土基頂面壓應變設計指標研究★

郭　偉　商英姿

(1.濟寧市公路工程總公司，山東 濟寧　272115；　2.濟寧市公路勘測設計研究院，山東 濟寧　272115)

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·道路·鐵路·

土基頂面壓應變設計指標研究★

郭偉1商英姿2

(1.濟寧市公路工程總公司，山東 濟寧272115；2.濟寧市公路勘測設計研究院，山東 濟寧272115)

為了建立土基頂面壓應變控制模型，調研了AASHO試驗路的瀝青路面結構和相應車輛荷載作用次數，通過軸載換算，將AASHO試驗路的荷載作用次數換算為我國標準軸載的作用次數，并結合我國的實際情況選取路面結構層所用材料參數，利用彈性層狀體系計算程序，計算了各試驗環道不同路面結構雙輪隙中心處土基頂面壓應變，統計回歸了土基頂面壓應變與標準軸載作用次數的相關關系式，用于我國路面結構設計中土基永久變形的控制。

土基頂面壓應變，永久變形，設計指標，AASHO試驗路

永久變形是粒料柔性基層瀝青路面的主要破壞形式，許多國家把土基頂面壓應變作為主要設計指標，利用限制土基頂面豎向壓應變大小的方法控制路面結構的永久變形。

土基頂面豎向壓應變法是一種適應設計使用的近似方法。Dormon等[1]利用AASHO試驗路的觀測資料(50個試驗段)，按現時服務能力指數PSI=2.5的路面狀況，通過結構反算，建立了標準軸載(80 kN)作用次數與土基頂面容許豎向壓應變的經驗關系式：

εz=aN-b

(1)

其中，εz為路基頂面容許壓應變；N為標準軸載累計作用次數；a，b均為統計回歸系數。

這一壓應變關系式隨后成為殼牌設計方法[2]的一項設計指標，其經驗回歸系數經歷了多次修訂。于1987年，殼牌設計方法又利用AASHO試驗路全部試驗段(300個)的觀測資料，對回歸公式進行了重新整理，得到了不同保證率時的系數值[3]。Edwards和Vakering[4](1974)也基于AASHO試驗路的數據進行了數值分析，建立了土基頂面容許壓應變和軸載作用次數之間的關系式：

εz=2.8×10-2×N-0.25

(2)

由于我國瀝青路面結構的多元化，隨著粒料基層瀝青路面結構的推廣與應用，提出我國的土基頂面壓應變設計指標并建立相應的控制模型已是勢在必行。本文力圖在AASHO試驗路的基礎上，結合我國的實際情況，建立適于我國國情的土基頂面壓應變控制模型，為進一步豐富和完善我國的瀝青路面設計指標和控制模型提供參考依據。

1　AASHO試驗路調研

1.1AASHO試驗路成果

AASHO試驗路[5]包括6個環道，分別為4個大環道(編號為3～6)和2個小環道(編號為1和2)，每一個環道由2個車道組成。3號～6號環道為試驗環道，每個環道的直線段長度為2 074 m，曲線段半徑為61 m，按照40 km/h的速度設置超高。2號環道直線段長度為1 340 m，用于行駛輕型汽車；1號環道直線段長610 m，不行駛汽車。這是國際上空前大規模的道路試驗，其主要成果有：1)得出了路面耐用性指數與路面工作狀態之間的關系，提出以最終耐用性指數PSI=2.5作為主要公路的設計標準，PSI=2.0作為次要公路的設計標準；2)建立了路面設計方法的基本方程，提出了不同設計標準的路面厚度計算列線圖和不同路面材料的等值系數；3)提出了設計時采用的標準軸載(即雙輪組單軸載80 kN)，導出了不同車型軸載與數量間等效關系的軸載換算公式。

1.2AASHO試驗路的柔性路面結構與車輛軸載類型

AASHO試驗路主要有3種柔性路面結構形式，分別為在土基上直接鋪筑瀝青面層的2層結構，在土基上鋪筑粒料基層和瀝青混凝土面層的3層結構和基層分為粒料底基層和粒料基層的4層路面結構。第一、二環道為小環道，第一個環道沒有行駛汽車(主要用于研究環境因素對未加載路面的影響)；第二個環道按三種面層厚度，三種基層厚度和三種底基層厚度共18個柔性路面結構組合修筑試驗路段，用于行駛輕型汽車；其余3環道～6環道為試驗路段，而且每個環道均按三種面層厚度，三種基層厚度和三種底基層厚度共27個柔性路面結構組合修筑試驗路段；各環道采用的柔性路面結構層厚度如表1所示，每一環道采用的車輛軸載類型見表2。

表1　AASHO試驗路各環道采用的柔性路面結構層厚度

表2　AASHO試驗路各環道采用的車輛軸載類型

2　土基頂面壓應變設計指標控制模型的建立

2.1軸載換算

AASHO路面結構設計方法規定：標準軸載為18 000 lbf(80 kN)，接地壓強0.49 MPa，雙圓當量半徑δ=11.5 cm，AASHO試驗路中不同軸荷與標準軸載的當量換算系數見表3[6]。

利用表3中的軸載系數換算，可以把AASHO試驗路各試驗環道不同軸載的荷載作用次數換算成標準軸載80 kN的荷載作用次數，換算結果見表4。

同時根據表3中的軸載換算系數，利用內插法得到我國標準軸載與AASHO標準軸載的作用次數換算公式：

N100=N80×0.419 5

(3)

按照式(3)就可以把PSI=2.5所對應的各試驗環道的標準軸載(80 kN)作用次數換算為我國標準軸載(100 kN)的作用次數，換算結果見參考文獻[7]。

表3　AASHO路面結構設計方法中的軸載當量換算系數(PSI=2.5時)

表4　AASHO試驗路試驗環道的軸載系數

2.2土基頂面壓應變計算

1)路面結構層所用材料參數選取。在選取路面材料參數之前，利用試驗環道的瀝青路面結構，分析了材料參數影響土基頂面壓應變的敏感性[7]。分析結果表明，面層模量和基層模量的變化對土基頂面壓應變的影響幅度為3%～10%，敏感性較低，而土基模量的變化對土基頂面壓應變的影響幅度為40%，敏感性較大，結合我國的實際情況，最終選取的路面結構層所用材料參數如表5所示。

表5　路面結構層所用材料參數

2)土基頂面壓應變計算結果。把AASHO試驗路各試驗環道的柔性路面結構假設為線彈性層狀體系，以雙輪組單軸載100 kN為作用荷載，利用彈性層狀體系計算程序BISAR3.0，計算土基頂面

雙輪隙中心點處的壓應變值，計算結果見參考文獻[7]。

3)土基頂面壓應變控制模型的建立。根據各試驗環道不同路面結構的土基頂面壓應變計算結果，以及換算后與之對應的我國標準軸載作用次數，對二者按照冪指數形式進行數學統計回歸(見圖1)，得到土基頂面壓應變控制模型如下：

εz=1.39×10-2N-0.236 6，R2=0.694 6

(4)

3　結語

1)以AASHO試驗路為基礎，提出了控制粒料基層瀝青路面結構永久變形的土基頂面壓應變設計指標，建立了適合我國國情的土基頂面壓應變控制模型如下：

εz=1.39×10-2N-0.236 6。

2)進一步豐富和完善了我國的瀝青路面結構指標和控制模型，但模型公式未進行現場修正，有必要在下一步的工作中對控制模型進行修正與驗證。

[1]Dormon K.R.The extension to practice of a fundamental procedure for the design of flexible pavements[C].Proceedings, International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements.Ann Arbor,1962:785-793.

[2]戴維.懷特奧克·殼牌瀝青手冊[Z].北京：殼牌(大中華)集團，1995.

[3]Gerristsen A.H.， Koole R.C.Seven years’ experience with the structural aspects of the Shell pavement design manual[C].Proceedings,6th International Conference on Structural Design of Asphalt Pavements,Ann Arbor,1987:94-106.

[4]Edwards,J.M., Valkering,C.P.Structural Design of Asphalt Pavements for Road Vehicles-the Influence of High Temperatures[J].Highway and Road Construction,1974(15):125-127.

[5]AASHO.The AASHO Road Test，Special Report 61F[R].Washington，D.C.:Highway Research Board,1962.

[6]姚祖康.公路設計手冊：路面[M].北京：人民交通出版社，2006：156.

[7]高啟聚.土基與粒料層永久變形設計指標和控制模型研究,SDJTKYS2011-2[R].濟南：山東省交通科學研究所，2011.

Research on design index of compressive strain on top of subgrade soils★

Guo Wei1Shang Yingzi2

(1.JiningHighwayEngineeringGeneralCorporation，Jining272115,China；2.JiningHighwaySurveyandDesignResearchInstitute,Jining272115,China)

In order to create controlling model of compressive strain on top of subgrade soils， asphalt pavement structures and corresponding number of vehicle load repetitions of AASHO test road were surveyed, and number of vehicle load repetitions of AASHO test road was converted into number of Chinese standard axle load repetitions by way of axle load conversion. Combined with Chinese specific characteristics, material parameters of pavement structure layers were selected, and mul-layer elastic system calculation program was used to calculate compressive strain on top of subgrade soils located in double gap center point of different pavement structures, statistical regression formula between compressive strain on top of subgrade soils and corresponding number of Chinese standard axle load repetitions was obtained in order to control permanent deformation of subgrade soils during the process of pavement structures design.

compressive strain on top of subgrade soils, permanent deformation, design index, AASHO test road

1009-6825(2016)23-0142-02

2016-06-10★:山東省交通科技計劃項目(項目編號：2009Y017)

郭偉(1972- )，男，高級工程師

U416.217

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