路基共同作用層厚度對拓寬道路路面的影響

鄭州市公路建設重點工程管理處 張 濤

路基共同作用層厚度對拓寬道路路面的影響

鄭州市公路建設重點工程管理處 張 濤

一、問題的提出

近二十多年來，我國的公路建設發(fā)展迅速，公路對國民經(jīng)濟發(fā)展的促進作用也越來越顯著。但是，我國在公路密度、技術等級和高等級公路比重等方面與發(fā)達國家相比還有很大差距。為滿足經(jīng)濟發(fā)展對交通基礎設施的需求，對原有低等級公路進行改建和擴建勢在必行。公路拓寬通常包括對原有公路線形和縱坡的改善、路基拓寬和填高以及路面補強和加鋪等內(nèi)容。

但是，在公路拓寬工程中，新填路基會發(fā)生一定程度的固結沉降，而老路基基本上不產(chǎn)生沉降，這導致整個路基在橫斷面上產(chǎn)生工后不均勻沉降，進而在路面結構中產(chǎn)生附加應力。一旦該附加應力與輪載應力疊加以后超過路面材料的允許強度，路面便會產(chǎn)生結構性破壞，此時，路面就發(fā)生較大規(guī)模的縱向裂縫，進一步發(fā)展將嚴重影響行車安全和舒適性。在對其發(fā)生原因進行分析的過程中筆者發(fā)現(xiàn)，拓寬類型中的路基共同作用層厚度與該類病害嚴重程度有著較為密切的關系。

二、路基拓寬的影響因素與路基共同作用層

1.路基拓寬的影響因素。公路拓寬工程應考慮老路與新路的關系以及工程所處的地形、地基等條件，路基拓寬影響因素主要有地形地基條件、路基的拓寬范圍、新路基填挖形式、新老邊坡類型、共同作用層厚度等五類。

2.路基共同作用層。在舊路拓寬工程中，若拓寬后道路路床頂面設計標高高于舊路路面標高，全路幅范圍內(nèi)中間這一層新填路基稱為路基共同作用層，如圖1所示。

拓寬工程中，路基共同作用層的厚度通常在某一范圍內(nèi)變化，特別是在某些公路需要將道路等級提高時，通常原路縱斷面線形無法滿足新改建道路的縱斷面線形標準，致使不同路段有不同的新老路標高差，也就有了不同厚度的路基共同作用層。本文，筆者針對拓寬工程在路基橫斷面上發(fā)生工后差異沉降（又稱為不協(xié)調(diào)變形）的情況，應用有限元分析方法，對不同路基共同作用層厚度下基層底面彎拉應力以及相應的路面結構疲勞壽命進行分析，以期為類似工程病害的預防和整治提供參考。

三、拓寬工程路基不協(xié)調(diào)變形對路面結構的影響

拓寬路基不協(xié)調(diào)變形的取值參照同濟大學黃琴龍博士的學位論文中的算例：老路寬10m，單側拓寬10m，拓寬建成后10年的老路頂面層位處的工后沉降曲線如圖2所示，拓寬完成后的路面各結構層和路基共同作用層的材料參數(shù)見表1。

表 1 路面結構和路基的材料參數(shù)

老路頂面處的不協(xié)調(diào)變形為工后差異沉降，將該曲線作為邊界條件施加于路基共同作用層的底面。由于其上的路面結構為半剛性基層的瀝青路面結構，剛度最大的結構層——二灰碎石基層對此最為敏感，在其底面產(chǎn)生的額外附加應力和車輛荷載產(chǎn)生的荷載應力直接決定了該路面結構的結構壽命，因此，本次分析僅關注上述不協(xié)調(diào)變形引起的道路基層底面附加拉應力變化情況。

經(jīng)過分析得到，不同路基共同層厚度下的基層底面附加應力，見表2?？梢钥闯?，隨著路基共同層厚度的增加，基層底面附加最大彎拉應力明顯降低。

我國公路瀝青路面設計規(guī)范采用劈裂強度fsp作為極限彎拉應力。對二灰穩(wěn)定粒料類采用如下疲勞方程：

表 2 不同路基共同層厚度下的基層底面附加應力

式（1）中，Nf為疲勞壽命（次數(shù)），σ/s為應力強度比，其中s是劈裂強度，σ為反復彎拉應力值。

據(jù)規(guī)范，二灰碎石劈裂強度為0.5～0.8Mpa，取fsp=0.65MPa。

通常情況以107作為材料的疲勞極限，按疲勞方程，取Nf= 107時，算得σ0=0.302MPa。

在不協(xié)調(diào)變形作用下，在最不利斷面處基層底面的總彎拉應力需要將兩者進行疊加，再推算出結構壽命，如表3所示。

表 3 基層底面總彎拉應力與結構壽命

路基共同作用層厚度h與lg Nf間的關系如圖3所示。

有限元分析結果得到，新老路基結合處路面結構的附加應力較大，并出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象。在不協(xié)調(diào)變形的作用下，路面結構會在基層底面開裂，最終形成貫穿整個路面厚度的裂縫。同時，可以看出，隨著路基共同作用層厚度的增加，不協(xié)調(diào)變形對路面結構的影響逐步變小，路面結構疲勞壽命衰減得也越來越慢，當h=6m時，可以忽略不協(xié)調(diào)變形對疲勞壽命的影響。

綜上，不同厚度的路基共同作用層，在相同的老路路表層位處不協(xié)調(diào)變形作用下，對上部路面結構的影響差別較大，如，較薄（0.5m）的情況下由此產(chǎn)生的基層底面附加應力是較厚（5.0m）情況下的4.69倍，相應的結構壽命也大大縮短。因此，路基共同作用層厚度的增加，將有助于控制拓寬工程相關病害的發(fā)生，對提高類似工程的工程質(zhì)量有著積極意義。當路基共同作用層厚度增加到一定厚度（6m）時，可以忽略其不協(xié)調(diào)變形對路面結構產(chǎn)生的影響。