考慮車輛動(dòng)應(yīng)力條件下的軟土路基處理深度研究

尚志剛

（天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津市 300122）

科技研究

考慮車輛動(dòng)應(yīng)力條件下的軟土路基處理深度研究

尚志剛

（天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津市 300122）

針對濱海新區(qū)軟基特點(diǎn)，在現(xiàn)有道路工程低填方路堤或挖方段軟土路基處理深度計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)車輛對道路產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力影響，提出了考慮車輛動(dòng)應(yīng)力條件下的軟土路基處理深度研究計(jì)算方法。分析確定車輛荷載模型，并通過室外道路車輛動(dòng)應(yīng)力采集，驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性。通過試驗(yàn)采集沖擊數(shù)據(jù)，采用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了土中動(dòng)應(yīng)力衰減的道路模型。在此基礎(chǔ)上模擬計(jì)算出不同軸重、速度及交通量下的動(dòng)應(yīng)力影響深度，參照地基沉降計(jì)算方法及路基工作區(qū)定義，確定軟土地基的處理深度，得到以下結(jié)論：考慮車輛動(dòng)應(yīng)力及路面鋪裝情況下，高速公路低填方軟土路基處理深度應(yīng)在1.10 m以上，一級公路為1.23 m以上，二級公路為1.31 m以上，三級公路為1.4 5m以上，視重載交通情況軟土地基處理深度相應(yīng)增加25～40 cm。

軟土路基；路基處理深度；數(shù)值模擬；車輛動(dòng)應(yīng)力

0 引言

伴隨國家在21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)的飛速提升，我國的交通事業(yè)得到迅猛發(fā)展，僅高速公路里程總數(shù)已突破10萬大關(guān)。但同時(shí)我們也必須注意到，在如火如荼的施工建設(shè)后，道路病害并沒有相應(yīng)減少，許多道路出現(xiàn)了過早破壞的情況。除去施工質(zhì)量原因，材料質(zhì)量和設(shè)計(jì)問題也是道路破壞的重要原因。例如天津市濱海新區(qū)，位置緊鄰渤海，地下水位高，地基土含水量大。除了部分可見地表土質(zhì)極差，其下部還有很厚的軟弱土質(zhì)層。這些土體土質(zhì)強(qiáng)度極差，塑性指數(shù)高，難以滿足道路工程要求。對于低填方路堤或挖方段，雖然表層處理后可以達(dá)到施工彎沉要求，但這些軟弱層不經(jīng)處理，就會(huì)造成較大的不均勻工后沉降。由于這類原因造成的道路破壞在類似濱海新區(qū)的土質(zhì)較差的軟土地基區(qū)域并不少見。對于這類問題，工程上常采用換填或拋石擠淤等方式進(jìn)行處理，如果土質(zhì)稍好的則采用化學(xué)固化等土質(zhì)改良的方式進(jìn)行解決。雖然路基土處理方式較為成熟，但處理深度一直未有定論。正是由于此類問題處理深度的隨意性，造成了后期不均勻沉降引起的道路破壞。

對于道路工程中類似低填方的軟土地基的處理深度問題，路基土體除受到道路自重影響外，車輛沖擊對路基土體影響極大，現(xiàn)在比較認(rèn)可的也是規(guī)范采用的理論為路基工作區(qū)深度理論。該理論取車輛荷載與土體自重荷載之比即 σz/σB為1/10～1/5時(shí)的土體深度位置至路基頂面范圍為路基工作區(qū)[1]。汽車通過路面后，產(chǎn)生的荷載由接觸點(diǎn)向下傳導(dǎo)，其應(yīng)力σz會(huì)隨著路基深度的增加迅速減小，故路基土中較為靠上的成為會(huì)受到較大的影響，此深度范圍內(nèi)路基受到較大的汽車荷載影響，易產(chǎn)生塑性形變。這便是路基工作區(qū)的理論基礎(chǔ)，而易產(chǎn)生塑性形變的路基土區(qū)域則被稱為路基工作區(qū)或者路床壓實(shí)區(qū)。世界上其他國家對于同類問題早有相應(yīng)規(guī)定，法國和日本[2,3]規(guī)定路基工作區(qū)為路基頂面以下1 m，前蘇聯(lián)則規(guī)定較低等級路的路基工作區(qū)為0.6 m，高等級路為1.2 m[4]。它們也都對這個(gè)區(qū)域的土質(zhì)及壓實(shí)提出了更高的要求。我國最新的《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）[5]中規(guī)定路床厚度應(yīng)根據(jù)交通量及軸載組成確定：輕、中及重交通公路路床厚度為0.8 m；特重、極重交通的公路路床厚度為1.2 m；對特種軸載的公路，應(yīng)單獨(dú)計(jì)算路基工作區(qū)深度，確定路床厚度。

但以上研究成果均是在討論汽車靜止情況下載軸對路基的影響，對于行駛在路面上的車輛，幾十年前就有學(xué)者提出在相同工況下車輛行駛產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力對路基土體產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)大于車輛靜止條件下對路基的影響（Schimming等學(xué)者，1966年；Yamanouchi和 Yasuhara等學(xué)者，1975年；Fujiwara等學(xué)者，1985年；Tohno等學(xué)者，1989年）[6-9]。Hyodo等學(xué)者于1989年通過載重卡車對低填方路段進(jìn)行現(xiàn)場靜止和運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，得出了動(dòng)應(yīng)力為靜載自重4～5倍的結(jié)論[10]。Chai等學(xué)者于2002年通過大量工程實(shí)例建立了經(jīng)驗(yàn)公式，并得出結(jié)論：行車荷載對路基影響深度區(qū)域?yàn)槁坊斆嫦蛳? m范圍[11]。同時(shí)還有學(xué)者提出，動(dòng)荷載影響下土體對于應(yīng)力的傳遞形式與靜載有所不同，土體的豎向震動(dòng)也會(huì)造成動(dòng)應(yīng)力的影響范圍會(huì)更廣。同時(shí)車輛動(dòng)應(yīng)力沖擊路面會(huì)造成上部路基路面整體震動(dòng)，促使路基積累塑性形變，破壞道路結(jié)構(gòu)。此外，動(dòng)應(yīng)力穿過較為致密的路面結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生較大衰減。故現(xiàn)有的軟土地基處理深度僅考慮靜荷載影響也有一定的局限性。同時(shí)除車輛的動(dòng)應(yīng)力外，上述有些研究成果未考慮路面鋪裝層，其結(jié)論說服力有限。

通過上文分析，低填方軟土地基處理深度仍有待繼續(xù)分析研究。基于上述原因，本文通過建立相應(yīng)仿真模型，并通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性。通過這些模型，結(jié)合現(xiàn)有研究成果，分析確定車輛動(dòng)應(yīng)力條件下的低填方路堤軟土地基處理深度問題，為設(shè)計(jì)及施工建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 汽車荷載模型

分析汽車荷載對路基影響，第一步是確定汽車荷載模型。相關(guān)文獻(xiàn)有很多，有些根據(jù)波的可疊加特性，通過傅里葉級數(shù)來對汽車荷載進(jìn)行闡釋；有些著重研究路面不平整度對車輛動(dòng)應(yīng)力的影響，提出了路面譜的概念。但類似的模型都有些局限性，比如有的模型只適用于波傳導(dǎo)單元，有些模型實(shí)際計(jì)算由于參數(shù)過多并不方便。但學(xué)者普遍認(rèn)同對于路面某一處的汽車荷載可以被近似的認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)正弦波動(dòng)應(yīng)力[12-15]。實(shí)際上汽車荷載受到的影響因素很多，除了車重，還有路面性能，車輛構(gòu)造，車速及路面不平整度等。其中路面不平整度會(huì)造成汽車震動(dòng)，產(chǎn)生汽車荷載，是主要原因。綜合各文獻(xiàn)的汽車荷載模型，本文采用了穩(wěn)態(tài)正弦波動(dòng)模型，也是一種在道路模擬中較多采用的汽車荷載模型，表達(dá)式如下：

式中：ω為振動(dòng)圓頻率，ω=2πv/L；v為車速；q為振動(dòng)應(yīng)力幅值，q=M0μω2；L為道路幾何曲線的波長；μ為路面幾何不平整系數(shù)（根據(jù)實(shí)際路面測量獲得）；M0為模型車輛簧下質(zhì)量；P0為車輛車輛單邊輪載靜載壓力，單位為kN；正常載重30 t（超載42 t）試驗(yàn)試驗(yàn)車其具體汽車荷載計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)車荷載計(jì)算參數(shù)表

2 汽車荷載模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，本文通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)觀測汽車荷載情況，并記錄數(shù)據(jù)。觀測試驗(yàn)設(shè)在濱海新區(qū)港塘路，測試時(shí)對道路進(jìn)行單車道隔離前后2 km，用兩種試驗(yàn)車進(jìn)行不同速度下的汽車荷載試驗(yàn)。圖1為試驗(yàn)現(xiàn)場照片。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場

在現(xiàn)場完成實(shí)驗(yàn)設(shè)備按照調(diào)試后，分別用正常載重試驗(yàn)車（標(biāo)準(zhǔn)軸重）和重載試驗(yàn)車（軸重140kN）勻速駛過試驗(yàn)段路面，車速范圍10～60 km/h，得到詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)和軟件模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線對比見圖2。

通過圖2所示可以看到模擬數(shù)據(jù)可以對實(shí)測數(shù)據(jù)記性較好的你擬合，即驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性，通過該模型可以完成對不同軸重車輛不同車速的汽車荷載進(jìn)行模擬。

3 道路結(jié)構(gòu)模型驗(yàn)證

對于瀝青路面的模型研究，研究界普遍認(rèn)為線彈性、非線彈性及粘彈性模型均可以針對其不同特點(diǎn)進(jìn)行很好的仿真模擬。

對于道路這種特殊的帶狀結(jié)構(gòu)，不論車輛的靜荷載還是動(dòng)荷載，都相對較小，影響深度較小，土體各種變形較小，不會(huì)達(dá)到極限應(yīng)變狀態(tài)。同時(shí)，荷載應(yīng)力經(jīng)瀝青路面斜角分散后較為均勻的向路基土傳遞，路基土的剪應(yīng)力相對很小。所以，對于道路的路基土模型來說，其減脹極小。再次，對于道路結(jié)構(gòu)的車輛動(dòng)應(yīng)力來說，荷載作用時(shí)間極短，類似一種沖擊荷載。對于道路結(jié)構(gòu)中無論是瀝青面層還是路基土、地基來說，更為顯著的體現(xiàn)其本構(gòu)模型中的線彈性特點(diǎn)。綜上所述，根據(jù)道路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)同時(shí)兼顧計(jì)算簡便原則，采用分層線彈性模型對道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。

圖2 正常載重和超載試驗(yàn)車數(shù)據(jù)擬合圖

為了對上述模型準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，本文選取試驗(yàn)路段進(jìn)行模擬，試驗(yàn)段鋪裝結(jié)構(gòu)見表2。

表2 路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

在路基土埋入傳感器，由于試驗(yàn)段條件有限，無法采用通過車輛進(jìn)行實(shí)測，故采用夯錘模擬沖擊，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)施加沖擊荷載的夯錘底面尺寸：23 cm（模擬標(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)量圓）、夯錘質(zhì)量為30 kg。采用靖江泰斯特電子有限公司制造的TS108高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器進(jìn)行瞬時(shí)應(yīng)力測量。

傳感器埋置分別為S10（距路基土頂面10 cm）、S20（距路基土頂面20 cm）、S30（距路基土頂面30 cm），傳感器位置豎直朝上用以采集垂直向下的沖擊動(dòng)應(yīng)力。使夯錘分別從30 cm，50 cm和80 cm三個(gè)不同高度落下模擬汽車荷載沖擊，落錘位置為傳感器正上方。采集軟件截面見圖3。數(shù)據(jù)以每次沖擊峰值動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行記錄，采集數(shù)據(jù)。

圖3 軟件界面

依據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場工況，采用第3節(jié)中的道路結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)行ABACUS有限元模擬軟件對現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行仿真數(shù)值模擬，模擬結(jié)果見圖4。仿真計(jì)算模型采用的材料參數(shù)見表2。

圖4 仿真計(jì)算模型

分別模擬夯錘自相應(yīng)高度落下，計(jì)算沖擊瞬間夯錘下方土體0.5 m深度動(dòng)應(yīng)力值，步長為0.05 m，進(jìn)行數(shù)值模擬。

通過對比仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)，由圖5可以看出，模型較好的反應(yīng)了實(shí)際沖擊荷載在土中的衰減情況，并且從趨勢是較為準(zhǔn)確的預(yù)測了動(dòng)應(yīng)力的衰減情況，說明該模型可以較為準(zhǔn)確的對土中沖擊應(yīng)力的變化進(jìn)行模擬。

圖5 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合圖

4 動(dòng)應(yīng)力數(shù)值模擬

在有了較為準(zhǔn)確的汽車荷載模型和道路結(jié)構(gòu)模型后，將汽車荷載模型作為初始應(yīng)力條件加載至道路模型，進(jìn)行仿真計(jì)算。車速范圍40～100 km/h，步長20 km/h；軸載分別為標(biāo)準(zhǔn)軸載和超載140 kN軸載，即車輛載重30 t和42 t兩種情況。相應(yīng)的其他條件參見表3。

表3 不同車速下的振動(dòng)應(yīng)力幅值q和周期大小

道路結(jié)構(gòu)則參照濱海新區(qū)港塘路的實(shí)際道路結(jié)構(gòu)。該段道路經(jīng)過一次中修罩面，其現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)為4 cm細(xì)粒式瀝青混凝土罩面+8 cm瀝青混凝土原有面層+兩步18 cm二灰碎石+18 cm石灰土（12%），面層總厚66 cm。路基土厚度則取5 m。綜合上述初始條件，采用ABACUS有限元模擬軟件仿真進(jìn)行數(shù)值模擬，模型見圖6。

圖6 仿真計(jì)算模型

通過對模型加載計(jì)算，提取模擬車輛動(dòng)荷載下方不同深度的動(dòng)應(yīng)力值，可以得到如圖7所示應(yīng)力趨勢圖。通過對該衰減趨勢的分析，可知車輛在相同速度時(shí)，軸重越大，沖擊應(yīng)力越大。同時(shí)還可以看出，保證其他條件相同時(shí)，車輛對路基的動(dòng)應(yīng)力會(huì)隨車速增加而減小。這主要是因?yàn)檐囁僭黾雍螅饔玫臅r(shí)間也相應(yīng)減少，所以導(dǎo)致動(dòng)應(yīng)力和車速的反比的規(guī)律。

5 動(dòng)應(yīng)力下的軟土地基處理深度

根據(jù)第五節(jié)的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，參照路基工作區(qū)的概念，即動(dòng)應(yīng)力與自重應(yīng)力σz/σB=1/10時(shí)所對應(yīng)的深度Za，減去路面結(jié)構(gòu)層厚度后的土體深度Zc作為低填方路堤或挖方段的軟土地基處理深度，見表4。

圖7 正常載重和超載試驗(yàn)車不同行駛速度下的動(dòng)應(yīng)力隨深度變化規(guī)律

表4 不同行駛速度下的軟土地基處理深度Zc

由于濱海新區(qū)港塘路的實(shí)際道路限速為60 km/h，經(jīng)觀測平均車輛行駛速度主要分為區(qū)間為55～74 km/h之間，該路段連接沿海工業(yè)區(qū)，經(jīng)常有重車通過，綜合上表可以確定，該路段軟土地基處理深度為1.32 m。

除卻車輛軸載和行駛速度，路面結(jié)構(gòu)對軟基處理深度也有很大影響，為了確定不同等級低填方道路典型的軟基處理深度，本文選取了各等級道路較為常用的路面結(jié)構(gòu)層組合，見表5，并進(jìn)行相應(yīng)的方針計(jì)算，得到了各等級道路相應(yīng)的地填方路堤軟基處理深度，見表6。該表格結(jié)論可根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行調(diào)整后用于現(xiàn)場軟基處理深度的確定。

表5 各等級道路典型路面結(jié)構(gòu)層組合

表6 各等級道路軟土地基處理深度Zc

6 結(jié)論

本文通過選取并驗(yàn)證了汽車荷模型及道路模型后，綜合二者進(jìn)行仿真模擬探究不同軸載、車速及道路結(jié)構(gòu)層條件下低填方路堤基于車輛動(dòng)應(yīng)力的軟基處理深度，主要得到以下結(jié)論：

（1）相同條件下，車輛軸載與車輛在道路結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力呈正相關(guān)；車速與車輛在道路結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)；增加路面結(jié)構(gòu)層厚度可以相應(yīng)的減少軟基處理的深度。總的來說即是軸載越輕、車速越快、路面結(jié)構(gòu)層越厚以及路面平整度越高就越有利于減少軟基處理深度，反之則應(yīng)增加軟基處理深度。

（2）通過對不同等級道路常用路面結(jié)構(gòu)層組合的仿真模擬，得到了各等級道路較為典型的軟基處理深度，即考慮車輛動(dòng)應(yīng)力及路面鋪裝情況下，高速公路低填方軟土路基處理深度應(yīng)在1.10 m以上，一級公路為1.23 m以上，二級公路為1.31 m以上，三級公路為1.45 m以上，視重載交通情況軟土地基處理深度相應(yīng)增加25-40 cm。工程實(shí)際中可根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況對上述結(jié)論數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整后用于現(xiàn)場軟基處理深度的確定。

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U416.1

A

1009-7716（2017）04-0177-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.053

2017-01-10

國家自然科學(xué)基金（41402276）

尚志剛（1976-），男，黑龍江黑河人，高級工程師，從事道路規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。