淺談道路路基沉降容許值的研究進(jìn)展

馮 鑫

(遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110015)

0 引言

運(yùn)營(yíng)期路基發(fā)生沉降將給車(chē)輛行駛的舒適性和安全性帶來(lái)隱患，因此，控制路基發(fā)生沉降是道路工程中持續(xù)關(guān)注的研究課題。通過(guò)優(yōu)化路基填料級(jí)配或者篩選力學(xué)性能較好的材料作為路基填料，是工程界控制路基沉降的常用方法。我國(guó)路基設(shè)計(jì)以回彈模量作為力學(xué)依據(jù)，以CBR作為路基填料的評(píng)價(jià)指標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)施工中以最佳含水率和壓實(shí)度作為基本控制指標(biāo)，施工完成后以路表彎沉作為驗(yàn)收指標(biāo)，在路基的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收以及運(yùn)營(yíng)過(guò)程缺乏一套完整計(jì)算方法來(lái)預(yù)估路基容許沉降量的取值。道路路基發(fā)生較大的不均勻變形，路面將會(huì)開(kāi)裂、斷塊、表面變形隆起、塌陷、脫空、接縫錯(cuò)臺(tái)及封縫材料失效等，行車(chē)安全和結(jié)構(gòu)安全將會(huì)受到影響。如何將路基沉降量控制在一個(gè)可容許的范圍之內(nèi)，是道路領(lǐng)域需要面對(duì)的工程問(wèn)題。

從表現(xiàn)形式來(lái)講，路基沉降可分為工后沉降和差異性沉降兩種類(lèi)型。從路基沉降的描述方式以及路基沉降的容許值等兩個(gè)方面分析當(dāng)前道路工程領(lǐng)域的研究進(jìn)展，理清了路基沉降曲線的常見(jiàn)描述方程以及路基容許沉降量的取值，相關(guān)研究結(jié)論可為施工過(guò)程中路基沉降控制措施提供借鑒。

1 路基沉降曲線的數(shù)學(xué)方程

路基頂面因?yàn)榘l(fā)生沉降而形成新的凹陷型曲面，如圖1所示，該凹陷面可用路基沉降曲線來(lái)表征。由于道路的可延伸性，該路基沉降曲線通常取某個(gè)橫線斷面作為研究對(duì)象，采用二元函數(shù)進(jìn)行描述。對(duì)沉降曲線進(jìn)行定量描述是提出沉降容許值的先決條件。根據(jù)不同的工況所選擇的沉降曲線函數(shù)表達(dá)式不盡相同。表1為路基沉降曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)描述的代表性成果。

圖1 路基沉降曲面示意圖

表1 路基沉降曲線的典型數(shù)學(xué)描述方程

分析表1的函數(shù)表達(dá)式可知，不同場(chǎng)景下的路基沉降曲線函數(shù)均可表征沉降量從路基邊緣向路基中心位置處均勻增大的特點(diǎn)。學(xué)者們根據(jù)研究工況的不同而選擇不同的描述函數(shù)，文獻(xiàn)[1-3]描述的不均勻沉降多由舊路拓寬、不均勻融沉等因素引發(fā)，其特點(diǎn)是沉降的跨度較大，通常覆蓋了半幅路基。文獻(xiàn)[4]提出的則是交通荷載和重載作用下行車(chē)道下路基的不均勻沉降量描述方程。以這些描述函數(shù)為基礎(chǔ)，可定量給出路基沉降量的取值。

2 路基沉降的容許值

路基沉降容許值的確定為設(shè)計(jì)和施工提供了控制指標(biāo)，我國(guó)一定程度吸取了國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的制定經(jīng)驗(yàn)，在公路工程、鐵路工程以及機(jī)場(chǎng)工程領(lǐng)域?qū)β坊蛘叩阑某两等菰S值均提出了明確的要求，見(jiàn)表2所示。

表2 我國(guó)現(xiàn)有規(guī)范對(duì)路基沉降容許值的規(guī)定

需要注意的是，由于我國(guó)幅員遼闊，不同自然區(qū)劃內(nèi)的環(huán)境特征差異性巨大，加上不同工況下工程地質(zhì)條件迥異，由表1給出的路基(道基)沉降容許值并不能一概而論，應(yīng)用于各種施工狀況。在實(shí)際的執(zhí)行過(guò)程中，根據(jù)施工的需要往往會(huì)提高沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)，比如高速鐵路要求路基在長(zhǎng)期、重復(fù)交通荷載作用下產(chǎn)生的塑性附加沉降變形應(yīng)小于等于5mm[8]。

路基沉降容許值的實(shí)際執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)比規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)偏高的現(xiàn)象，側(cè)面反映出當(dāng)前我國(guó)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范尚不足以應(yīng)對(duì)多種環(huán)境特征下控制交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生沉降的需求。當(dāng)前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)于路基沉降容許值的描述還存在很大的完善空間。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者在道路路基沉降標(biāo)準(zhǔn)研究方面取得了一些新的研究進(jìn)展，見(jiàn)表3所示。

表3 近年來(lái)路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展概述

可以看出，學(xué)者們不再熱衷于提出某種具體的路基沉降值，而是根據(jù)實(shí)際的工程狀況，以某個(gè)具體的控制指標(biāo)作為參考，給出一套完整的計(jì)算流程，得到一個(gè)開(kāi)放式的控制標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，再將工程參數(shù)作為初始輸入，經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算即可獲取當(dāng)前條件下的路基沉降容許值。文獻(xiàn)[4]給出的計(jì)算流程最具代表性，季凍區(qū)路基不均勻變形控制指標(biāo)A的計(jì)算式如式(1)所示：

(1)

其中控制指標(biāo)A為表1中文獻(xiàn)[4]提出的路基沉降曲線函數(shù)的系數(shù)，該控制指標(biāo)能夠有效表征路基沉降面的寬度和深度，繼而精準(zhǔn)描述沉降面的發(fā)展趨勢(shì)。[σy,max]為底基層層底拉應(yīng)力的容許值，在道路設(shè)計(jì)階段根據(jù)具體的路面結(jié)構(gòu)計(jì)算獲取。σy,max(hi)和σy,max(Ei)分別為路基上覆結(jié)構(gòu)層層厚hi和動(dòng)彈性模量Ei的影響函數(shù)，二者的取值均由式(2)給出：

σy,max=a+bxc

(2)

式中a、b、c為擬合參數(shù)，其擬合值見(jiàn)表4所示。當(dāng)計(jì)算σy,max(hi)時(shí)，式(2)中的x依次取為hpav、hbas和hsub，單位mm；當(dāng)計(jì)算σy,max(Ei)時(shí)，式(2)中的x

表4 影響函數(shù)σy,max(hi)和σy,max(Ei)的計(jì)算參數(shù)取值表

依次取為Epav、Ebas和Esub，單位kPa。

由式(1)、式(2)以及表4即可得到季凍區(qū)路基不均勻變形控制指標(biāo)A的容許值。

3 結(jié)語(yǔ)

分析了我國(guó)交通基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域?qū)τ诨A(chǔ)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的研究進(jìn)展，首先給出了路基沉降曲線的代表性描述方程，歸納了道路工程、鐵路工程和機(jī)場(chǎng)工程領(lǐng)域路基(道基)容許沉降量的取值，進(jìn)一步分析了上述三個(gè)工程領(lǐng)域近年來(lái)的研究進(jìn)展，并重點(diǎn)介紹了一套完善的路基沉降容許值的計(jì)算流程。認(rèn)為當(dāng)前實(shí)行的路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)一定程度上能夠?qū)Φ缆方ㄔO(shè)提供有效指導(dǎo)，隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的廣泛開(kāi)展，面臨的建設(shè)環(huán)境越發(fā)復(fù)雜，有必要針對(duì)具體的工程狀況提出一套完善的路基沉降容許值的計(jì)算流程，繼而完善交通基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系。