不同區域公路路基的結構穩定性分析

李明軍 王柳殊 黃進進 李響

摘 要：基于道路工程環境中不同區域路基的工程施工和運行特點，以采用層次分析法對雙層路基的結構穩定性進行了分析。結果表明不同區域公路路基隨著荷載作用次數的增加，荷載頻率為1Hz、2Hz和3Hz時的累積應變都呈現逐漸增大的趨勢，且在相同荷載作用次數下，荷載頻率越高則累積應變越小;在相同荷載作用次數下，硬土在相同荷載頻率下對應的累積應變要明顯小于軟土。

關鍵詞：公路;雙層路基;影響因素;結構穩定性

中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）10-0182-03

Analysis of Structural Stability of Highway Subgrade in Different Regions

Li Mingjun， Wang Liushu， Huang Jinjin， Li Xiang

（Sichuan Communication Surveying and Design Institute Co.， Ltd.， Chengdu 610000， China）

Abstract：Based on the engineering construction and operation characteristics of roadbeds in different areas in the road engineering environment， the structural stability of double-layer roadbeds was analyzed by the analytic hierarchy process. The results show that with the increase in the number of load actions on highway subgrades in different regions， the cumulative strains at the load frequencies of 1Hz， 2Hz and 3Hz all show a gradually increasing trend， and under the same number of load actions， the higher the load frequency， the smaller the cumulative strain; under the same number of loads， the cumulative strain of hard soil under the same load frequency is significantly smaller than that of soft soil.

Key words：highway; double-layer subgrade; influencing factors; structural stability

我國高速公路在近年來得到了迅猛發展，這不僅得益于近年來中國經濟的快速發展，也與現代化生活的交通便利需求相關。我國國土面積較大，地質環境復雜，不同區域的路基建設都面臨不同的挑戰，對于高速公路的雙層路基結構，在路基承受循環周期性載荷作用下時，通常會由于路基變形而影響穩定性，這也是路基施工需要面臨的難題[1]。雙層路基在實際運行過程中的穩定性受到眾多因素的影響，比如車載荷載、土層分布、土的物性參數等[2]，如何區分不同影響因素對雙層路基穩定性的影響權重大小，從而針對性的做出預防和補救措施，是保障公路路基穩定性和安全運行的重要組成部分[3]。然而，實際運行過程中的影響參數對雙層路基穩定性的研究報道較少，這不僅與雙層路基穩定性的影響因素較多、較復雜有關，還與不同影響因素之間還會產生耦合作用等有關[4]。為了搞清楚雙層路基的結構穩定性的影響因素及其權重大小，本文采用層次分析法，以車輛荷載參數、土層分布特征及力學參數、土體物理參數和循環作用參數[5]為研究目標，分析其對雙層路基的結構穩定性的影響，結果將有助于公路路基穩定性提升。

1 建模與求解

基于道路工程環境中雙層路基的工程施工和運行特點，建立了雙層路基動力穩定性的層次結構模型[6]。該模型第2層次的影響因素主要包括：車輛荷載參數B1、土層分布特征及力學參數B2、土體物理參數B3和循環作用參數B4，每個第2層次的變量都可劃分為不同的影響參量，即第3層次參量。如車輛荷載參數還可進一步劃分為車輛軸重C1和車速C2的影響，土層分布特征及力學參數可劃分為硬殼層厚度C3和硬殼層厚度硬度C4，土體物理參數劃分為軟土含水率C5和硬土含水率C6，循環作用參數劃分為荷載作用次數C7和荷載作用頻率C8。其中，厚度和硬度作為評價硬殼層的主要考核指標，硬殼層的厚度和硬度越大，則路基的穩定性越高;硬殼層土體的動彈性模量、土體壓實度和壓實系數等都會影響硬殼層的硬度，而硬度可以綜合反映土體的力學性能。

在層次結構模型中，A為目標層、B為準則層、C為因素層，其中目標層和準則層對應的三標度矩陣如下[7]：

因素層則采用正交試驗表來進行分析[8]，具體影響參數包括C1、C2、C3和C4，以動應力峰值作為考核指標。正交試驗在實驗室采用1∶100的小比例模型進行，原始雙層路基寬度為80m、1∶2放坡，實驗室所用到的模型箱的有效尺寸為200cm×150cm×80cm。

2 結果及討論

表1為因素層的正交試驗結果，其中Rj為極差，表征對應影響參數下動應力峰值最大值與最小值的差值，Rj值越大則表明其對動應力峰值的影響越大，該因素在運行過程中的敏感性更高[9]。通過正交實驗法即可得到因素層中不同影響因素的作用權重。對比分析可見，車輛軸重、車速、硬殼層厚度和硬殼層硬度的Rj值分別為0.064、0.005、0.130和0.028。由此可知，Rj值從大至小順序為：硬殼層厚度、車輛軸重、硬殼層硬度、車速，即硬殼層厚度對動應力峰值的影響最大，而車速對動應力峰值的影響最小。

準則層B3的影響因素中包括軟土含水率C5和硬土含水率C6，其影響權重無法通過正交試驗表來表征，這里采用IT300型掃描電鏡來觀察硬土和軟土的顯微形貌。通過硬土和軟土的掃描電鏡顯微形貌可以觀察到兩種不同土體的孔隙率差異，以此來表征土體在不同車輛荷載作用下路基的穩定性[10]。

進一步采用MATLAB軟件對掃描電鏡顯微形貌進行孔隙率統計分析，硬土和軟土的含水率和孔隙率的對應關系如圖1所示。對比分析可知，在相同含水率下，硬土的孔隙率明顯低于軟土，當含水率從18%增加至22%時，硬土和軟土的孔隙率極差分別為1.02%和1.662%，即相同含水率變化下軟土的孔隙率變化幅度更大。通過掃描電鏡形貌觀察和孔隙率統計結果可知[11]，硬土含水率對雙層路基動力穩定性的影響要明顯小于軟土。

通過動三軸試驗對硬土和軟土在不同頻率作用下的土體累積變形進行統計分析，以表征循環作用參數下因素層荷載作用次數C7和荷載作用頻率C8對雙層路基動力穩定性的影響[12]，荷載頻率和荷載作用次數對硬土和軟土累積變形的影響如圖2所示。對于硬土而言（圖2a），隨著荷載作用次數的增加，荷載頻率為1、2和3Hz時的累積應變都呈現逐漸增大的趨勢，且在相同荷載作用次數下，荷載頻率越高則累積應變越小，如相同荷載作用次數下荷載頻率為1Hz的累積應變要高于荷載頻率為3Hz的試件;對于軟土而言（圖2b），隨著荷載作用次數的增加，荷載頻率為1、2和3Hz時的累積應變也都呈現出逐漸增大的趨勢，且在相同荷載作用次數下，荷載頻率越高則累積應變越小，軟土的荷載作用次數、荷載頻率與累積應變關系曲線與硬土相似。對比圖2a和圖2b可知，在相同荷載作用次數下，硬土在相同荷載頻率下對應的累積應變要明顯小于軟土，前者在荷載作用次數5000次以下時的累積應變基本保持在0.18%以下，而后者在相同荷載作用次數下的累積應變接近1.5%。總的來說，無論是硬土還是軟土，相同荷載作用次數對雙層路基動力穩定性的影響要高于荷載頻率。

3 結論

（1）車輛軸重、車速、硬殼層厚度和硬殼層硬度的Rj值分別為0.064、0.005、0.130和0.028，由此可知，Rj值從大至小順序為：硬殼層厚度、車輛軸重、硬殼層硬度、車速，即硬殼層厚度對動應力峰值的影響最大，而車速對動應力峰值的影響最小。

（2）在相同含水率下，硬土的孔隙率明顯低于軟土，當含水率從18%增加至22%時，硬土和軟土的孔隙率極差分別為1.02%和1.662%。硬土含水率對雙層路基動力穩定性的影響要明顯小于軟土。

（3）無論是硬土還是軟土，隨著荷載作用次數的增加，荷載頻率為1、2和3Hz時的累積應變都呈現逐漸增大的趨勢，且在相同荷載作用次數下，荷載頻率越高則累積應變越小;軟土的荷載作用次數、荷載頻率與累積應變關系曲線與硬土相似，且在相同荷載作用次數下，硬土在相同荷載頻率下對應的累積應變要明顯小于軟土。

參考文獻

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