車輛荷載下填方路基作用影響深度研究

陳元林

（江西省交通投資集團有限責任公司宜春管理中心，江西 宜春 330802）

車輛荷載是高速公路建成運營后一種長期循環(huán)的主要動荷載，根據(jù)以往研究發(fā)現(xiàn)，在相同條件下時，基礎(chǔ)變形在動荷載與靜荷載同時影響下，車輛動載的影響程度要大于路面靜載的影響程度。尤其高速公路建設(shè)在軟土路基上，車輛行駛荷載對路基基底以下地基的變形影響明顯大于靜載的影響。雖然目前我國正在倡導(dǎo)節(jié)約型、綠色公路建設(shè)，在條件允許的平原地區(qū)最大限度地減小路基土體的填筑高度，推薦在條件允許情況下優(yōu)先采用低填路堤的設(shè)計方案，該方案不僅可以減少造價、節(jié)約稀有的土地資源，同時還能使公路建設(shè)與自然環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一。但是采用低路堤方案也同樣存在問題，那就是隨著路基填土高度降低，汽車荷載的作用深度也會隨之發(fā)生變化；對于軟土路基公路，采用低路堤方案，部分軟土地基在交通循環(huán)動荷載作用下，將導(dǎo)致更大的沉降變形；高速公路為了滿足運行要求一般對其路堤的工后沉降量有嚴格限制，尤其對于軟土地基；要研究地基沉降是由交通動荷載引起的，那么從路面頂高就開始研究在不同車輛類別荷載作用下，車輛荷載對路面、路基的作用深度的影響是十分重要的，這樣就可以有針對性地對路基基底以下軟土地基進行處理。

李又云等[1]在做了大量的動態(tài)三軸試驗后，并在分析試驗成果的基礎(chǔ)上，通過試驗的方法，深入研究了黃土路堤壓實后在動態(tài)車輛荷載下動力特性的響應(yīng)；高玉峰等[2]把我國車輛行駛動載和超載的普遍現(xiàn)象進行了對比分析，而且將車輛行駛的動載進行當量等效，簡化成為靜載作用在路面上，在軟土地基上利用分層總和法計算公路路基，交通車輛行駛過程中車輪動荷載會引起附加變形沉降。魏星等[3]提出了循環(huán)心形應(yīng)力路徑適用于飽和軟黏土殘余變形的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停瑫r通過對眾多試驗成果的驗證模擬，建議了一種在考慮荷載移動速度影響下的路基沉降實用算法；馬霄等[4]通過將循環(huán)荷載作用作為影響因素得到了經(jīng)驗顯式本構(gòu)模型，并在本構(gòu)模型經(jīng)驗顯式基礎(chǔ)上等效發(fā)展了有限元計算方法，達到了計算路基基底在長期交通移動荷載下的附加沉降；邊學(xué)成等[5]建立了三維分析模型，該模型考慮了車輛行駛荷載作用和地基動力相互作用，利用黏性軟土的塑性理論即累積應(yīng)變理論模型，最終得到了路基基底在長期車輛動荷載作用下，其由車輛動荷載引起的附加沉降的計算方法。呂璽琳等[6]提出了軟土路基在長期交通動荷載的影響下簡化為靜力影響沉降的計算模型，該模型是在彈性理論解積分和常規(guī)的分層綜合法相結(jié)合的基礎(chǔ)上建立的，此計算模型計算了車輛行駛荷載在路基中的動應(yīng)力，同時發(fā)現(xiàn)了路基沉降和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。張睿等[7]對累積變形塑性理論計算模型進行了優(yōu)化改進，即將軟土的靜偏初始應(yīng)力的影響因素也納入考慮范圍之內(nèi)，繼而對累積變形塑性計算模型進行了改進，并在某條高速公路路基為低路堤的情況下，路基在交通移動荷載下的累積沉降進行了計算分析。另有學(xué)者采用現(xiàn)場試驗方法，即利用動力試驗得到低填路堤下地基的豎向應(yīng)力大小，由車輛交通荷載所附加的應(yīng)力大約是其路基自身填土重的4~5倍；由該動荷載[8]引起的沉降即工后沉降約占最終沉降量的一半。同時通過其他工程實例進行試驗，發(fā)現(xiàn)車輛荷載的主要影響深度位于填筑路基基底面以下6 m范圍左右，這不僅為在道路交通行駛動荷載的作用下計算路基沉降，路基工作區(qū)的深度提供了借鑒參考，而且也為路堤的設(shè)計提供了重要的支撐。

基于以上原因，本文將對車輛荷載下填方路基作用影響深度做進一步探討與研究。

1 計算方法

不同類型車輛其荷載不同，即使額定載重量相同的汽車在實際應(yīng)用中也有空車、半載、滿載和超載之分，在工程實踐中，道路上車輛型號分布和貨物等堆放位置各不相同，均處在動態(tài)變化中，不盡相同，因此需要有反映實際裝載量因素的軸載模型。

根據(jù)對以上文獻的學(xué)習(xí)參考，本文將車輛動荷載與路基填土自重分2種情況來考慮，即將車輛動荷載與路基填土自重分開考慮和將車輛動荷載與路基填土自重作為整體來考慮，計算模型如圖1所示。

圖1 理論計算模型

1.1 按照附加荷載影響深度

車輛簡化荷載[9]：路基在某一深度Za處，當垂直應(yīng)力σ0即由車輪荷載引起的豎向應(yīng)力與填筑路堤填土自身自重引起的豎向應(yīng)力，即垂直應(yīng)力σcz，當其比值σ0/σcz≤（0.1～0.2）時，假定忽略可以不計，則其比值大于0.1~0.2時，該深度Za范圍內(nèi)的路基便稱為車輛荷載應(yīng)力引起的路基工作區(qū)，計算式如下

式中：Za為車輛荷載引起的路基工作區(qū)的作用深度，m；P為由車輪引起的豎向荷載；K為系數(shù)，K=3/（2×π）=0.5；γ為填筑路堤的填土容重，kN/m3；n為系數(shù)，n=5~10。

1.2 路面當量計算厚度

路面上的車輛荷載作用是復(fù)雜的力學(xué)問題，首先從作用性質(zhì)來分，分為靜荷載和動荷載；從作用的方向來看，有水平荷載和垂直荷載之分；從作用頻度和時間來說，不僅有如駐車時車輛施荷作用較長的長時間荷載，還有瞬時、多次反復(fù)作用的荷載，諸如運營道路上行駛車輛施加的荷載。交通移動荷載作用下，行駛車輛作用于道路路面的作用力大致分為：車輪接觸道路表面產(chǎn)生的垂直壓力，由于變速、變向、爬坡和下坡等動作產(chǎn)生的車輪對道路表面作用的水平作用力，由于車輛振動通過輪胎對路面施加的動態(tài)作用力，車輛高速行駛時車尾局部真空對路面產(chǎn)生的吸力。車輛行駛產(chǎn)生的水平作用力對路面性能有較大的影響，眾多研究人員做了大量的工作并取得了一些有意義的成果。

因路面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度、路面結(jié)構(gòu)的材料性能參數(shù)諸如空隙率、容重等均與路基填土相差甚大，加之路基、路面不是同性均質(zhì)體，從路面設(shè)計標高計起，其以下隨路面的結(jié)構(gòu)強度、路面結(jié)構(gòu)的厚度等增加而作用的實際路基工作區(qū)影響深度減小，基于此，計算車輛荷載作用下，路基范圍內(nèi)工作區(qū)的深度首先需將路面折算為與路基同一性質(zhì)材料的當量厚度后，才能繼續(xù)開展下一步的深度計算。

路面結(jié)構(gòu)層厚度與路床同材質(zhì)厚度的換算[10]

式中：Ze為路面結(jié)構(gòu)層等量換算為路基土層的當量厚度，m；h為路面結(jié)構(gòu)層的原始厚度，m；Em，Ec分別為路面、路床材料的回彈模量，MPa；m為次方的指數(shù)。

2 車輛荷載影響深度分析

2.1 項目概況

滬昆高速公路在江西境內(nèi)東起梨園主線收費站，途經(jīng)上饒、鷹潭、南昌、新余、宜春市及萍鄉(xiāng)市進入湖南境內(nèi)，橫穿江西中部的22個縣（市、區(qū)），聯(lián)接多條國道、省道，是國家十字網(wǎng)的重要組成部分。該項目總體路線走向由東向西，與既有高速公路重合，起點樁號為養(yǎng)護樁號K811+000，經(jīng)宜春樟樹市黃土崗鎮(zhèn)、中州鄉(xiāng)，新余市羅坊鎮(zhèn)、水西鎮(zhèn)和下村鎮(zhèn)，終于觀巢鎮(zhèn)港背村，終點樁號K857+523，全長46.475 km。本標段位于江西省樟樹市、新余市2市范圍內(nèi)，項目區(qū)主要為贛江水系。區(qū)內(nèi)以丘陵及河谷地形為主，切割較淺，山峰海拔約155～315 m，相對高差一般小于200 m。區(qū)內(nèi)構(gòu)造線方向與山脈走向基本一致，多呈北東東向延伸，地勢總體上略顯西高東低。根據(jù)地貌成因類型及形態(tài)特征，將擬建路線通過區(qū)段的地形地貌劃分為丘陵地貌及河谷地貌2大類。項目區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，熱量豐富，春秋季短而夏冬季長，四季分明，冬季冷而夏季熱，春季濕而秋季干，降水充沛，日照充足。年平均氣溫16.2~17.7℃，東南部較高，西北部較低；年平均降水量為1 624.9 mm；地層巖性主要為第四紀（Q）殘坡積層（Q4el+dl）、第四紀（Q）沖洪積層（Q4al+pl）、第四紀（Q）殘坡積層（Q2el）和新近系新余組（Ex）砂巖、礫巖及砂礫巖，以及侏羅紀下統(tǒng)水北組（J1s）、三疊紀上統(tǒng)安源群（T3A）和石炭系下統(tǒng)梓山組（C1z）等砂巖、頁巖等。

2.2 計算資料

根據(jù)表1、表2所示，本文利用某段路基、路面資料進行計算。

表1 路面結(jié)構(gòu)層模量[10]

表2 路基及基底基本巖土參數(shù)

按式（1）計算車輛荷載作用深度

按式（2）計算路面當量厚度

路面的當量厚度Ze是從路面結(jié)構(gòu)層以下，即路基頂面層位路床頂開始算起，車輛行駛移動荷載影響的路基范圍內(nèi)工作區(qū)Za減去路面等效為路基材料當量厚度Ze即為路基頂面即路床以下土基中的作用區(qū)深度。

由以上可知，車輛移動行駛荷載作用力傳遞到的作用范圍深度與路面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)層厚度及路面材料有關(guān)，在該項目路面結(jié)構(gòu)下，作用到路基的深度為1.1 m，一般情況下，高速公路的路床厚度基本為1.2 m。

如圖2所示，當車輛荷載、路面結(jié)構(gòu)及路基填筑土方按照整體考慮，作為條形附加荷載作用在地基上，仍按照豎向垂直附加應(yīng)力與基底土體豎向自重引起的自重應(yīng)力的比值確定。

圖2 車輛荷載作用下路基作用深度

在不同路基填筑高度，影響深度范圍由圖3可知，隨著路基填筑土體高度的增加，豎向附加應(yīng)力的影響深度隨之加深。

圖3 車輛荷載與路基共同作用地基影響深度

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)詳勘及設(shè)計資料，確定了該路的等級、路面結(jié)構(gòu)層厚度及結(jié)構(gòu)層材料模量，與地基土層分布情況，由圖1可知，在100 kN的車輪移動荷載下，作用于路基的深度為3.0 m，路面結(jié)構(gòu)層的層厚93 cm，換算為路基填筑土體等效材料的當量模量后的深度為1.9 m，故作用在路面結(jié)構(gòu)以下即路床的深度為1.1 m，且車輛荷載在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)快速衰減，在2.4 m的深度時，輪載產(chǎn)生的附加壓力為路基填土自重的0.2倍，在3.0 m時，輪載產(chǎn)生的附加壓力為路基填土自重的0.1倍。

當將車輛荷載與路基填土共同作為附加壓力作用于地基上時，假定地基30 m范圍內(nèi)均為土質(zhì)，無基巖存在，則隨著路基填筑高度增加，與地基0.2倍自重應(yīng)力和0.1倍自重應(yīng)力的交點也在逐漸加深。

3 結(jié)論

（1）車輛荷載傳遞至填方路基的深度與路面結(jié)構(gòu)層的厚度、材料及其模量有關(guān)，路面結(jié)構(gòu)層越厚，材料模量越大，車輛荷載衰減越快，傳遞至路基內(nèi)部的深度越小，若路基填筑的土體高度大于車輛荷載的作用深度，則車輛動荷載對軟土地基的影響就越小，可將車輛荷載作為靜荷載進行考慮。

（2）若將車輛荷載按照靜載與填方路基一同作為附加應(yīng)力考慮作用于地基之上，則路基填土高度越高，對地基的承載力要求就越高，附加應(yīng)力傳遞至基底的深度就越大。