瀝青路面路基工作區(qū)深度影響因素的研究

劉小蘭，陳 郝，李自林

(1.天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，天津市津靜路26號(hào) 300384；2.北京建工六建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京市海淀區(qū)玉泉路甲2號(hào) 061001；3.河北省巖土工程安全與變形控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北水利電力學(xué)院)，河北省滄州市黃河西路49號(hào) 061001)

路基工作區(qū)深度不僅是造成道路開裂、車轍、沉降等損壞的主要因素，還對(duì)道路的設(shè)計(jì)施工具有重要意義[1]，但國內(nèi)外關(guān)于路基工作區(qū)深度的研究成果較少。Hyodo和Yasuhara[2]用10t重卡車以不同速度行駛在試驗(yàn)路段，得到路基不同深度處的豎向土壓力分布；Juha Forsman和Veli-Matti Uotinen[3]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和有限元建模得出土工合成材料的使用有利于降低路基工作區(qū)深度；Fernando Emmanuel[4]探討了載重道路路基工作區(qū)深度分析程序；Masuda和Ishida[5]探討了車速、軸載和道路不平度對(duì)車輛荷載豎向振動(dòng)的影響；郭蘭英等[6]在分析路基工作區(qū)深度影響因素后建議路基壓實(shí)深度由0～30cm改為0～80cm；趙官勝[7]提出了按安定性理論確定路基工作區(qū)深度法；牛錄彩[8]探討了結(jié)構(gòu)層參數(shù)對(duì)路基工作區(qū)深度的影響；童申家、蔡佳佳、辛強(qiáng)等[9]分析了有無鋪面結(jié)構(gòu)下路基工作區(qū)深度，發(fā)現(xiàn)有鋪面結(jié)構(gòu)的路基工作區(qū)深度較小；孔令賞和陳駿[10]提出標(biāo)準(zhǔn)軸載下不同等級(jí)道路的路基工作區(qū)深度應(yīng)由1.5m修正為0.3～2.5m。

鑒于國內(nèi)外學(xué)者的研究大多集中于路基工作區(qū)深度的確定方法，而且對(duì)路基工作區(qū)深度的影響因素研究甚微，未能綜合考慮車輛和道路因素對(duì)于路基工作區(qū)深度的影響，文中以附加應(yīng)力與自重應(yīng)力比值1/10為標(biāo)準(zhǔn)，建立基于路面不平度的1/4車輛模型和基于多層彈性理論的道路結(jié)構(gòu)模型，探討道路結(jié)構(gòu)層參數(shù)、車輛動(dòng)荷載、行車速度對(duì)瀝青路面路基工作區(qū)深度的影響規(guī)律。

1 有限元分析法

由于瀝青路面不平度比其他路面小，文中基于國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)建議的路面不平度功率譜擬合函數(shù)，用有限元軟件生成參考頻率n0=0.1m-1，頻率指數(shù)為2所對(duì)應(yīng)的道路等級(jí)B[11]；再結(jié)合較為成熟和符合實(shí)際的兩自由度1/4車輛模型，用COMBIN14單元和MASS21單元分別模擬車輛彈簧阻尼器和集中質(zhì)量；最后用有限元軟件里的瞬態(tài)法求得路面不平度影響下，車輛軸載分別為100kN，150kN，200kN，250kN，300kN[12]時(shí)的車輛隨機(jī)荷載。

將瀝青路面結(jié)構(gòu)看成彈性多層體系，再結(jié)合路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建立道路有限元模型(如圖1)：道路路基模型尺寸為15m×10m×6m[13-14]，按彈性多層體系簡(jiǎn)化為4層(面層、基層、墊層和土基，各層參數(shù)見表1)；選用SOLID45八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元對(duì)路面模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，面層、基層和墊層的網(wǎng)格尺寸均為0.15m×0.15m×0.15m，土基網(wǎng)格尺寸為0.5m×0.5m×0.5m；模型的底面完全固定約束，側(cè)面單向約束；將基于路面不平度的車輛隨機(jī)荷載以v0=15m/s，25m/s[15]的速度沿道路模型面層中心線施加，因?yàn)檐囕v移動(dòng)距離短，瀝青路面波動(dòng)小，所以可認(rèn)為車輛保持勻速直線行駛；最后采用有限元軟件提供的Full法進(jìn)行瞬態(tài)求解。

表1 瀝青路面各結(jié)構(gòu)層參數(shù)[16-18]Tab.1 Structure layer parameters of asphalt pavement

圖1 有限元模型Fig.1 The finite element model

2 不同車輛動(dòng)荷載下結(jié)構(gòu)層參數(shù)對(duì)路基工作區(qū)深度的影響分析

在車輛動(dòng)荷載(100kN，150kN，200kN，250kN，300kN)以15m/s的速度行駛于B等級(jí)路面的工況下，分別取6種面層模量、面層厚度和基層模量，5種基層厚度、墊層模量、墊層厚度和土基模量，采用控制變量法研究以上七大因素對(duì)路基工作區(qū)深度的影響(路基工作區(qū)深度的標(biāo)準(zhǔn)取為附加應(yīng)力/自重應(yīng)力=0.1)。

2.1 不同車輛動(dòng)荷載下各結(jié)構(gòu)層模量的影響

道路各結(jié)構(gòu)層模量對(duì)路基工作區(qū)深度的影響見圖2。

(a)

(b)

(c)

(d)圖2 不同車輛荷載下各結(jié)構(gòu)層模量對(duì)路基工作區(qū)深度影響Fig.2 The influence of modulus of layers on the subgrade work area depth with different coaxial loads

由圖2可知，不同車輛荷載下各結(jié)構(gòu)層模量對(duì)路基工作區(qū)深度的影響有如下規(guī)律。

在車輛動(dòng)荷載一定時(shí)，隨著面層模量、基層模量、墊層模量的增加，路基工作區(qū)深度曲線幾乎是一條水平線。這說明面層模量、基層模量、墊層模量對(duì)路基工作區(qū)深度的影響甚微。這是因?yàn)殇伱娼Y(jié)構(gòu)層模量主要是影響應(yīng)力的擴(kuò)散作用，對(duì)應(yīng)力的吸收作用和消減作用影響較小。但在車輛動(dòng)荷載一定時(shí)，隨著土基模量的增加，路基工作區(qū)深度逐漸增加。這是因?yàn)橥粱Ａ吭酱?，其?yīng)力擴(kuò)散能力越強(qiáng)，傳遞得越遠(yuǎn)。

在面層模量一定時(shí)，隨著車輛動(dòng)荷載的增加，路基工作區(qū)深度曲線逐漸上移，且車輛動(dòng)荷載每增加50kN，路基工作區(qū)深度曲線向上平移約1m。在基層模量一定時(shí)，隨著車輛動(dòng)荷載的增加，路基工作區(qū)深度曲線不斷上移且趨勢(shì)逐漸變緩；當(dāng)車輛動(dòng)荷載不超過200kN時(shí)，每增加50kN動(dòng)載路基工作區(qū)深度上移1m左右；當(dāng)車輛動(dòng)荷載大于200kN時(shí)，每增加50kN動(dòng)載路基工作區(qū)深度上移約1m。在墊層模量一定時(shí)，車輛動(dòng)荷載每增加50kN，路基工作區(qū)深度曲線向上平移約1m。

2.2 不同車輛動(dòng)荷載下各結(jié)構(gòu)層厚度的影響

道路各結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路基工作區(qū)深度的影響見圖3。

由圖3可知，各結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路基工作區(qū)深度的影響是不同的。

在車輛動(dòng)荷載一定時(shí)，隨著面層厚度的增加，路基工作區(qū)深度曲線幾乎水平不變，說明面層厚度對(duì)路基工作區(qū)深度的影響很小。這是因?yàn)槊鎸邮菓?yīng)力擴(kuò)散層，對(duì)于應(yīng)力擴(kuò)散中的能量消耗和衰減影響很小。在車輛動(dòng)荷載一定時(shí)，隨著基層厚度的增加，路基工作區(qū)深度曲線逐漸下降，且當(dāng)車輛動(dòng)荷載大于200kN時(shí)，路基工作區(qū)深度曲線在基層厚度為0.5m左右時(shí)趨于穩(wěn)定。這說明基層厚度對(duì)路基工作區(qū)深度的影響顯著。這是因?yàn)榛鶎邮侵饕某休d層，對(duì)于承受荷載和應(yīng)力消耗吸收影響大。在車輛動(dòng)荷載一定時(shí)，隨著墊層厚度的增加，路基工作區(qū)深度曲線在墊層厚度小于0.25m左右不變，隨后平緩下降，說明墊層厚度對(duì)路基工作區(qū)深度的影響較小。因?yàn)閴|層是過渡層，對(duì)于承受荷載和消耗吸收應(yīng)力影響較小。

在面層厚度、基層厚度、墊層厚度一定時(shí)，隨著車輛動(dòng)荷載每增加50kN，路基工作區(qū)深度均增加約1m左右。

(a)

(b)

(c)圖3 不同車輛荷載下各結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路基工作區(qū)深度影響Fig.3 The influence of thickness of layers on the subgrade work area depth with different coaxial loads

綜上所述，在車輛動(dòng)荷載一定時(shí)，鋪面結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路基工作區(qū)深度的影響程度比鋪面結(jié)構(gòu)層模量大，其中基層厚度尤為顯著。此外，在結(jié)構(gòu)層參數(shù)一定時(shí)，路基工作區(qū)深度與車輛動(dòng)荷載呈現(xiàn)較好的線性正相關(guān)關(guān)系。

3 不同行車速度下結(jié)構(gòu)層參數(shù)對(duì)路基工作區(qū)深度的影響分析

在100kN車輛動(dòng)荷載、以15m/s和25m/s速度行駛于B等級(jí)路面的工況下，分別取6種面層模量和基層模量，5種面層厚度、基層厚度、墊層模量、墊層厚度和土基模量，采用控制變量法研究以上七大因素對(duì)路基工作區(qū)深度的影響(路基工作區(qū)深度的標(biāo)準(zhǔn)取為附加應(yīng)力/自重應(yīng)力=0.1)。

3.1 不同行車速度下各結(jié)構(gòu)層模量的影響

道路各結(jié)構(gòu)層模量對(duì)路基工作區(qū)深度的影響見圖4。

(a)

(b)

(c)

(d)

由圖4可知，各結(jié)構(gòu)層模量對(duì)路基工作區(qū)深度影響有如下規(guī)律。

在行車速度一定時(shí)，隨著面層模量、基層模量、墊層模量的增加，路基工作區(qū)深度逐漸下降，且下降總量約在0.3m左右。這說明面層模量、基層模量、墊層模量對(duì)路基工作區(qū)深度的影響較小，因?yàn)殇伱娼Y(jié)構(gòu)層模量主要是影響應(yīng)力的擴(kuò)散作用，對(duì)應(yīng)力的吸收作用和消減作用影響較小。但在行車速度一定時(shí)，隨著土基模量的增加，路基工作區(qū)深度逐漸增加。這是因?yàn)橥粱Ａ吭酱?，其?yīng)力擴(kuò)散能力越強(qiáng)，傳遞得越遠(yuǎn)。

在面層模量、基層模量、墊層模量一定時(shí)，隨著行車速度的增加，路基工作區(qū)深度曲線均逐漸上移，且行車速度每增加10m/s，路基工作區(qū)深度曲線向上平移約0.4m。在土基模量一定時(shí)，隨著行車速度的增加，路基工作區(qū)深度曲線不斷上移，但上移量不斷減小，約在土基模量為60MPa時(shí)趨于重合。

3.2 不同行車速度下各結(jié)構(gòu)層厚度的影響

道路各結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路基工作區(qū)深度的影響見圖5。

(a)

(b)

(c)圖5 不同行車速度下各結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路基工作區(qū)深度影響Fig.5 The influence of thickness of layers on the subgrade work area depth with different speeds

由圖5可知，各結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路基工作區(qū)深度的影響有如下規(guī)律。

在行車速度一定時(shí)，隨著面層厚度的增加，路基工作區(qū)深度曲線波動(dòng)下降，且下降總量約為0.4m。這說明面層厚度對(duì)路基工作區(qū)深度的影響較小，因?yàn)槊鎸邮菓?yīng)力擴(kuò)散層，對(duì)于應(yīng)力擴(kuò)散中的能量消耗和衰減影響較小。在行車速度一定時(shí)，隨著基層厚度的增加，路基工作區(qū)深度曲線下降總量約為1.8m。這說明基層厚度對(duì)路基工作區(qū)深度的影響顯著，因?yàn)榛鶎邮堑缆方Y(jié)構(gòu)的主要承重層。在行車速度一定時(shí)，隨著墊層厚度的增加，路基工作區(qū)深度直線下降，總量約為0.6m。這說明墊層厚度對(duì)路基工作區(qū)深度的影響較大，因?yàn)閴|層是過渡層，不是承受荷載的主要結(jié)構(gòu)層。

在面層厚度一定時(shí)，當(dāng)行車速度從25m/s增加到15m/s時(shí)，路基工作區(qū)深度約增加0.4m；在基層厚度一定時(shí)，當(dāng)行車速度從25m/s增加到15m/s時(shí)，路基工作區(qū)深度約增加1.4m；在墊層厚度一定時(shí)，當(dāng)行車速度從25m/s增加到15m/s時(shí)，路基工作區(qū)深度約增加0.4m。

綜上所述，在行車速度一定時(shí)，鋪面結(jié)構(gòu)層模量對(duì)路基工作區(qū)深度幾乎沒有影響，鋪面結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路基工作區(qū)深度影響程度由大到小為基層厚度、墊層厚度、面層厚度；在結(jié)構(gòu)層參數(shù)一定時(shí)，行車速度增加導(dǎo)致路基工作區(qū)深度增加。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)其他條件一定時(shí)，鋪面結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路基工作區(qū)深度的影響程度明顯大于鋪面結(jié)構(gòu)層模量，其中鋪面結(jié)構(gòu)層厚度的影響程度由大到小為基層厚度、墊層厚度、面層厚度。

(2)隨著鋪面結(jié)構(gòu)層參數(shù)的增加，路基工作區(qū)深度均非線性下降；但隨著土基模量的增加，路基工作區(qū)深度非線性上升。

(3)當(dāng)結(jié)構(gòu)層參數(shù)一定時(shí)，隨著車輛動(dòng)荷載的增加，路基工作區(qū)深度呈線性增加，且車輛動(dòng)荷載每增加50kN，路基工作區(qū)深度均增加約1m。

(4)當(dāng)結(jié)構(gòu)層參數(shù)一定時(shí)，隨著行車速度的增加，路基工作區(qū)深度也增加；除基層厚度一定時(shí)，行車速度每增加10m/s，路基工作區(qū)深度增加約1.4m外，其他各結(jié)構(gòu)層參數(shù)一定時(shí)，行車速度每增加10m/s，路基工作區(qū)深度增加約0.4m。