重載交通路基結構動應力測試與分布規律分析

李志勇， 陳曉斌， 凌建明， 王 密， 劉文劼， 楊鐵山

(1. 湖南交通科學院研究有限公司， 湖南 長沙 410000； 2.中南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410082； 3.同濟大學，上海 200082； 4.沈陽圣狩軟件科技有限公司公司， 遼寧 沈陽 110021)

近30 a來，我國陸路交通的軸重不斷增大、速度日益提升、交通流量迅猛增長，高速重載成為現代交通發展新趨勢。大件運輸特重汽車載重達680 t、重載鐵路軸重達30 t、長編組列車運量突破20000 t；高速鐵路時速度達350 km/h；繁忙高速公路日均斷面流量超過10萬輛。高速重載交通荷載作用使路基結構工作區大幅度加深、應力水平顯著提高、動應力響應更加突出，尤其是在高頻次重載與濕度作用下路基結構的非線性永久累積變形和模量衰變加劇。其中高速公路重載現象已經十分突出，加劇了公路路面結構的破壞，縮短了公路使用時間，造成較大的損失[1]。因此，重載公路的路基路面結構耦合動應力響應的測試與研究需要進一步加強。

國外，SAHIS M K[2]等研究結果表明，只有一種典型的瀝青和顆粒層厚度組合才有可能避免路面的車轍和疲勞。用本方法計算的地層厚度與國際上已有的數據進行了比較，結果吻合較好。采用Odemark’s-boussinesq方法確定了路面撓度作為優化路面斷面的性能指標，并與IITPAVE和KENPAVE軟件得到的撓度進行了比較，結果顯示出合理的良好收斂性。LV S T[3]等基于撓度和底部拉應力的疲勞壽命以及實驗室歸一化疲勞方程均顯著增加。將路面材料的疲勞性能與路面結構的疲勞性能相結合，為半剛性基層瀝青路面的設計提供有效的優化方法。TANG L[4]利用有限元分析軟件建立了加寬路基有限元模型，得到高填方路基加寬的變形大于低填方路基結構加寬的變形。國內，盧正[5]等結合現有規范關于路面彎沉控制的思想，考慮路面路基的相互作用及協調變形，給出了路基頂面的動變形控制標準和確定方法，依據此標準提出了一種路基動變形控制設計的方法。蔡漢成[6]等提出了一種新的熱棒路基設計計算方法，其基本原理為確保熱棒年內放熱量不小于路基的年凈吸熱量。結果表明，熱棒路基的沉降量明顯小于普通路基的沉降量，熱棒路基提高了地基多年凍土的穩定性，控制住了路基沉降變形。石小平[6]等針對重車引起砼板底脫空、唧泥、錯臺和斷裂等，提出了控制板角撓度設計方法，該方法對于重載交通的水泥混凝土路面，比控制疲勞應力的方法更切合實際。譚偉[7]等針對某公路路基改良膨脹土，模擬其在長期自然環境中受到的干濕循環和凍融循環作用，分析水泥改良效果的衰變特點，從長期性能角度出發探討合理水泥改良配比。同時從兼顧效果和成本的角度考慮，建議水泥摻量控制在10%左右。王晅[8]等開展了重載作用下公路路基結構動應力測試研究，得到動應力隨著車載重量的增加呈增加趨勢。鄭水明[9]等考慮不同交通荷載、行車速度等對路基結構應力的影響，豎向應力隨著行車速度增加而減小；路基沿豎向應力隨車載增加顯著增加；為道路路面結構設計提供參考。龐勁松[10]等運用通用有限元程序ABAQUS構建了路基拓寬模型，分析道路地基頂面在拓寬工程影響下的沉降規律。

目前，關于車輛動載下的路基路面結構耦合響應的研究主要集中在理論分析、數值模擬方面，而現場試驗研究很少。本文針對目前存在的不足問題，提前在桂武高速公路路基結構埋設應力觀測元件，開展隨機交通荷載、控制速度與軸重條件下的路基結構動態響應現場測試試驗研究，分析重載路基結構的動應力傳遞深度及變化規律，研究結果可為研發重載路基結構長期性能保障技術提供支撐。

1 路基結構交通流量調查

重載交通與一般交通荷載的主要差別是路基結構所受的動載強度加大，引起荷載效應加大、動態附加應力加大，導致路基結構使用壽命縮短，強度、剛度、穩定性等方面的安全儲備下降，各種病害出現的機率加大、危害性加劇。行車荷載是路面損壞現象中一個非常重要的因素。

依據規范，當以設計彎沉和瀝青層層底拉應力為指標時，各級軸載均應按如下公式換算成標準軸載P的當量軸次N。

(1)

在進行具體計算時，C1和C2按軸組計算，Pi為相應單個軸組的平均軸重。結果表明，在對動態數據進行標準軸載作用次數換算時，考慮軸數系數C1與不考慮軸數系數C1的差值并不是很大。為了簡化計算，建議在進行標準軸載作用次數換算時，不計C1的影響，直接將計算結果乘以一個放大系數ξ(ξ取1.025)。根據現場調查及收集到的湖南主要干線交通流特征，現對交通等級進行分類。參考現行瀝青路面設計規范和其他一些省份瀝青路面典型結構研究的做法，按照以彎沉和瀝青層拉應力為設計指標、以半剛性層拉應力為設計指標兩種方法進行交通量分級，見表1。

表1 公路交通等級分類建議Table 1 Highway traffic classification suggestions次/車道方法Ne重交通特重交通(一)特重交通(二)特重交通(三)按彎沉和瀝青層拉應力計算方法1.0×107～2.5×1072.5×107～5.0×1075.0×107～1.0×108>1.0×108半剛性層拉應力計算方法1.0×107～5.0×1075.0×107～2.0×1082.0×108～1.0×109>1.0×109

根據表1數據分析，將交通等級分為特重交通一級、特重交通二級和特重交通三級。

2 動應力現場測試方案

為了研究重載交通荷載作用下路基結構的動應力變化特征，開展控制速度與軸重條件下的路基結構動態響應現場試驗研究，分析重載路基結構的動應力傳遞深度及變化規律。

2.1 測試元件埋設與布置

在路基結構填筑施工中，控制好各層標高，埋設了動態土壓力傳感器，深度方向間距為0.5 m，見圖1。

圖1 路基結構動土壓力盒埋設圖Figure 1 Laying of roadbed structure earth pressure cell

2.2 動力響應測試加載方案

選擇三軸車為代表性車型，后軸為雙輪，外輪距2.10 m，內輪距1.60 m，前軸輪距1.90 m，后兩軸軸距1.35 m，前軸與最近后軸軸距6.15 m，空車總重120 kN，滿載時貨物總重300 kN。實驗加載采用分級加載，各軸載重量分配情況見表2。

表2 試驗加載車軸重Table 2 Test load axle weight實驗加載車輛總重量/kN裝載重量/kN前軸載/kN后軸載(雙軸)/kN空載120.054.066.0重載I級300.0180.090.0105+105重載II級420.0300.0105.0107.5+107.5

等效換算后的，加載控制以實際胎壓為標準，試驗時車輛載重分為空載(胎壓為315 kPa)、重載I滿載(胎壓為735 kPa)、重載II(胎壓為1001 kPa)共3種荷載當量。試驗控制的速度分為3級，分別為60、80和100 km/h，加載方案見表3。

表3 實驗加載方案Table 3 Experimental loading scheme車速/(km·h-1)控制胎壓/kPa車重/kN6031512060735300601 00142080315120807353008010014201003151201007353001001 001420

3 動應力測試結果分析

3.1 路基結構動應力分析

依據埋設在路基體內動土壓力盒，測得了每次加載下路基結構動態附加應力，如圖2所示。

圖2 不同車速下路基結構動應力變化規律

圖2顯示車輛軸重及總重對路基結構動態附加應力影響顯著。比如，空載作用下(控制胎壓315 kPa)，路基頂面動態附加應力峰值范圍在20～28 kPa之間；重載I級作用下(控制胎壓735 kPa)，路基結構頂面動態附加應力峰值則達到了35～42kPa之間；重載Ⅱ級作用下(控制胎壓1 001 kPa)，路基結構頂面動態附加應力峰值則達到了38～50 kPa之間，個別測點出現了大于50 kPa的應力峰值。隨著軸重增加，路基結構的附加應力增加，尤其是軸重的增加更為明顯。

行車速度對路基結構動應力的影響，實驗數據顯示雖然隨著速度的增加，路基結構表層的動態應力有所增加，但是速度對動應力增加的影響不明顯。在重載II級加載下(控制胎壓1 001 kPa)，車速從60 km/h提高到100 km/h時，路基結構頂面動應力幅值從42～46 kPa增加到43～48 kPa。結果表明對于重載交通荷載，速度的影響遠小于軸重及總車車輛對路基結構應力增加的影響。

測試結果表明，路基結構頂面動應力幅值的集中域(車輪對應相面)一般在20～50 kPa。行車道對應位置以下的動態土壓力普遍高于超車道。

3.2 路基動應力分布規律

為了描述動態土壓力沿著路基結構深度變化的規律，定義了動態土壓力影響系數，見式(2)。

(2)

圖3 路基結構動應力比曲線Figure 3 Dynamic stress ratio curve of subgrade structure

由圖3顯示，動態土壓力變化明顯，與深度-0.5、-1.0、-1.5、-2.0、-2.5和-3.0 m對應的土壓力影響系數為0.68、 0.45、 0.30、 0.17、 0.13和0.10。由此，提出非線性數學公式模擬土壓力影響系數，見式(3)。

(3)

式中: e為自然對數;z為路基結構深度值。

3.3 路基結構應力分區

盧正[11]等研究了汽車軸載、路面厚度及路基模量對路基工作區深度的影響，最后建立路基工作區深度的定量表達式，研究結果可為公路路基設計提供參考。

由此，把重載交通荷載作用下的路基結構劃分為動荷載敏感區(動態附加應力峰值大于自重應力20%)和動荷載影響區(動態附加應力峰值大于自重應力10%)。測試得到的1 001 kPa重載交通下路基結構動應力與自重應力比隨著深度變化情況見圖4。

圖4 動態附加應力峰值/自重應力隨深度變化Figure 4 Dynamic additional stress peak/deadweight stress varies with depth

圖4所示結果顯示，路基結構頂面以下1.5～2.0 m深度范圍為動應力敏感區，其動態附加應力峰值/自重應力接近0.2。路基結構頂面以下2.0～3.0 m深度范圍內其動態附加應力峰值/自重應力接近0.1。

4 結論

a.通過交通荷載特征調查，按彎沉和瀝青層拉應力計算方法，當BZZ-100累計標準軸載Ne(次/車道)達到2.5×107～5.0×107為特重交通一級；當BZZ-100累計標準軸載Ne(次/車道)達到5.0×107～1.0×108為特重交通二級；當BZZ-100累計標準軸載Ne(次/車道)大于1.0×108為特重交通三級。

b.重載交通路基結構按動應力變化規律，可劃分為動荷載敏感區和動荷載影響區。其中路基結構頂面以下1.5～2.0 m深度范圍為動應力敏感區，其動態附加應力峰值/自重應力接近0.2。路基結構頂面以下2.0～3.0 m深度范圍內為動荷載影響區，其動態附加應力峰值/自重應力接近0.1。