新疆地區(qū)不同工況對路基壓應(yīng)力影響研究

楊波 楊三強(qiáng) 陳偉

摘 要：為了分析荷載應(yīng)力在路基中的分布規(guī)律，本文通過修筑試槽模型并在路基中埋設(shè)傳感器，分別采集試驗(yàn)車在100kN、150kN、200kN、250kN、300kN荷載作用下及車速為0km/h、5km/h、10km/h、15km/h路基中的壓應(yīng)力。分析了不同荷載、不同車速對路基壓應(yīng)力變化規(guī)律的影響。測試結(jié)果表明：沿路基垂直方向隨著深度的增加壓應(yīng)力呈衰減趨勢；隨車速的增加，同一層位壓應(yīng)力呈線性減小；路基壓應(yīng)力橫向作用距離隨荷載增大而增大。

關(guān)鍵詞：路基路面；動靜荷載；現(xiàn)場測試；壓應(yīng)力

傳統(tǒng)的路面分析及現(xiàn)行規(guī)范都是假定荷載為靜態(tài)，忽略了荷載在運(yùn)動中的實(shí)際狀況，而行駛車輛和路面的關(guān)系隨時間與空間時刻都在變化，即路面受到的是并非完全平穩(wěn)的隨機(jī)荷載。因此，考慮動荷載作用下路基路面應(yīng)力響應(yīng)的重要性不言而喻。國外開展道路試驗(yàn)較早，美國著名的馬里蘭道路試驗(yàn)、AASHO道路試驗(yàn)[1-3]的成果為道路的設(shè)計(jì)理論及方法提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。相比之下，我國對路基路面動荷載響應(yīng)的研究工作明顯不足，主要集中于有限元分析。然而理論分析與實(shí)際測試結(jié)果必然會有一定程度的偏離。基于此，本文通過鋪筑試槽模型并進(jìn)行現(xiàn)場測試試驗(yàn)，分析了荷載應(yīng)力在路基內(nèi)部的變化規(guī)律。

1 試槽模型概況

1.1 試槽模型路基

現(xiàn)場土質(zhì)為黃土取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得到路基土的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。施工過程中在含水量約為14.6%時路基壓實(shí)度為：距路基頂面0～80cm范圍內(nèi)為95%，其他范圍為93%。

1.2 試槽模型路面結(jié)構(gòu)

分析新疆典型的路面結(jié)構(gòu)[4-5]，本次試槽模型路面結(jié)構(gòu)組成及路面材料參數(shù)見表2。

2 試驗(yàn)過程

2.1 傳感器埋置方案

在路基工作區(qū)埋置光纖光柵土壓計(jì)[6]，測試路基不同深度處的靜、動壓應(yīng)力。土壓計(jì)沿預(yù)設(shè)輪跡帶埋設(shè)，在路基垂直方向埋設(shè)深度距路基表面1.5m，距道路中線106cm。試槽路面與原地面在同一高程，故土壓計(jì)以下挖方式埋置，如圖1所示。在埋置過程中做好保護(hù)措施，本次埋設(shè)存活率為100%。

2.2 測試方案

試驗(yàn)車輛采用東風(fēng)后軸雙輪標(biāo)準(zhǔn)車型，后軸額定荷載10t，輪距1.8m，雙輪中心距34cm，胎壓0.7MPa。試驗(yàn)時車輛載重分別為100kN、150kN、200kN、250kN和300kN，車速受試槽地理環(huán)境的限制考慮到安全因素選用5km/h、10km/h和15km/h。

3 測試結(jié)果及分析

路基壓應(yīng)力受諸多因素的影響[7-8]，如車輛類型、荷載、車速、路面結(jié)構(gòu)類型、荷載作用位置等，這里主要考慮從荷載、車速和荷載作用位置對路基壓應(yīng)力的影響。

3.1 不同荷載工況路基中的壓應(yīng)力

在不同荷載工況下測試了試驗(yàn)車在0km/h路基中的壓應(yīng)力值，見表3和圖2。

分析表3 可知，從路基表面至1.5m深處，不同荷載壓應(yīng)力分別衰減了79.3%、80.2%、82.8%、80.4%和61.7%，從衰減百分量可看出隨荷載的增加路基壓應(yīng)力和作用深度均在加大，尤其是在300kN荷載作用下，還有近40%的壓應(yīng)力未消散，說明作用深度遠(yuǎn)大于1.5m。

根據(jù)圖2可看出，隨荷載的增大，路基中壓應(yīng)力變化的總體趨勢隨深度加深而減小。從減小趨勢上可分為三個階段：0～0.5m范圍內(nèi)壓應(yīng)力衰減顯著，因這部分是路床工作區(qū)；0.5～1.0m范圍內(nèi)，壓應(yīng)力衰減變緩；1.0～1.5m范圍內(nèi)壓應(yīng)力衰減趨勢加大。由衰減的非線性，通過曲線擬合，得到不同荷載作用深度的數(shù)值解，擬合關(guān)系如下：

根據(jù)物理意義，荷載在路基中的作用深度是有限的，即在某一深度處壓應(yīng)力為零。因此假設(shè)P=0，由此可得到作用深度的數(shù)值解，則不同荷載工況作用深度分別為1.72m、1.81m、1.98m、2.12m和2.33m。由此表明，重載對路基有很大影響，作用深度大約為路基工作區(qū)0.8m的3倍。

3.2 速度對壓應(yīng)力分布的影響

圖3所示為車輛在250kN荷載作用下不同車速各傳感器監(jiān)測的壓應(yīng)力變化。由圖3及表4分析可知：速度與壓應(yīng)力變化呈良好的線性關(guān)系，在不同試驗(yàn)車速下，同一深度壓應(yīng)力隨車速的增大而減小，如對于1#傳感器，速度從5km/h增至15km/h壓應(yīng)力減少了12.4%，速度變化對壓應(yīng)力有顯著影響。在文獻(xiàn)[9]中，將此現(xiàn)象解釋為荷載速率效應(yīng)，由于土是顆粒組成的集成體，應(yīng)力的傳遞是通過相鄰顆粒來完成，若應(yīng)力持續(xù)的時間很短，則來不及傳遞分布，因此壓應(yīng)力的衰減認(rèn)為與荷載作用時間長短有關(guān)。同時，速度對壓應(yīng)力的影響隨深度增加而減小，如在加速工況下，在更深位置處的4#傳感器壓應(yīng)力變化量相對于1#、2#、3#傳感器要小的多。其次，速度越大壓應(yīng)力減小的幅度越大，對于1#傳感器而言，當(dāng)速度從5km/h增加到10km/h，壓應(yīng)力減小了1.09kPa，增加到15km/h則減小了2.31kPa。

為了進(jìn)一步描述荷載在路基中的分布規(guī)律，繪制各測點(diǎn)傳感器不同車速與壓應(yīng)力的時程曲線，見圖4。從圖4可以看出，盡管車速不同，但壓應(yīng)力與時間的關(guān)系曲線很相似。隨著車輛駛近監(jiān)測點(diǎn)，壓應(yīng)力開始增大，當(dāng)車輛在土壓計(jì)正上方時，壓應(yīng)力達(dá)到最大值，隨后車輛駛離壓應(yīng)力逐漸減小。在距路基表面1.0m范圍內(nèi)（圖中1#、2#、3#傳感器），壓應(yīng)力與時間關(guān)系曲線表現(xiàn)為雙峰曲線，在距路基表面1.5m處（4#傳感器），壓應(yīng)力與時間關(guān)系曲線基本上表現(xiàn)為單峰曲線。其原因是在路基深度較淺處，高峰、低峰分別是試驗(yàn)車前軸與后軸的壓應(yīng)力；當(dāng)達(dá)到一定深度，由于應(yīng)力擴(kuò)散的影響，壓應(yīng)力受前后軸的綜合作用。

3.3 路基壓應(yīng)力的橫向分布

根據(jù)車輛幾何對稱、輪跡對稱、荷載對稱、約束對稱和應(yīng)力對稱的原則，以右側(cè)輪跡帶為準(zhǔn)測試了向左偏移量在0～2.2m范圍的壓應(yīng)力橫向分布情況。由應(yīng)力的擴(kuò)散作用，橫向作用范圍與路基作用深度有關(guān)，對4#傳感器分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5中可看出橫向作用距離隨荷載增大而增大，不同荷載橫向作用距離大致為1.2m、1.4m、1.6m、1.8m和2.0m。根據(jù)不同荷載隨橫向偏移的衰減趨勢，重載在0～0.6m范圍內(nèi)衰減很快，300kN荷載作用下壓應(yīng)力減少了84%，250kN荷載作用下壓應(yīng)力減少了58.8%，在隨后的區(qū)間內(nèi)衰減變慢，且這兩種荷載工況在路基深處壓應(yīng)力作用范圍已擴(kuò)大到相鄰車道，而其他荷載未出現(xiàn)驟變趨勢。這對于多車道而言，影響路基的耐久性，因此要加強(qiáng)超載的管理措施。

4 結(jié)論

本文通過在試槽模型路基中埋入土壓計(jì)，對不同荷載、車速工況下的路基壓應(yīng)力進(jìn)行測試，得到了路基壓應(yīng)力隨深度的變化曲線、不同車速與壓應(yīng)力的變化關(guān)系、路基不同深度壓應(yīng)力與時間的關(guān)系曲線和路基壓應(yīng)力橫向衰變曲線。根據(jù)對試驗(yàn)結(jié)果的分析，得到以下結(jié)論：

①隨深度的增加路基壓應(yīng)力呈非線性衰減趨勢，解擬合函數(shù)得到不同荷載路基中作用深度分別為1.72m、1.81m、1.98m、2.12m和2.33m。

②路基壓應(yīng)力與速度呈良好的線性相關(guān)關(guān)系，隨速度的增大而減小。

③在路基深度較淺處，路基壓應(yīng)力與時間關(guān)系曲線為雙峰曲線。在路基較深處，路基壓應(yīng)力與時間關(guān)系曲線為單峰曲線。

④路基壓應(yīng)力的橫向作用距離隨荷載增大而增大，對于超載車輛路基壓應(yīng)力作用范圍已擴(kuò)大到相鄰車道，影響路基的耐久性，因此要加強(qiáng)超載的管理措施。

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課題項(xiàng)目：

新疆礦區(qū)資源路路基、路面關(guān)鍵技術(shù)研究（項(xiàng)目編號：2012-09）。

作者簡介：

楊波（1981-），男，碩士，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院。