土基頂面壓應(yīng)變設(shè)計指標研究★

郭　偉　商英姿

(1.濟寧市公路工程總公司，山東 濟寧　272115；　2.濟寧市公路勘測設(shè)計研究院，山東 濟寧　272115)

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土基頂面壓應(yīng)變設(shè)計指標研究★

郭偉1商英姿2

(1.濟寧市公路工程總公司，山東 濟寧272115；2.濟寧市公路勘測設(shè)計研究院，山東 濟寧272115)

為了建立土基頂面壓應(yīng)變控制模型，調(diào)研了AASHO試驗路的瀝青路面結(jié)構(gòu)和相應(yīng)車輛荷載作用次數(shù)，通過軸載換算，將AASHO試驗路的荷載作用次數(shù)換算為我國標準軸載的作用次數(shù)，并結(jié)合我國的實際情況選取路面結(jié)構(gòu)層所用材料參數(shù)，利用彈性層狀體系計算程序，計算了各試驗環(huán)道不同路面結(jié)構(gòu)雙輪隙中心處土基頂面壓應(yīng)變，統(tǒng)計回歸了土基頂面壓應(yīng)變與標準軸載作用次數(shù)的相關(guān)關(guān)系式，用于我國路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中土基永久變形的控制。

土基頂面壓應(yīng)變，永久變形，設(shè)計指標，AASHO試驗路

永久變形是粒料柔性基層瀝青路面的主要破壞形式，許多國家把土基頂面壓應(yīng)變作為主要設(shè)計指標，利用限制土基頂面豎向壓應(yīng)變大小的方法控制路面結(jié)構(gòu)的永久變形。

土基頂面豎向壓應(yīng)變法是一種適應(yīng)設(shè)計使用的近似方法。Dormon等[1]利用AASHO試驗路的觀測資料(50個試驗段)，按現(xiàn)時服務(wù)能力指數(shù)PSI=2.5的路面狀況，通過結(jié)構(gòu)反算，建立了標準軸載(80 kN)作用次數(shù)與土基頂面容許豎向壓應(yīng)變的經(jīng)驗關(guān)系式：

εz=aN-b

(1)

其中，εz為路基頂面容許壓應(yīng)變；N為標準軸載累計作用次數(shù)；a，b均為統(tǒng)計回歸系數(shù)。

這一壓應(yīng)變關(guān)系式隨后成為殼牌設(shè)計方法[2]的一項設(shè)計指標，其經(jīng)驗回歸系數(shù)經(jīng)歷了多次修訂。于1987年，殼牌設(shè)計方法又利用AASHO試驗路全部試驗段(300個)的觀測資料，對回歸公式進行了重新整理，得到了不同保證率時的系數(shù)值[3]。Edwards和Vakering[4](1974)也基于AASHO試驗路的數(shù)據(jù)進行了數(shù)值分析，建立了土基頂面容許壓應(yīng)變和軸載作用次數(shù)之間的關(guān)系式：

εz=2.8×10-2×N-0.25

(2)

由于我國瀝青路面結(jié)構(gòu)的多元化，隨著粒料基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的推廣與應(yīng)用，提出我國的土基頂面壓應(yīng)變設(shè)計指標并建立相應(yīng)的控制模型已是勢在必行。本文力圖在AASHO試驗路的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的實際情況，建立適于我國國情的土基頂面壓應(yīng)變控制模型，為進一步豐富和完善我國的瀝青路面設(shè)計指標和控制模型提供參考依據(jù)。

1　AASHO試驗路調(diào)研

1.1AASHO試驗路成果

AASHO試驗路[5]包括6個環(huán)道，分別為4個大環(huán)道(編號為3～6)和2個小環(huán)道(編號為1和2)，每一個環(huán)道由2個車道組成。3號～6號環(huán)道為試驗環(huán)道，每個環(huán)道的直線段長度為2 074 m，曲線段半徑為61 m，按照40 km/h的速度設(shè)置超高。2號環(huán)道直線段長度為1 340 m，用于行駛輕型汽車；1號環(huán)道直線段長610 m，不行駛汽車。這是國際上空前大規(guī)模的道路試驗，其主要成果有：1)得出了路面耐用性指數(shù)與路面工作狀態(tài)之間的關(guān)系，提出以最終耐用性指數(shù)PSI=2.5作為主要公路的設(shè)計標準，PSI=2.0作為次要公路的設(shè)計標準；2)建立了路面設(shè)計方法的基本方程，提出了不同設(shè)計標準的路面厚度計算列線圖和不同路面材料的等值系數(shù)；3)提出了設(shè)計時采用的標準軸載(即雙輪組單軸載80 kN)，導(dǎo)出了不同車型軸載與數(shù)量間等效關(guān)系的軸載換算公式。

1.2AASHO試驗路的柔性路面結(jié)構(gòu)與車輛軸載類型

AASHO試驗路主要有3種柔性路面結(jié)構(gòu)形式，分別為在土基上直接鋪筑瀝青面層的2層結(jié)構(gòu)，在土基上鋪筑粒料基層和瀝青混凝土面層的3層結(jié)構(gòu)和基層分為粒料底基層和粒料基層的4層路面結(jié)構(gòu)。第一、二環(huán)道為小環(huán)道，第一個環(huán)道沒有行駛汽車(主要用于研究環(huán)境因素對未加載路面的影響)；第二個環(huán)道按三種面層厚度，三種基層厚度和三種底基層厚度共18個柔性路面結(jié)構(gòu)組合修筑試驗路段，用于行駛輕型汽車；其余3環(huán)道～6環(huán)道為試驗路段，而且每個環(huán)道均按三種面層厚度，三種基層厚度和三種底基層厚度共27個柔性路面結(jié)構(gòu)組合修筑試驗路段；各環(huán)道采用的柔性路面結(jié)構(gòu)層厚度如表1所示，每一環(huán)道采用的車輛軸載類型見表2。

表1　AASHO試驗路各環(huán)道采用的柔性路面結(jié)構(gòu)層厚度

表2　AASHO試驗路各環(huán)道采用的車輛軸載類型

2　土基頂面壓應(yīng)變設(shè)計指標控制模型的建立

2.1軸載換算

AASHO路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法規(guī)定：標準軸載為18 000 lbf(80 kN)，接地壓強0.49 MPa，雙圓當量半徑δ=11.5 cm，AASHO試驗路中不同軸荷與標準軸載的當量換算系數(shù)見表3[6]。

利用表3中的軸載系數(shù)換算，可以把AASHO試驗路各試驗環(huán)道不同軸載的荷載作用次數(shù)換算成標準軸載80 kN的荷載作用次數(shù)，換算結(jié)果見表4。

同時根據(jù)表3中的軸載換算系數(shù)，利用內(nèi)插法得到我國標準軸載與AASHO標準軸載的作用次數(shù)換算公式：

N100=N80×0.419 5

(3)

按照式(3)就可以把PSI=2.5所對應(yīng)的各試驗環(huán)道的標準軸載(80 kN)作用次數(shù)換算為我國標準軸載(100 kN)的作用次數(shù)，換算結(jié)果見參考文獻[7]。

表3　AASHO路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法中的軸載當量換算系數(shù)(PSI=2.5時)

表4　AASHO試驗路試驗環(huán)道的軸載系數(shù)

2.2土基頂面壓應(yīng)變計算

1)路面結(jié)構(gòu)層所用材料參數(shù)選取。在選取路面材料參數(shù)之前，利用試驗環(huán)道的瀝青路面結(jié)構(gòu)，分析了材料參數(shù)影響土基頂面壓應(yīng)變的敏感性[7]。分析結(jié)果表明，面層模量和基層模量的變化對土基頂面壓應(yīng)變的影響幅度為3%～10%，敏感性較低，而土基模量的變化對土基頂面壓應(yīng)變的影響幅度為40%，敏感性較大，結(jié)合我國的實際情況，最終選取的路面結(jié)構(gòu)層所用材料參數(shù)如表5所示。

表5　路面結(jié)構(gòu)層所用材料參數(shù)

2)土基頂面壓應(yīng)變計算結(jié)果。把AASHO試驗路各試驗環(huán)道的柔性路面結(jié)構(gòu)假設(shè)為線彈性層狀體系，以雙輪組單軸載100 kN為作用荷載，利用彈性層狀體系計算程序BISAR3.0，計算土基頂面

雙輪隙中心點處的壓應(yīng)變值，計算結(jié)果見參考文獻[7]。

3)土基頂面壓應(yīng)變控制模型的建立。根據(jù)各試驗環(huán)道不同路面結(jié)構(gòu)的土基頂面壓應(yīng)變計算結(jié)果，以及換算后與之對應(yīng)的我國標準軸載作用次數(shù)，對二者按照冪指數(shù)形式進行數(shù)學統(tǒng)計回歸(見圖1)，得到土基頂面壓應(yīng)變控制模型如下：

εz=1.39×10-2N-0.236 6，R2=0.694 6

(4)

3　結(jié)語

1)以AASHO試驗路為基礎(chǔ)，提出了控制粒料基層瀝青路面結(jié)構(gòu)永久變形的土基頂面壓應(yīng)變設(shè)計指標，建立了適合我國國情的土基頂面壓應(yīng)變控制模型如下：

εz=1.39×10-2N-0.236 6。

2)進一步豐富和完善了我國的瀝青路面結(jié)構(gòu)指標和控制模型，但模型公式未進行現(xiàn)場修正，有必要在下一步的工作中對控制模型進行修正與驗證。

[1]Dormon K.R.The extension to practice of a fundamental procedure for the design of flexible pavements[C].Proceedings, International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements.Ann Arbor,1962:785-793.

[2]戴維.懷特奧克·殼牌瀝青手冊[Z].北京：殼牌(大中華)集團，1995.

[3]Gerristsen A.H.， Koole R.C.Seven years’ experience with the structural aspects of the Shell pavement design manual[C].Proceedings,6th International Conference on Structural Design of Asphalt Pavements,Ann Arbor,1987:94-106.

[4]Edwards,J.M., Valkering,C.P.Structural Design of Asphalt Pavements for Road Vehicles-the Influence of High Temperatures[J].Highway and Road Construction,1974(15):125-127.

[5]AASHO.The AASHO Road Test，Special Report 61F[R].Washington，D.C.:Highway Research Board,1962.

[6]姚祖康.公路設(shè)計手冊：路面[M].北京：人民交通出版社，2006：156.

[7]高啟聚.土基與粒料層永久變形設(shè)計指標和控制模型研究,SDJTKYS2011-2[R].濟南：山東省交通科學研究所，2011.

Research on design index of compressive strain on top of subgrade soils★

Guo Wei1Shang Yingzi2

(1.JiningHighwayEngineeringGeneralCorporation，Jining272115,China；2.JiningHighwaySurveyandDesignResearchInstitute,Jining272115,China)

In order to create controlling model of compressive strain on top of subgrade soils， asphalt pavement structures and corresponding number of vehicle load repetitions of AASHO test road were surveyed, and number of vehicle load repetitions of AASHO test road was converted into number of Chinese standard axle load repetitions by way of axle load conversion. Combined with Chinese specific characteristics, material parameters of pavement structure layers were selected, and mul-layer elastic system calculation program was used to calculate compressive strain on top of subgrade soils located in double gap center point of different pavement structures, statistical regression formula between compressive strain on top of subgrade soils and corresponding number of Chinese standard axle load repetitions was obtained in order to control permanent deformation of subgrade soils during the process of pavement structures design.

compressive strain on top of subgrade soils, permanent deformation, design index, AASHO test road

1009-6825(2016)23-0142-02

2016-06-10★:山東省交通科技計劃項目(項目編號：2009Y017)

郭偉(1972- )，男，高級工程師

U416.217

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