5和-3.0 m对应的土压力影响系数为0.68、 0.45、 0.30、 0.17、 0.13和0.10。由此，提出非线性数学公式模拟土压力影响系数，见式(3)。

(3)

式中: e为自然对数;z为路基结构深度值。

3.3 路基结构应力分区

卢正[11]等研究了汽车轴载、路面厚度及路基模量对路基工作区深度的影响，最后建立路基工作区深度的定量表达式，研究结果可为公路路基设计提供参考。

由此，把重载交通荷载作用下的路基结构划分为动荷载敏感区(动态附加应力峰值大于自重应力20%)和动荷载影响区(动态附加应力峰值大于自重应力10%)。测试得到的1 001 kPa重载交通下路基结构动应力与自重应力比随着深度变化情况见图4。

图4 动态附加应力峰值/自重应力随深度变化Figure 4 Dynamic additional stress peak/deadweight stress varies with depth

图4所示结果显示，路基结构顶面以下1.5～2.0 m深度范围为动应力敏感区，其动态附加应力峰值/自重应力接近0.2。路基结构顶面以下2.0～3.0 m深度范围内其动态附加应力峰值/自重应力接近0.1。

4 结论

a.通过交通荷载特征调查，按弯沉和沥青层拉应力计算方法，当BZZ-100累计标准轴载Ne(次/车道)达到2.5×107～5.0×107为特重交通一级；当BZZ-100累计标准轴载Ne(次/车道)达到5.0×107～1.0×108为特重交通二级；当BZZ-100累计标准轴载Ne(次/车道)大于1.0×108为特重交通三级。

b.重载交通路基结构按动应力变化规律，可划分为动荷载敏感区和动荷载影响区。其中路基结构顶面以下1.5～2.0 m深度范围为动应力敏感区，其动态附加应力峰值/自重应力接近0.2。路基结构顶面以下2.0～3.0 m深度范围内为动荷载影响区，其动态附加应力峰值/自重应力接近0.1。