车辆荷载下填方路基作用影响深度研究

2023-01-06陈元林

科技创新与应用 2022年36期

陈元林

（江西省交通投资集团有限责任公司宜春管理中心，江西宜春 330802）

车辆荷载是高速公路建成运营后一种长期循环的主要动荷载，根据以往研究发现，在相同条件下时，基础变形在动荷载与静荷载同时影响下，车辆动载的影响程度要大于路面静载的影响程度。尤其高速公路建设在软土路基上，车辆行驶荷载对路基基底以下地基的变形影响明显大于静载的影响。虽然目前我国正在倡导节约型、绿色公路建设，在条件允许的平原地区最大限度地减小路基土体的填筑高度，推荐在条件允许情况下优先采用低填路堤的设计方案，该方案不仅可以减少造价、节约稀有的土地资源，同时还能使公路建设与自然环境协调统一。但是采用低路堤方案也同样存在问题，那就是随着路基填土高度降低，汽车荷载的作用深度也会随之发生变化；对于软土路基公路，采用低路堤方案，部分软土地基在交通循环动荷载作用下，将导致更大的沉降变形；高速公路为了满足运行要求一般对其路堤的工后沉降量有严格限制，尤其对于软土地基；要研究地基沉降是由交通动荷载引起的，那么从路面顶高就开始研究在不同车辆类别荷载作用下，车辆荷载对路面、路基的作用深度的影响是十分重要的，这样就可以有针对性地对路基基底以下软土地基进行处理。

李又云等[1]在做了大量的动态三轴试验后，并在分析试验成果的基础上，通过试验的方法，深入研究了黄土路堤压实后在动态车辆荷载下动力特性的响应；高玉峰等[2]把我国车辆行驶动载和超载的普遍现象进行了对比分析，而且将车辆行驶的动载进行当量等效，简化成为静载作用在路面上，在软土地基上利用分层总和法计算公路路基，交通车辆行驶过程中车轮动荷载会引起附加变形沉降。魏星等[3]提出了循环心形应力路径适用于饱和软黏土残余变形的经验模型，同时通过对众多试验成果的验证模拟，建议了一种在考虑荷载移动速度影响下的路基沉降实用算法；马霄等[4]通过将循环荷载作用作为影响因素得到了经验显式本构模型，并在本构模型经验显式基础上等效发展了有限元计算方法，达到了计算路基基底在长期交通移动荷载下的附加沉降；边学成等[5]建立了三维分析模型，该模型考虑了车辆行驶荷载作用和地基动力相互作用，利用黏性软土的塑性理论即累积应变理论模型，最终得到了路基基底在长期车辆动荷载作用下，其由车辆动荷载引起的附加沉降的计算方法。吕玺琳等[6]提出了软土路基在长期交通动荷载的影响下简化为静力影响沉降的计算模型，该模型是在弹性理论解积分和常规的分层综合法相结合的基础上建立的，此计算模型计算了车辆行驶荷载在路基中的动应力，同时发现了路基沉降和循环次数的关系。张睿等[7]对累积变形塑性理论计算模型进行了优化改进，即将软土的静偏初始应力的影响因素也纳入考虑范围之内，继而对累积变形塑性计算模型进行了改进，并在某条高速公路路基为低路堤的情况下，路基在交通移动荷载下的累积沉降进行了计算分析。另有学者采用现场试验方法，即利用动力试验得到低填路堤下地基的竖向应力大小，由车辆交通荷载所附加的应力大约是其路基自身填土重的4~5倍；由该动荷载[8]引起的沉降即工后沉降约占最终沉降量的一半。同时通过其他工程实例进行试验，发现车辆荷载的主要影响深度位于填筑路基基底面以下6 m范围左右，这不仅为在道路交通行驶动荷载的作用下计算路基沉降，路基工作区的深度提供了借鉴参考，而且也为路堤的设计提供了重要的支撑。

基于以上原因，本文将对车辆荷载下填方路基作用影响深度做进一步探讨与研究。

1 计算方法

不同类型车辆其荷载不同，即使额定载重量相同的汽车在实际应用中也有空车、半载、满载和超载之分，在工程实践中，道路上车辆型号分布和货物等堆放位置各不相同，均处在动态变化中，不尽相同，因此需要有反映实际装载量因素的轴载模型。

根据对以上文献的学习参考，本文将车辆动荷载与路基填土自重分2种情况来考虑，即将车辆动荷载与路基填土自重分开考虑和将车辆动荷载与路基填土自重作为整体来考虑，计算模型如图1所示。

图1 理论计算模型

1.1 按照附加荷载影响深度

车辆简化荷载[9]：路基在某一深度Za处，当垂直应力σ0即由车轮荷载引起的竖向应力与填筑路堤填土自身自重引起的竖向应力，即垂直应力σcz，当其比值σ0/σcz≤（0.1～0.2）时，假定忽略可以不计，则其比值大于0.1~0.2时，该深度Za范围内的路基便称为车辆荷载应力引起的路基工作区，计算式如下

式中：Za为车辆荷载引起的路基工作区的作用深度，m；P为由车轮引起的竖向荷载；K为系数，K=3/（2×π）=0.5；γ为填筑路堤的填土容重，kN/m3；n为系数，n=5~10。

1.2 路面当量计算厚度

路面上的车辆荷载作用是复杂的力学问题，首先从作用性质来分，分为静荷载和动荷载；从作用的方向来看，有水平荷载和垂直荷载之分；从作用频度和时间来说，不仅有如驻车时车辆施荷作用较长的长时间荷载，还有瞬时、多次反复作用的荷载，诸如运营道路上行驶车辆施加的荷载。交通移动荷载作用下，行驶车辆作用于道路路面的作用力大致分为：车轮接触道路表面产生的垂直压力，由于变速、变向、爬坡和下坡等动作产生的车轮对道路表面作用的水平作用力，由于车辆振动通过轮胎对路面施加的动态作用力，车辆高速行驶时车尾局部真空对路面产生的吸力。车辆行驶产生的水平作用力对路面性能有较大的影响，众多研究人员做了大量的工作并取得了一些有意义的成果。

因路面结构的结构强度、路面结构的材料性能参数诸如空隙率、容重等均与路基填土相差甚大，加之路基、路面不是同性均质体，从路面设计标高计起，其以下随路面的结构强度、路面结构的厚度等增加而作用的实际路基工作区影响深度减小，基于此，计算车辆荷载作用下，路基范围内工作区的深度首先需将路面折算为与路基同一性质材料的当量厚度后，才能继续开展下一步的深度计算。

路面结构层厚度与路床同材质厚度的换算[10]

式中：Ze为路面结构层等量换算为路基土层的当量厚度，m；h为路面结构层的原始厚度，m；Em，Ec分别为路面、路床材料的回弹模量，MPa；m为次方的指数。

2 车辆荷载影响深度分析

2.1 项目概况

沪昆高速公路在江西境内东起梨园主线收费站，途经上饶、鹰潭、南昌、新余、宜春市及萍乡市进入湖南境内，横穿江西中部的22个县（市、区），联接多条国道、省道，是国家十字网的重要组成部分。该项目总体路线走向由东向西，与既有高速公路重合，起点桩号为养护桩号K811+000，经宜春樟树市黄土岗镇、中州乡，新余市罗坊镇、水西镇和下村镇，终于观巢镇港背村，终点桩号K857+523，全长46.475 km。本标段位于江西省樟树市、新余市2市范围内，项目区主要为赣江水系。区内以丘陵及河谷地形为主，切割较浅，山峰海拔约155～315 m，相对高差一般小于200 m。区内构造线方向与山脉走向基本一致，多呈北东东向延伸，地势总体上略显西高东低。根据地貌成因类型及形态特征，将拟建路线通过区段的地形地貌划分为丘陵地貌及河谷地貌2大类。项目区属中亚热带季风气候区，热量丰富，春秋季短而夏冬季长，四季分明，冬季冷而夏季热，春季湿而秋季干，降水充沛，日照充足。年平均气温16.2~17.7℃，东南部较高，西北部较低；年平均降水量为1 624.9 mm；地层岩性主要为第四纪（Q）残坡积层（Q4el+dl）、第四纪（Q）冲洪积层（Q4al+pl）、第四纪（Q）残坡积层（Q2el）和新近系新余组（Ex）砂岩、砾岩及砂砾岩，以及侏罗纪下统水北组（J1s）、三叠纪上统安源群（T3A）和石炭系下统梓山组（C1z）等砂岩、页岩等。

2.2 计算资料

根据表1、表2所示，本文利用某段路基、路面资料进行计算。

表1 路面结构层模量[10]

表2 路基及基底基本岩土参数

按式（1）计算车辆荷载作用深度

按式（2）计算路面当量厚度

路面的当量厚度Ze是从路面结构层以下，即路基顶面层位路床顶开始算起，车辆行驶移动荷载影响的路基范围内工作区Za减去路面等效为路基材料当量厚度Ze即为路基顶面即路床以下土基中的作用区深度。

由以上可知，车辆移动行驶荷载作用力传递到的作用范围深度与路面结构的结构层厚度及路面材料有关，在该项目路面结构下，作用到路基的深度为1.1 m，一般情况下，高速公路的路床厚度基本为1.2 m。

如图2所示，当车辆荷载、路面结构及路基填筑土方按照整体考虑，作为条形附加荷载作用在地基上，仍按照竖向垂直附加应力与基底土体竖向自重引起的自重应力的比值确定。

图2 车辆荷载作用下路基作用深度

在不同路基填筑高度，影响深度范围由图3可知，随着路基填筑土体高度的增加，竖向附加应力的影响深度随之加深。

图3 车辆荷载与路基共同作用地基影响深度

2.3 结果分析

根据详勘及设计资料，确定了该路的等级、路面结构层厚度及结构层材料模量，与地基土层分布情况，由图1可知，在100 kN的车轮移动荷载下，作用于路基的深度为3.0 m，路面结构层的层厚93 cm，换算为路基填筑土体等效材料的当量模量后的深度为1.9 m，故作用在路面结构以下即路床的深度为1.1 m，且车辆荷载在路面结构内快速衰减，在2.4 m的深度时，轮载产生的附加压力为路基填土自重的0.2倍，在3.0 m时，轮载产生的附加压力为路基填土自重的0.1倍。

当将车辆荷载与路基填土共同作为附加压力作用于地基上时，假定地基30 m范围内均为土质，无基岩存在，则随着路基填筑高度增加，与地基0.2倍自重应力和0.1倍自重应力的交点也在逐渐加深。