重載交通對道路路基設(shè)計(jì)方法影響研究

1、重載交通對道路路基設(shè)計(jì)方法的影響研究 1.1.重載交通路基路面變形破壞現(xiàn)象重載交通路基路面變形破壞現(xiàn)象 2.土的應(yīng)力土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系 3.重載交通下路基工作區(qū)深度的研究重載交通下路基工作區(qū)深度的研究 4.試驗(yàn)分析試驗(yàn)分析 1.1.重載交通路基路面變形破壞現(xiàn)象重載交通路基路面變形破壞現(xiàn)象 在我國，隨著國民經(jīng)濟(jì)和公路交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，運(yùn)輸車輛中大型貨運(yùn)車輛的比重不斷增加，載貨汽車的超載現(xiàn)象變的越來越嚴(yán)重，如表 1.2 所示，汽車超限超載已是普遍存在的問題。 在路面上，車輛超重引起“重軸載”和輪胎-路面“重接觸應(yīng)力”，使路面處于“重負(fù)載”狀態(tài)(或“重載”狀態(tài))，在重載交通條件下，瀝青路面

2、主要損害類型表現(xiàn)為行車道輪跡帶車轍與裂縫(龜裂與縱向裂縫)，若上述裂縫得不到及時(shí)的養(yǎng)護(hù)維修，在水的作用下將進(jìn)一步發(fā)展為松散或坑槽等水損害，如表 1.3 所示 在路基上，重載交通作用下路基路面的應(yīng)力分布更加不均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象更加嚴(yán)重，使得路基路面的應(yīng)力和彎沉隨車輛荷載的增加明顯增大，從而對路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生了極大的影響，出現(xiàn)不同程度的變形失穩(wěn)。 2.土的應(yīng)力土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系 路基變形是由路基土體變形引起的。土是由土骨架、孔隙中的水和空氣組成的。在動荷載作用下，土顆粒向著新的較穩(wěn)定的位置移動，土體產(chǎn)生變形。土體內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變與時(shí)間三者之間存在一定關(guān)系，我們稱之為“土的動力本構(gòu)關(guān)系”

3、，是分析土體變形失穩(wěn)過程等一系列特性的重要基礎(chǔ)。 土的骨干曲線如下圖所示。從土的骨干曲線圖中可以看出，土的非線性性質(zhì)非常明顯。土的骨干曲線是受同一固結(jié)壓力的土在不同動荷載(一般為周期重復(fù)的正弦荷載)作用下每一周應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線滯回圈頂點(diǎn)的連線。滯回圈的存在表明土體在剪切過程中損耗了一定的能量，體現(xiàn)了阻尼作用。土在受荷過程中變形模量不是個定值，而是隨荷載而變化的，骨干曲線的非線性實(shí)際上反映了土的等效變形模量的非線性。 土不僅具有彈塑性的特點(diǎn)，而且還有粘性的特點(diǎn)，其在循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出非線性、滯后性和變形積累三方面特征。土的動應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系并不是表現(xiàn)為以上三個特性的簡單組合，土的

4、各種特性之間還存在著特殊復(fù)雜的關(guān)系。在建立土的本構(gòu)關(guān)系時(shí)，土的以上三方面特性必須聯(lián)合考慮，尋找出它們之間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，這樣所建立的本構(gòu)關(guān)系才能最大程度接近土體實(shí)際的性質(zhì)，計(jì)算結(jié)果才能足夠的精確。彈性元件和塑性元件的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系組合可得理想彈塑性模型，彈塑性結(jié)構(gòu)模型是由彈性模型和塑性模型串聯(lián)而成，如圖所示。 粘彈性結(jié)構(gòu)模型是由彈性模型和粘滯性模型并聯(lián)而成，如下圖所示: ddE C dd0dE 3.重載交通下路基工作區(qū)深度的研究重載交通下路基工作區(qū)深度的研究 路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度除了與路面材料的品質(zhì)有關(guān)之外，路基的支撐起著決定性作用，路面結(jié)構(gòu)的損壞，除了它自身的原因之外，路基的變形過大是重要

5、原因之一。研究表明，在大量的公路建設(shè)中，由于受成本制約，一般結(jié)構(gòu)層較薄、路基標(biāo)高嚴(yán)重偏低，而且路基和地基的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)也偏低，造成整個路基和一定深度的地基都處于路基工作區(qū)范圍內(nèi)，路基的支撐強(qiáng)度和剛度嚴(yán)重不足。特別在重載交通條件下，路基的工作區(qū)深度加大，造成通車后較短時(shí)間內(nèi)即出現(xiàn)路面開裂、卿漿等早期病害，從而加速了路面結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生、發(fā)展，造成后期路面維修費(fèi)用增大。 路基在工作過程中，同時(shí)受到由路面上傳遞下來的車輛荷載，以及路基和路面的自重作用。土質(zhì)路基受力時(shí)，不同深度 Z 范圍內(nèi)的應(yīng)力計(jì)算公式如 ( 1)所示。其中 為路基土在車輪荷載作用下所引起的垂直應(yīng)力。計(jì)算時(shí)，假定車輪荷載為一圓形均布垂直荷載

6、，路基為一彈性均質(zhì)半空間體。z212.5()zpZD（1）式中: p車輪荷載換算的均布荷載kN/m2; D圓形均布荷載作用而積的直徑; Z圓形均布荷載中心下應(yīng)力作用點(diǎn)的深度，m。式中: 土的容重，kN/m3; Z應(yīng)力作用點(diǎn)深度。 路基土本身自重在路基內(nèi)深度為 Z 處所引起的垂直壓應(yīng)力 按式 ( 2) 計(jì)算BeZ（2）由上可知， 隨路基深度的增加而線性增加。在施工過程中，只要按規(guī)范規(guī)定分層填筑路基，在達(dá)到強(qiáng)度和密實(shí)度要求并經(jīng)過規(guī)定時(shí)間的預(yù)壓過程后，符合容許彎沉值，這樣，自重對路基整體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是有利的。e將式 ( 1) 和式 ( 2) 代入式 ( 3) ，則得到路基工作區(qū)深度凡，即 自路基頂

7、面至受荷載影響甚微的一定深度范圍稱作路基工作區(qū)。一般教材認(rèn)為，當(dāng)車輪荷載引起的垂直應(yīng)力 與路基土自重引起的垂直應(yīng)力 相比所占比例很小，僅為 1/10 1/5 時(shí)，該深度 Z 范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū)，即:eZ1zen（3）3aKnpZ（4）式中: Za路基工作區(qū)深度，m; p輪重荷載，kN;K系數(shù)，取 K = 0. 5; 土的容重，kN / m3; n系數(shù)，n =5 10。 事實(shí)上，由于各種道路的路面結(jié)構(gòu)不同，路基壓實(shí)度不同，路基工作區(qū)也不同。單從定義上來看，該標(biāo)準(zhǔn)已將不同路面結(jié)構(gòu)、車輛荷載不同，不同壓實(shí)度等因素對車輛荷載在路基中應(yīng)力擴(kuò)散作用的不同考慮在內(nèi)了。從路基工作區(qū)標(biāo)準(zhǔn)中可以看出，該標(biāo)

8、準(zhǔn)并未考慮不同的路面結(jié)構(gòu)、不同壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)等對車輪荷載的擴(kuò)散作用，僅從車輪荷載 p 和土的容重 來計(jì)算路基工作區(qū)深度，這使得上述規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有很大的局限性，不能適應(yīng)重載交通工況。 4.試驗(yàn)分析試驗(yàn)分析 研究輪壓分別為0.9MPa、1.1MPa、1.3MPa三個等級下路基中的工作區(qū)深度。方法是采用有限元計(jì)算軟件模擬計(jì)算路基和地基中土的塑性變形區(qū)深度，即得到了路基在各輪壓下的工作區(qū)深度。取輪在影響范圍的1/4建立有限元模型。據(jù)赫克洛姆(Heukelom)和克羅樸(Klomp)提出的輪載P與接地壓力p之間的關(guān)系公式，由軸載計(jì)算出輪胎壓強(qiáng)，即 ： Pi、Pj分別為各級軸載;pi、pj分別為相應(yīng)的輪胎壓強(qiáng)。

9、又根據(jù)公式： (為當(dāng)量圓的半徑)，可以計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)輪壓和各種超載輪壓下的當(dāng)量圓半徑和圓心距離，見表5-1。 13()iijjpPpP2Pp路面結(jié)構(gòu)仍然采用典型路面結(jié)構(gòu)。根據(jù)前人所做的研究選取各層材料參數(shù)如下表5-2。 計(jì)算出各輪壓下輪隙位置路基中塑性應(yīng)變值如下圖5-3所示。地基壓實(shí)度提高至94%時(shí)模型及參數(shù)同上。計(jì)算結(jié)果如下： 可以看出與地基壓實(shí)處理以前相比，0.9MPa輪壓1.1MPa輪壓下工作區(qū)深度減小了1.5m，1.3MPa輪壓下工作區(qū)深度減小了1m。這說明對地基進(jìn)行壓實(shí)處理對減小路基工作區(qū)深度有積極的作用，而且輪壓越大，效果越明顯。地基路基處理后工作區(qū)深度 對路基處理提出了兩個方案進(jìn)行研究

10、: (1)方案1:地基表層30cm壓實(shí)度采用90%壓實(shí)度。 路基:表層60cm，每層20cm，自下而上分別采用3、5、12%石灰處置土。 (2)方案2:地基表層30cm壓實(shí)度采用90%壓實(shí)度。 路基:1m路基自下而上:40cm、3%石灰土，40cm、5%石灰土，20cm、12%石灰土。 經(jīng)研究，從改善路面結(jié)構(gòu)的受力方面來看，方案二要優(yōu)于方案一，并建議對地基200cm范圍內(nèi)進(jìn)行處理，壓實(shí)度應(yīng)控制在90%以上。 本此研究將地基200cm范圍內(nèi)的壓實(shí)度提高至94%，路基灰土處治方案采用上述方案二。計(jì)算驗(yàn)證地基壓實(shí)處理和路基灰土處治對路基工作區(qū)深度的影響。計(jì)算同樣采用有限元分析軟件模擬，模型同5.1節(jié)。參數(shù)如表5-5。經(jīng)計(jì)算得出各輪壓下輪隙位置路基中塑性應(yīng)變值分別如下圖5-12 與灰土處治前相比，路基工作區(qū)深度減小了約1.5m。說明路基進(jìn)行灰土處治、提高地基的壓實(shí)度，對于路基工作區(qū)深度的改善都有很好的效果。參考文獻(xiàn)地下暗河及軟基區(qū)重載路基變形破壞物理模型試驗(yàn)研究重載標(biāo)準(zhǔn)與