基層鋪筑時施工車輛對石灰土底基層的力學影響分析

馬士賓，劉俊琴，王麗潔，陳 晗

（1.河北工業大學 土木工程學院，天津 300401；2.河北工業大學 建筑與藝術設計學院，天津 300401）

石灰土是目前我國瀝青路面最常用的底基層材料.然而，近年來，瀝青路面的早期破壞現象也日益嚴峻地暴露出來.造成路面早期破壞的原因很多，在施工過程中，由于各種影響因素變異性很大，對路面結構的影響尤為重要.工程實踐表明，石灰土底基層在較短的時間里很難達到設計強度.由于路面結構需要分層施工，在石灰土鋪筑后，在不同的時間進行基層施工，對已鋪筑的石灰土底基層影響如何，一直是施工技術人員關心的問題.實際施工過程中，由于受工期影響，基層開始施工時，石灰土的強度往往還沒有達到設計強度，造成底基層的承載能力有限，若施工機械軸載過大，軸載一次作用就可能造成石灰土的破壞.當發生這種現象時，不僅底基層受到影響，而且還會影響到整個路面結構的后期強度的增長，最終導致瀝青路面通車后發生大面積的早期破壞現象.

為探求基層施工期間，石灰土底基層在汽車輪在作用下內部的力學行為、路面的損壞機理和類型，本文首先通過室內試驗研究，獲得了石灰土不同齡期的各種路用性能.然后利用Bisar3.0程序計算出齡期、施工車輛軸載、水平荷載等各種因素作用下，彎沉、層間剪應力和層底拉應力等力學指標變化規律，這對改善半剛性基層瀝青路面早期破壞現象具有一定的借鑒作用.

1 路面結構力學計算方法

1.1 路面結構參數的確定

以河北省廊坊地區大廣高速霸州互通連接線的路面結構為例，路面底基層采用石灰土.通過對石灰土材料力學性能的試驗研究，在標準養生溫度（20℃）下，不同齡期的抗壓回彈模量如表1所示.

1.2 荷載的確定

以雙輪組單軸載100 kN為標準軸載，在標準荷載作用下，雙圓均布垂直荷載當量圓的半徑為10.65 cm，圓心距始終保持為31.95 cm.考慮到隨著軸重的增加，輪壓和接地面積也隨之增加，本文借助于比利時的軸重與接地面積的經驗公式，依據當前我國道路的實際情況用式 (1)來計算不同軸載下當量圓的面積.

根據對施工車輛的軸載專項調查，發現工程施工車輛主要包括運料車、工程灑水車等.車輛的實際載重量遠遠超過了其設計額定載重量，部分單軸軸重往往會達到20～30 t.本文在計算時主要分析11種荷載的作用情況，其軸載計算參數見表2所示.

此外，車輛在路面上行駛時，路面不僅受到垂直荷載的作用，同時也會受到平行于路面的水平荷載的作用，路面結構在行車的作用下可能受到的水平荷載有：1）車輪滾動產生的滾動摩阻力；2）車輛加、減速產生的阻力；3）剎車過程中可能產生的滑動阻力；4）車輛上下坡時的坡度阻力；5）彎道行使時的離心力.本文中水平力取值分別為0、0.2倍的垂直力.

表1 不同齡期的石灰土路用性能參數Tab.1 Rarametersof limepavementperformance in differentage

表2 軸重與輪胎接地面積、單輪當量圓半徑的關系Tab.2 Relationship of Axle load and tire contactarea,equivalentcircle radius of single wheel

1.3 計算點的選取

確定彎沉的計算點為路表雙圓均布垂直荷載的輪隙中心處，瀝青混凝土路面結構層層底拉應力、層間最大剪應力的計算點與結構層模量、層間接觸狀態有關，經反復試算來確定.

2 基層鋪筑時車輛對底基層與剪應力的影響

基層鋪筑時齡期、軸載、水平力不同時底基層與土基間最大剪應力見表3.

表3 基層鋪筑齡期、軸載不同、水平力（SPF）不同時底基層與土基間最大剪應力Tab.3 Maximum shear stress between subbase and earth subgrade in differentage,axle load

由表3和圖1、圖2分析可知：1）基層鋪筑時，在軸載一定的情況下，隨著齡期的增長，底基層與土基間的最大剪應力不斷增大，但增長幅度越來越小.因為隨著齡期的增長，石灰土底基層抗壓回彈模量也不斷增長，所以底基層與土基間最大剪應力隨著底基層模量的增加而增大.可見，減小底基層回彈模量，可減小底基層與土基間剪應力.2）在齡期一定時，隨著軸載的增大，底基層與土基間最大剪應力不斷增大，并隨著軸載的增加其增大的幅度逐漸減小.由以上數據可知，軸載為200 kN時，底基層與土基間最大剪應力是標準軸載時的1.6倍左右；軸載為300 kN時，底基層與土基間最大剪應力是標準軸載時的2.06倍左右.由此可見，超、重載對層間剪應力的影響很大，所以為了避免路面結構層間發生剪切破壞，應嚴格防止超、重載現象的發生.3）水平荷載為0.2倍垂直荷載時，底基層與土基間的最大剪應力隨齡期、軸載的增長而變化的規律與水平荷載為0時是一致的.水平荷載增加，底基層與土基間的最大剪應力也隨之增長.可見，在垂直荷載和水平荷載的綜合作用下，底基層和土基間更易發生剪切滑移破壞.

3 基層鋪筑時車輛對底基層與層底拉應力的影響

通過對石灰土底基層在標準養生溫度下不同齡期的劈裂強度試驗研究結果可知，石灰土7 d、14 d、21 d的劈裂強度分別為0.07MPa、0.08MPa、0.1MPa左右.但經過運算可知，在施工車輛軸載為100 kN時，石灰土底基層層底產生的最大拉應力在齡期7 d，14 d，21 d下分別為0.371 8 MPa、0.467 8 MPa、0.518 6 MPa，均遠遠超過了石灰土底基層相應齡期的劈裂強度.所以本文只考慮非超載車輛對石灰土底基層產生的最大拉應力情況，見表4.

表4 基層鋪筑齡期、軸載不同，水平力不同時底基層層底最大拉應力Tab.4 Maximum tensile stressunder subbase in differentage,axle load,horizontal force

由表4和圖3、圖4可看出，當齡期一定時，隨著軸載的增加，層底最大拉應力也隨之增長.當施工車輛軸載為20 kN時，各齡期的石灰土底基層產生的最大拉應力已達到了石灰土相應齡期的劈裂強度.因此，為防止石灰土底基層因過大的拉應力而導致破壞，施工車輛單軸載要限制在20 kN以內.從上表還可以看出水平荷載為0.2倍垂直荷載時的底基層底最大拉應力和水平荷載為0時的是一樣的.可見，底基層底拉應力不受水平荷載變化的影響.

4 基層鋪筑時車輛對底基層頂彎沉影響

基層鋪筑時齡期、軸載、水平力不同時底基層頂的最大彎沉見表5.

表5 基層鋪筑齡期、軸載、水平力不同時底基層頂的最大彎沉Tab.5 Maximum deflection above subbase in differentage,axle load,horizontal force

由表5和圖5、圖6分析可知：1）在鋪筑基層時，當軸載一定時候，隨著齡期的增長，底基層頂的最大彎沉值不斷減小，但減小幅度卻越來越小.因為隨著齡期的增長，抗壓回彈模量也不斷增長，所以底基層頂最大彎沉值隨著底基層模量的增加而減小.可見，增大底基層回彈模量，可以有助于降低底基層的回彈變形.2）在齡期一定時，隨著軸載的增大，底基層頂最大彎沉值不斷增大.3）軸載為200 kN時，底基層頂最大彎沉值是標準軸載時的1.98倍左右.可見，相對于層間剪應力、層底拉應力，路表彎沉對車輛軸載的變化更為敏感.考慮到路表彎沉與路面結構的開裂、沉陷、車轍都有很大關，因此要嚴格控制超、重載.4）水平荷載為0.2倍的垂直荷載時的底基層頂最大彎沉值和水平荷載為0時的是完全一樣的.可見，底基層頂彎沉值不受水平荷載變化的影響.

5 基層施工時應變狀態測試和分析

根據理論分析和計算得出在車輛輪胎作用的位置也即是距路緣石內邊緣1.5～2.1m處產生的層底拉應力最大，故而將應力應變片埋設在此處.各應變片之間的間距為60 cm，壓力盒和溫度傳感器均距路緣石內邊緣2.7m，其埋設示意圖如圖7所示.

2010年7月24日對試驗路鋪筑的應變片以及壓力盒進行了加載測試，測試時底基層已鋪筑14 d.測試車后軸采用20 kN，加載時，后軸一側車輪在應變片1的正上方.具體測試結果見表6.

圖7 應變片布置示意圖Fig.7 Strain gauge layoutschematic

表6 底基層層底實際拉應變Tab.6 Practical tensile Strain under subbase

6 結論

本文通過運用力學分析軟件計算了基層鋪筑時，齡期、施工車輛軸載、水平荷載對石灰土底基層的影響，重點研究了拉應力、剪應力和彎沉等指標的變化規律.通過計算分析，得到如下的結論：

1）在齡期一定時，隨著軸載的增大，底基層與土基間最大剪應力不斷增大，并隨著軸載的增加其增大的幅度逐漸減小.軸載為200 kN時，底基層與土基間最大剪應力是標準軸載時的1.6倍左右；軸載為300 kN時，底基層與土基間最大剪應力是標準軸載時的2.06倍左右.由此可見，超、重載對層間剪應力的影響很大，所以為了避免路面結構層間發生剪切破壞，應嚴格防止超、重載車輛在石灰土底基層上行駛.

2）當施工車輛軸載為20 kN時，各齡期的石灰土底基層產生的最大拉應力已達到了石灰土相應齡期的劈裂強度.因此，為防止石灰土底基層因過大的拉應力而導致破壞，在鋪筑二灰穩定碎石基層時，施工車輛單軸載要限制在20 kN以內.同時計算表明，水平荷載為0.2倍垂直荷載時的底基層底最大拉應力和水平荷載為0時的是一樣的，底基層底拉應力不受水平荷載變化的影響.

3）在齡期一定時，隨著軸載的增大，石灰土層頂彎沉值不斷增大.軸載為200 kN時，石灰土層頂彎沉值是標準軸載時的1.98倍左右.彎沉相對于層間剪應力、層底拉應力，路表彎沉對車輛軸載的變化更為敏感.

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