砾石土垫层对路基路面结构力学响应的影响分析

2022-07-09刘彦珍

科学技术创新 2022年19期

刘彦珍

（宁夏公路勘察设计院有限责任公司，宁夏银川 750001）

作为路基施工的最后一道工序或路面施工的第一道工序，垫层应当满足规范所要求的平整度、坡度要求。具体来看，垫层的主要作用有以下几点：联结相邻结构层并发挥过渡作用；封闭结构中局部区域，使得结构防水、保水；强化路面结构，使其保持完整性，防止结构病害的发展；在临时开放通行时，防止由于天气、车辆等导致的结构损坏。实践表明，砾石土垫层有助于降低底基层的层底拉力，使其稳定性得到增强。同时路基稳定还对路面结构的各项力学性能起着决定性影响，所以在部分地质条件较为特殊的地区，路基垫层技术的应用也就显得尤为重要，对于工程建设质量存在主导作用。而在其他填筑材料较为匮乏的情况下，采取砾石土来完成路基填筑就具有突出的应用优势。

1 计算点位的确定

基于层状弹性体系理论进行分析可以发现，路面结构发生破坏的主要原因在于路面弯沉变形量、拉应力过大。在这样的情况下，受到上部车辆荷载、自然环境等的复合作用，路基就很容易陷入过大变形的状态下，导致路面平整性不足。所以在实际工程中，可以路表弯沉、层底拉应力作为核心指标展开分析。各指标所对应的计算点位如图1 所示。

图1 计算点位图

2 砾石土垫层模量的影响规律

2.1 对路表弯沉的影响

调整得到不同的砾石垫层模量，并以此计算相应的路表弯沉值，这一分析计算的结果如图2 所示。在该图中，路表弯沉值也即路表的竖向位移量。

根据图2 的曲线可以发现，在保持垫层厚度不变的条件下，垫层模量越大所对应的路表弯沉值呈现出不断下降的趋势，下降的速度逐渐减小，且下降速度与垫层厚度之间存在显著关联。在垫层厚度为25cm 的条件下，垫层模量由50MPa 提高至500MPa 的过程中，路表弯沉值的下降幅度最大，由0.3970mm 下降至0.3491mm。

图2 不同垫层模量下的路表弯沉值

2.2 对各面层层底拉应力的影响

调整得到不同的砾石垫层模量，并以此计算相应的层底拉应力，这一分析计算的结果如图3 所示。考虑到荷载及结构均沿着轮隙中心呈对称分布，所以可认为各层中荷载中心位置的层底拉应力相等，也即B 与D 点的结果相等。

图3 不同模量下B（D）点层底拉应力

根据图3 曲线可以发现，在标准轴载条件下，上面层的层底受到压力作用。在保持垫层厚度不变的条件下，垫层模量越大所对应的层底压应力呈现出不断下降的趋势，下降的速度先快后慢，且垫层厚度越大这一规律越突出。在垫层厚度为25cm 的条件下，垫层模量由50MPa 提高至500MPa 的过程中，层底压应力的下降幅度最大。中、下面层的层底受到压力作用。在保持垫层厚度不变的条件下，垫层模量越大所对应的层底压应力呈现出不断下降的趋势，下降的速度先快后慢，且垫层厚度越大这一规律越突出。在垫层厚度为25cm 的条件下，垫层模量由50MPa 提高至500MPa 的过程中，中、下面层的层底压应力的下降幅度最大。

2.3 对基层与垫层层底拉应力的影响

调整得到不同的砾石垫层模量，并以此计算相应的基层、底基层以及垫层层底拉应力，这一分析计算的结果如图4 所示。考虑到荷载及结构均沿着轮隙中心呈对称分布，所以可认为各层中荷载中心位置的层底拉应力相等，也即K 与M 点位的结果相等。在未经砾石土垫层处理之前，垫层厚度越大，Q（S）及R 点位处的层底拉应力变化与中垫层厚度为0 时所对应的曲线相近。

图4 不同模量下K（M）点层底拉应力

根据图4 的曲线可以发现，在标准轴载条件下，基层层底受到拉力作用。在保持垫层厚度不变的条件下，垫层模量越大所对应的层底拉应力呈现出不断下降的趋势，下降的速度先快后慢，且垫层厚度越大这一规律越突出。在垫层厚度为25cm 的条件下，垫层模量由50MPa 提高至500MPa 的过程中，基层K（M）点位处的层底拉应力的下降幅度最大。

2.4 对路基表面压应力与压应变的影响

调整得到不同的砾石垫层模量，并以此计算T 点位置的路基表面压应力及压应变，一分析计算的结果如图5 所示。

图5 不同模量下路基表面压应力

根据图5 的曲线可以发现，在保持垫层厚度不变的条件下，垫层模量越大所对应的路基表面压应力呈现出先增后减的趋势。在垫层模量为1000MPa 时，所对应的路基表面压应力为峰值，其增幅最大为0.01 倍，由此可以认为垫层模量的影响比较微弱。此后，继续提升垫层模量，发现路基表面压应力呈现出下降的趋势，且其基本为线性下降，其减幅最大为0.12 倍，垫层模量的影响同样较为微弱。

在保持垫层厚度不变的条件下，垫层模量越大所对应的路基表面压应变呈现出先增后减的趋势。垫层模量由50MPa 提高至500MPa 的过程中，路基表面压应变的上升幅度最大，当模量为150MPa 时所对应的压应变达到峰值，其增幅最大为0.07 倍。此后，继续提升垫层模量，发现路基表面压应变呈现出下降的趋势，且其基本为线性下降，其减幅最大为0.16 倍，垫层模量的影响较为微弱。

3 砾石土垫层厚度的影响规律

3.1 对路表弯沉的影响

调整得到不同的砾石垫层厚度，并以此计算相应的路表弯沉值，这一分析计算的结果如图6 所示。

图6 不同厚度下路表弯沉

根据上图的曲线可以发现，在保持垫层模量不变的条件下，垫层厚度越大所对应的路表弯沉值呈现出不断下降的趋势，下降的速度逐渐增大，且下降速度与垫层模量之间存在显著关联。在垫层模量为50OMPa 的条件下，垫层厚度由0cm 提高至25cm 的过程中，路表弯沉值的下降幅度最大，由0.4024mm 下降至0.3491mm，其降幅为0.15 倍。

3.2 对面层层底拉应力的影响

调整得到不同的砾石垫层厚度，并以此计算相应的层底拉应力，这一分析计算的结果如图7 所示。认为B与D 点位的结果相等。

图7 不同厚度下B（D）点层底拉应力

根据图7 曲线可以发现，在标准轴载条件下，上面层的层底受到压力作用。在保持垫层模量不变的条件下，垫层厚度越大所对应的层底压应力呈现出不断下降的趋势，下降的速度先慢后快。在垫层模量为500MPa 的条件下，垫层模量由0cm 提高至25cm 的过程中，层底压应力的下降幅度最大，其降幅为0.04 倍。中、下面层的层底受到压力作用。在保持垫层模量不变的条件下，垫层厚度越大所对应的层底压应力呈现出不断下降的趋势，下降的速度先慢后快。在垫层模量为500MPa 的条件下，垫层模量由0cm 提高至25cm 的过程中，中、下面层的层底压应力的下降幅度最大，其降幅为0.04 倍。

3.3 对基层与垫层层底拉应力的影响

调整得到不同的砾石垫层厚度，并以此计算相应的基层、底基层以及垫层层底拉应力，这一分析计算的结果如图8 所示。同时认定K 与M 点位的结果相等。

图8 不同厚度下K（M）点层底拉应力

在标准轴载条件下，基层层底受到拉力作用。在保持垫层模量不变的条件下，垫层厚度越大所对应的层底拉应力呈现出不断下降的趋势，下降的速度大致为线性，且垫层模量越大减幅越大。在垫层模量为500MPa 的条件下，垫层模量由0cm 提高至25cm 的过程中，基层K（M）点层底拉应力的下降幅度最大，其降幅为0.51 倍。

在标准轴载条件下，基层层底受到拉力作用。在100MPa-500MPa 的垫层模量条件下，垫层厚度越大所对应的层底拉应力呈现出先增后减的趋势。且垫层模量越大拉应力峰值逐渐表现出向低厚度转移的趋势，其最大增幅为0.1 倍。此后，随着垫层厚度的提升，路基的表面压应力则逐渐下降，其最大减幅为0.08 倍。在50MPa 的垫层模量下，垫层厚度越大所对应的层底拉应力表现出不断上升的趋势，其最大增幅为0.65 倍。

在保持垫层模量不便的条件下，垫层的附加能够显著减小层底拉应力。