車輛行駛荷載作用下路基形變分析

丁 胤

（貴州路橋集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

近年來，隨著我國高速公路建設技術的愈加成熟，對路基結構的耐久性提出了更高的要求。如何確保路基在行車荷載的持續影響下仍滿足正常通行要求十分關鍵[1]。根據調查顯示，路基病害部位會嚴重侵蝕路基結構，隨著時間推移持續進行不利作用，大大降低其使用性能，影響行車安全，縮短使用年限。該文結合某高速公路實際工況，通過計算機模擬技術進行路基形變因素分析[2]。對質量缺陷路基在各種速度和軸向荷載影響下產生的縱、橫向形變情況進行了全面探討，得出病害要因及發展趨勢，為類似工程提供參考。

1 工程概況

某高速公路采用雙向四車道，各車道寬約3.5 m。路面層自上而下依次為面層、基層和底基層，總體厚度為0.8 m。路面層下方為路堤，坡度為1∶1.5，厚1.5 m，路堤表面存在厚0.7 m的缺陷層，為研究缺陷層對路堤的具體影響，運用數值法對其進行分析。路堤模型如圖1所示。

圖1 路堤模型示意圖

2 數值建模

利用數值模擬手段對路基形變響應進行分析，首先通過室內試驗可以獲取路基土的關鍵參數，利用現場測試傳感器可以獲得路基動態形變響應，并作為數值模擬基準[3]。該文主要通過采用現場測試的方法，獲得車輛荷載下的路基形變響應，為數值模擬計算提供參考。

2.1 網格劃分

汽車通行荷載是典型的動荷載，文章選擇ABAQUS系統中的EXPLICIT功能對其實施分析。圖2為路基模擬圖，為保證運算速度，選擇前半部分參與模擬。模型規格為：28 m（x軸）×35 m（y軸）×23 m（z軸），由上而下分別是路面層、路堤、缺陷層、基層，相關力學指標和土層厚度見表1。選用摩爾－庫倫理論進行模擬，為能夠科學有效地研究質量缺陷造成的危害，對缺陷部位實施網格化加密處理，缺陷部位在y軸的長度為14.5 m。共建立網格25 568個，采用六面體單元網格。

表1 土體物理力學指標

圖2 數值模擬圖

選擇ABAQUS軟件，用AMPLITUDE模塊來完成交通荷載的變化，利用DLOAD程序完成荷載移動。為研究各種荷載的作用，結合文獻，分別選取100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 4種荷載參與研究，具體如表2所示。

表2 車輛荷載形式

2.2 模擬工況

為對各種速度和行車荷載作用下路基的沉降形變情況進行分析，如表3所示，選取行車速度為40 km/h、60 km/h、80 km/h三種狀況，車輛軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN四種狀況，施加荷載5 000次，共計12種情況。

表3 模擬工況

3 車輛速度和軸向荷載對路基形變分析

3.1 車輛沿行駛方向的路基沉降分析

行車速度達到40 km/h、60 km/h、80 km/h時，車輛軸向荷載在100 kN、125 kN、160 kN、185 kN時，沿車輛行進方向的路基沉降分布情況如圖3所示，通過對圖中185 kN軸向荷載影響下正常部位和缺陷部位路基的形變量比較分析，圖3a）能看出行車速度保持40 km/h勻速狀態下，路基形變量隨軸向荷載的增大而逐步增大，在不同軸向荷載作用下，水平4 m位置處所產生的形變量最大，當軸向荷載分別施加至100 kN、125 kN、160 kN、185 kN時，所產生的沉降值依次為13.2 mm、17.1 mm、21.9 mm、25.1 mm。而正常部位路基產生的最大形變量為12.6 mm，和相同狀況下缺陷部位路基相比，其形變量降低了49.8%。

通過圖3b）能夠看出，車輛以60 km/h的速度勻速行駛時，路基形變量隨軸向荷載的增大而逐步增大，在不同軸向荷載作用下，水平4 m位置處所產生的形變量最大，當軸向荷載分別施加至100 kN、125 kN、160 kN、185 kN時，所產生的形變量依次為12.8 mm、15.7 mm、19.6 mm、24.2 mm。而正常部位路基產生的最大形變量為11.7 mm，和相同狀況下缺陷部位路基相比，其形變量降低了51.7%。

通過圖3c）可以看出，車輛以80 km/h的速度勻速行駛時，路基形變量隨軸向荷載的增大而逐步增大，在不同軸向荷載作用下，水平4 m位置處所產生的形變量最大，當軸向荷載分別施加至100 kN、125 kN、160 kN、185 kN時，所產生的形變量依次為10.1 mm、12.6 mm、15.8 mm、18.8 mm。而正常部位路基產生的最大形變量為8.5 mm，和相同狀況下缺陷部位路基相比，其形變量降低了55%。

圖3 沿行駛方向路基沉降圖

需要特別強調的是，汽車勻速前進時，各種軸向荷載作用下的路基形變量曲線相同，而當速度發生改變時，該曲線產生差異性變化[4]。當速度達到40 km/h時，其曲線呈“W”形；當車速達到60 km/h和80 km/h時，曲線呈“V”形[5]。同時，相同狀況下，路基沉降隨著速度的增加而降低。

3.2 道路橫斷面路基沉降分析

行車速度達到40 km/h、60 km/h、80 km/h時，車輛軸向荷載在100 kN、125 kN、160 kN、185 kN時，沿公路橫斷面的路基沉降分布情況如圖4所示，同時，在圖中對185 kN軸向荷載影響下正常部位和缺陷部位路基的形變量比較分析。通過圖4a）能夠看出，在距道路中心線6.5 m位置處，路基沉降曲線兩端總體呈現對稱狀態，在車輪位置處的沉降值最大，且車輪外圍300~600 mm范圍內產生了凸起，而車輛下部的路基和車輪處相比沉降量較小[6]。行車速度保持40 km/h勻速狀態下，路基形變量隨軸向荷載的增大而逐步增大，在軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN時，所產生的沉降值依次為13.8 mm、14.3 mm、22.1 mm、25.5 mm。而正常部位路基產生的最大形變量為12.5 mm，和相同狀況下缺陷部位路基相比，其形變量降低了51.0%。

圖4b）為車輛以60 km/h的速度勻速行駛時公路橫斷面路基形變量變化曲線，它和速度為40 km/h時曲線狀態相同。當車輛保持60 km/h的速度勻速行駛時，路基沉降值隨軸向荷載的增大而逐步增大，在軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN時，所產生的沉降值依次為12.6 mm、16.2 mm、20.7 mm、23.9 mm。而正常部位路基產生的最大形變量為11.5 mm，和相同狀況下缺陷部位路基相比，其形變量降低了51.9%[7]。

圖4c）為行車速度在80 km/h時公路橫斷面路基沉降形變曲線，它和速度為40 km/h、60 km/h時曲線狀態相同。當車輛保持80 km/h的速度不變時，路基沉降值隨軸向荷載的增加而逐步增大，在軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN時，所產生的沉降值依次為10.8 mm、13.0 mm、16.9 mm、19.1 mm。而正常部位路基產生的最大形變量為8.8 mm，和相同狀況下缺陷部位路基相比，其形變量降低了53.9%[8-9]。

圖4 沿道路橫斷面路基沉降圖

通過對圖4a）、圖4b）、圖4c）的比較能夠看出，行車速度變化對公路橫斷面路基形變量無影響，當軸向荷載達到185 kN時，正常路基和相同狀況下病害路基相比，沉降值至少降低了50%左右。同時，同等條件下，路基沉降量隨車輛速度的增加逐步降低。

4 結論

結合某高速公路工程實際，通過計算機模擬技術對產生質量缺陷的路基，在各種速度和軸向荷載影響下產生的縱、橫向形變情況進行了全面探究，并得出以下結論：

（1）沿汽車前進方向，路基沉降值隨行車荷載的增加而逐步增加，而相同狀況下，其形變量隨車輛速度的增加而逐步減小。當車輛軸向荷載增加到185 kN，行駛速度分別處于40 km/h、60 km/h、80 km/h狀態時，正常路基比缺陷路基的形變量分別降低了49.8%、51.7%、55%。

（2）汽車勻速前進時，隨汽車前進方向各種軸向荷載作用下的路基沉降變化曲線相同，而當速度發生改變時，該曲線產生差異性變化。當速度達到40 km/h時，其曲線呈“W”形；當車速達到60 km/h和80 km/h時，曲線呈“V”形。

（3）沿公路橫斷面方向，路基形變量隨車輛軸向荷載的增加而逐步增加，隨速度的增加而減小。當車輛軸向荷載增加到185 kN，行駛速度分別處于40 km/h、60 km/h、80 km/h狀態時，正常路基比缺陷路基的形變量分別降低了51.0%、51.9%和53.9%。