高速公路路基沉降及路面動力特性探討

蘇清波

摘 要：伴隨我國現(xiàn)代經(jīng)濟建設的不斷發(fā)展，高速公路的建設也得到了快速發(fā)展。高速公路在近些年的通車情況中發(fā)現(xiàn)了龜裂、車轍、斷裂和沉陷等現(xiàn)象，嚴重影響了高速公路的使用壽命和交通安全。本文通過對高速公路路基沉降變形預測技術的分析，對路基路面結構動力特性在交通荷載作用下的問題進行探討。

關鍵詞：高速公路 路基沉降 路面動力 特性探討

在高速公路建設快速發(fā)展的當下，全國高速公路網(wǎng)絡已形成了縱穿南北、橫貫東西、高效便捷的網(wǎng)絡系統(tǒng)。我國高速公路有剛性水泥混凝土的組成，也有其柔性瀝青混凝土的組成，其中有三十年限設計的是剛性水泥混凝土，而柔性瀝青混凝土路面有不少于十五年的設計年限。但根據(jù)近年出現(xiàn)的一些高速公路路面結構損壞的情況來看，導致這些現(xiàn)象發(fā)生的主要是原因有路基長期的不均勻沉降，以及交通長期荷載的作用力。

1.路基工程建設的概述

在建設高速公路路基的工程中，分為路塹路基、半填挖路基和高填方路基。伴隨我國高速公路的逐漸發(fā)展，其建設工程在眾多山區(qū)中也進行了投入，但竣工后的路基工程因地形變化大、地質(zhì)結構復雜、地勢起伏程度高等原因，于是就會時常出現(xiàn)路基沉降的現(xiàn)象。路面結構會在路基大面積沉降中出現(xiàn)不良現(xiàn)象，如沉陷、裂縫或者斷裂等，嚴重影響到高速公路的使用壽命，給交通安全帶來隱患。因此建設高速公路工程中的路基工程是非常關鍵的步驟，要不斷地去加強基沉降的建設與鞏固地基沉降的建設。

我國高速公路多以山區(qū)地帶為主，且溝壑的存在也較為頻繁，高速公路路段上有著極為復雜的全線地質(zhì)構造，還有較多的陡坡。水流經(jīng)常沖刷路塹邊坡的巖土，其穩(wěn)定性會被外界地表水的沖刷所影響，同時還受到地下水的影響，從而使其穩(wěn)定性有所減弱，致使局部出現(xiàn)一些沉降現(xiàn)象，或者還會引起變形以及滑塌等。因此需要對高填路基認真分析，同時對其進行必要的觀察，找出使其問題的原因所在，然后制定相應的預防措施加以預防，在一定程度上解決路基沉降等問題 。

2.高速公路長期路基沉降變形預測技術

高速公路中有著眾多因素導致路基長期沉降，這些因素之間相互影響聯(lián)系。因此，對其內(nèi)容進行研究將是個十分復雜的過程。在長期的路基沉降中，其影響因素可分為兩個方面，一是微觀方面，二是宏觀方面。微觀方面主要是土粒蠕動的變化，宏觀方面主要是排水固結沉降。因此，科學研究者以及相關設計人員要對這些影響因素做出一個怎樣的科學預測，顯得尤為重要。

2. 1預測路基沉降方法的概述

預測路基沉降有多種方法，如灰色系統(tǒng)法、理論公式法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法和數(shù)值分析法等，以下筆者重點就兩種方法進行詳細介紹。

2.2采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡的方法

這種方法是讓非線性映射代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)實數(shù)學公式，因為這種方法有相對較高平行處理能力，所以線性的優(yōu)越性會在非線性問題的處理上得到體現(xiàn)。沉降之間的非線性關系與沉降影響因素參數(shù)的建立，在高速公路做地基沉降預測時就需要在建立的時候被確定出來，然后在人工神經(jīng)網(wǎng)絡訓練好以后把實際需要測量的沉降影響因素放入預測地基點當中，從而計算出預測沉降量的結構。

2.3采用曲線擬合的方法

這種方法主要是擬合沉降預測曲線類似的曲線的方法，再計算后期沉降量的方法。其準確性很大程度上與預測人員的經(jīng)驗是息息相關的，普遍采用的方法有雙曲線法、三點法、對數(shù)曲線法和圖解法。

在沉降預測的所有方法中，推算出沉降量的準確結果需要從填筑時就要開始進行路基沉降的觀測。對沉降進行預測的過程中，在綜合預測開始進行之前，對多種方法的采用要按照實際情況進行靈活選擇。

2.4 高速公路路基沉降控制

由于高速公路中要求有著相對較高路基沉降標準，通常在設計年限內(nèi)的路面，在施工后對沉降量都會有必要的要求，所以沉降控制在路基施工以后顯得尤為重要。又因為影響路基沉降有著非常多的因素，一個相對統(tǒng)一的沉降速率標準在我國目前的高速公路建設中仍然還沒有形成。因此，實測沉降速率法和實測工后沉降法是在實際工作中最常用來判斷路基沉降穩(wěn)定性的依據(jù)。

3.路基路面結構動力對其交通荷載作用下的研究

根據(jù)以上推論來說，高速公路路面結構的破壞通常是由車輛動態(tài)荷載和車輛超載超限所導致的，在高速公路上由于動態(tài)荷載具有多變性、不可避免性以及不確定性。因此，動態(tài)荷載的分析更加復雜，也更為重要。

3. 1路面表面激勵特性的分析

高速公路路基由于施工環(huán)境因素的影響，不平整性的問題，不管是新建的道路，還是經(jīng)過多年營運的老路，在不同程度上都有所存在。而車輛在行駛中的震動也正是由于路面的不平整所引起的，路面的附加動載荷也會隨著車輛的震動隨之增加，那么路面的損壞程度就會遭到加劇。所以判斷公路表面的激勵特性，然后對其進行認真分析，才能將高速公路設計得更加合理。

路面的凹凸程度主要有理想平面豎向偏差及其頻譜組成。測量路面凹凸程度是一項十分困難的工作，但又是一項必不可少的重要過程，因為這項過程能夠把參照系在測量者和路面凹凸程度中給確定起來，測量結果的影響因素與測量工具的選用也有著直接關聯(lián)。在高速公路測量不平整性的方法中較為常用的方法主要有動態(tài)反映法和靜態(tài)反應法。其中動態(tài)反應法可以通過車輛反應判斷路面凹凸程度，是一種對測量起到輔助性的間接形式方法。而靜態(tài)反應法對道路不平整性的測量主要是通過分析面類平整度儀，再測量路表的斷面結果 。

3.2路面不平整程度的分析

高速公路路面平整程度的測量可通過三米尺反映出不平整的程度，如果高速公路路面不平整程度的幅度變化及高低起伏變化用三米尺得不到準確的反映，就需要采用統(tǒng)計模型進行分析綜合特性。因為大量測量隨機場是一項尤為復雜的工作，所以需要對空間上的均勻性平穩(wěn)分析在隨機振源構造的統(tǒng)計模型中進行假設振源。由于是有限的分析高速公路路面不平整程度的技術水平，所以當前是通過沿縱向作一維測量來對高速公路道路表面的不平整程度進行分析。

3.3車輛隨機動荷載特性的分析

因為車輛動荷載屬于隨機荷載，很多因素與這樣的荷載緊密相關，比如路面的材料特性、路面不平整的程度、車輛的速度、車輛的型號以及車輛中固有的頻率等。而其中的路面不平整程度是在這些影響因素當中，最重要的影響因素就是車輛動荷載。車輛因為行駛在了不平整的路面上，就會引起車輛振動。而車輛振動附加荷載的產(chǎn)生又對路面結構施加了壓力，導致了車輛激勵振動系統(tǒng)的形成，同時也會形成路面激勵振動系統(tǒng)，而在這個系統(tǒng)中的每一個參數(shù)彼此之間又會產(chǎn)生影響。根據(jù)車輛隨機振動的統(tǒng)計規(guī)律可以用一種隨機過程理論進行解釋和描述。

3.4分析影響車輛動載的參數(shù)規(guī)律

因為各種車型的不同、車輛質(zhì)量的不同、車輛大小的不同以及其輪胎系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)和軸分配結構等因素的變化，使得高速公路路面損壞的程度也會因此有所不同，所以，車輛對高速公路路面的影響在一定控制條件下，要有針對性的規(guī)律研究，這一件是必不可少的事情。車輛動載在通常情況下，其軸距如果有所增加那么車輛動載也會隨之增加，車速的升高會根據(jù)軸距的增加而產(chǎn)生升高的變化，而車輛動載的減少會根據(jù)載荷的增加而發(fā)生，所以車輛動載不會由于輪距的改變而產(chǎn)生相對影響的情況。

4.結語

路基在高速公路的公路建設中是最為關鍵的基礎，也是尤為重要的核心部分，所以工作人員要將靜載與動載對路面的影響充分考慮到設計中，避免使用投入后的高速公路在短期內(nèi)就出現(xiàn)龜裂、坍塌和路基沉降等問題。高速公路路基沉降是由于受到諸多因素的影響，它是一個相當復雜且難以解決的問題。在高速公路上行駛的車輛對其路面所施加的荷載是一個隨機變量，這個隨機變量存在著復雜的非對稱性，所以對高速公路路基沉降及路面動力特性還需要付出更多的努力。

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