論車速及軸向荷載作用下的路基變形

羅麗香

（湖南高速華達工程有限公司，湖南 長沙）

引言

隨著我國高速公路施工技術的不斷完善，對路基耐久性的要求也越來越高。在行車荷載的作用下，如何保證路基能夠適應正常的通行需求至關重要。結合計算機模擬技術的運用，通過分析某高速路的具體狀況，對高速公路的各種影響因素進行了研究。通過對不同速度、軸向荷載作用下路基質量缺陷形成的縱、橫向變形開展綜合分析，總結出病害發(fā)生的原因、發(fā)展趨勢，期望為這類工程的建設提供借鑒。

1 工程概況

某高公路雙向共有四車道，每條車道的寬度為3.5 m。路面厚度為0.8 m，共分為3 層，最上面是面層，中間是基層，最下面的是底基層，再往下是路堤，厚度約為1.5 m，坡度是1:1.5，路堤表面缺陷層的厚度為0.7 m。通過使用數值法，具體分析了缺陷層對路堤的影響。路堤模型見圖1。

圖1 路堤模型示意

2 數值建模

準確獲得路基土的關鍵參數，在此基礎上，運用數值模擬方法有效分析路基變形響應。獲得這些數據，主要是開展室內試驗來實現，通過現場測試傳感器，能捕捉到路基動態(tài)變形響應，將其當作數值模擬基準[1]。

2.1 網格劃分

汽車通過荷載屬于常見的動荷載，文中選取了ABAQUS 的EXPLICIT 功能，對其進行了分析。圖2 為路基模擬圖，模擬環(huán)節(jié)采用了摩爾- 庫倫理論，通過網格化手段來加密處理缺陷部位，y 軸上的缺陷部位長度為14.5 m。網格共計25 568 個，網格單元為六面體。

圖2 數值模擬

使用ABAQUS 軟件中的AMPLITUDE 模塊來調整交通荷載，根據相關文獻資料，合理設置移動帶，移動荷載主要是通過DLOAD 程序實現。根據各種參考文獻，選擇100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 四種荷載開展研究[2]。

2.2 模擬工況

路基在不同車速及行車荷載的作用下，會發(fā)生沉降變形。為準確分析各種具體情況，文中選取了40 km/h、60 km/h、80 km/h 三種行車速度進行研究，設定四種車軸向荷載，分別為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN，通過施加5 000 次荷載，共有12 種情形，模擬工況見表1。

表1 模擬工況

3 車輛速度和軸向荷載對路基變形分析

3.1 車輛沿行駛方向的路基沉降分析

圖3 顯示了行車速度為40 km/h、60 km/h、80 km/h，車輛軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時，行車方向的路基沉降分布狀況。

分析圖3a 可知，當車輛維持在40 km/h 速度前行，軸向荷載上升時，則路基形變量會變大。受各種軸向荷載影響，在平行方向上4 m 處的形變最為明顯。在軸向荷載依次增大到100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時，對應產生的沉降值分別是13.2 mm、17.1 mm、21.9 mm、25.1 mm。正常部位路基的形變量最大為12.6 mm，相較于同等條件下缺陷部位的路基形變量，下降了49.8%。

分析圖3b 可知，當車輛維持在60 km/h 速度前行時，軸向荷載上升，則路基形變量會變大。受各種軸向荷載影響，在平行方向上4 m 處的形變最為明顯。在軸向荷載依次增大到100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時，對應產生的沉降值分別是12.8 mm、15.7 mm、19.6 mm、24.2 mm。正常部位路基的形變量最大是11.7 mm，相較于同等條件下缺陷部位的路基形變量，下降了51.7%。

分析圖3c 可知，當車輛維持在80 km/h 速度前行時，軸向荷載上升，則路基形變量會變大。受各種軸向荷載影響，在平行方向上4 m 處的形變最為明顯。在軸向荷載依次增大到100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時，對應產生的沉降值分別是10.1 mm、12.6 mm、15.8 mm、18.8 mm。正常部位路基的形變量最大是8.5 mm，相較于同等條件下缺陷部位的路基形變量，下降了55%。

圖3 沿行駛方向路基沉降

需特別注意的是，汽車勻速行駛時，在不同軸向荷載下，路基形變量曲線一致，汽車調速后，形變量會出現改變。車速增至40 公里/小時，其曲線為“w”形；在速度為60 公里/小時和80 公里/小時，曲線呈現“V”形，在同一條件下，地基沉降隨車速的增大而減小[3]。

3.2 道路橫斷面路基沉降分析

圖4 顯示行車速度為40 km/h、60 km/h、80 km/h時，車輛軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時，公路橫斷面方向的路基沉降分布狀況。

分析圖4a 可知，距道路中心線6.5 m 的地方，路基沉降曲線的兩端是對稱的，沉降值在車輪處最大，其周邊300～600 mm 之內會出現凸起。汽車保持40 km/h 的速度行駛時，當軸向荷載變大時，路基形變量會不斷變大。軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時，對應的沉降值分別為13.8 mm、14.3 mm、22.1 mm、25.5 mm。對正常部位的路基而言，其形變量最大值為12.5 mm，相比較于缺陷部位路基的形變量，下降了51%。

圖4b 表示汽車保持60 km/h 的速度前進時，分析公路橫斷面路基形變量變化趨勢圖，其狀態(tài)與車速為40 km/h 的曲線一致。汽車保持40 km/h 的速度行駛，當軸向荷載變大時，路基沉降值會不斷變大。軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時，對應的沉降值分別為12.6 mm、16.2 mm、20.7 mm、23.9 mm，正常部位路基的形變量最大為12.5 mm，相比較于缺陷部位路基的形變量，下降了51.9%。

圖4c 表示汽車保持80 km/h 的速度前進時，公路橫斷面路基沉降變化趨勢圖，它與車速為40 km/h、60 km/h 的曲線一致。汽車保持80 km/h 的速度行駛，當軸向荷載變大時，路基沉降值會不斷變大。軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 時，對應的沉降值分別為10.8 mm、13.0 mm、16.9 mm、19.1 mm。正常部位路基的形變量最大為8.8 mm，相比較于缺陷部位路基的形變量，下降了53.9%。

圖4 沿道路橫斷面路基沉降

綜合對比分析圖4a、圖4b、圖4c 可知，公路橫斷面路基形變量不會因車速的改變而改變。當軸向荷載增至185 kN 時，正常路基較于同等條件的缺陷路基，其沉降值會下降約50%。在其他條件一致的情況下，當汽車加速時，路基沉降量會慢慢變小。

4 結論

文中以某高速公路工程項目為案例，針對于質量存在缺陷的路基，運用計算機模擬技術，綜合分析了受不同車速及軸向荷載影響的縱、橫向變形狀況，所得結論如下：

（1）在行車方向上，當行車荷載變大時，路基沉降值會隨之變大。與此同時，當車速增加時，其形變量會慢慢變小。

（2）當汽車車速保持不變時，受不同的軸向荷載的影響，路基在行車方向上的沉降變化曲線一致。如果車速變化，曲線會隨時發(fā)生改變。車速為40 km/h時，該曲線表現為“w”形；車速增至60 km/h、80 km/h時，曲線會變?yōu)椤癡”形。

（3）當車輛軸向荷載變大時，公路橫斷面方向的路基形變量會隨之變大，而車速增加時，形變量會隨之變小。