车辆荷载的影响深度及其影响因素的研究

1、第 26卷增刊 岩 土 力 学 Vol.26 Supp. 2005年 5月 Rock and Soil Mechanics May 2005收到修改稿日期:2005-01-17作者简介:黎冰,男, 1981年生,博士研究生,主要从事轻质土动力性质及路基工程方面的研究。 E-mail: lbershui81文章编号:1000-7598-(2005增刊-310-04车辆荷载的影响深度及其影响因素的研究黎 冰 1,高玉峰 1,魏代现 2,刘汉龙1(1. 河海大学 岩土工程研究所,南京 210098; 2. 山东临沂岸堤水库管理处,山东 临沂 276001摘 要:基于车辆动荷载的特点以及国内车辆普遍超

2、载的实际情况,将车辆动荷载等效简化为集中静荷载。应用 Boussinesq 解和分层总和法, 以 4个工程实例分析了车辆动荷载的影响深度以及路堤高度和车辆超载程度 2个重要因素对影响深度的影 响。 分析结果表明, 不超载情况下, 车辆动荷载的影响深度大约在 6.08.0 m范围内, 超载情况下, 其影响深度大约在 6.014.0 m范围内;车辆动荷载的影响深度随路堤高度的降低而呈线性关系增大,随车辆超载倍数的增加而呈抛物线关系增大。 关 键 词:车辆荷载;影响深度;超载;高速公路;路堤高度 中图分类号:TU 43 文献标识码:AResearch on influential depth of

3、vehicle loads and its influencing factorsLI Bing1, GAO Yu-feng1, WEI Dai-xian2, LIU Han-long1(1. Research Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Andi Reservoir Management Station of Linyi City, Shandong province, Linyi 276001, ChinaAbstract: Considering th

4、e characteristic of vehicle loads and the actuality of overloading of vehicle in China, simplifying vehicle loads as equivalent static concentrated load, using Boussinesq solution and layer-wise summation method, the influential depth of vehicle loads and its two important influencing factors, emban

5、kment height and overloading degree, were analyzed performed on four actual examples. Results indicate that the influential depth of vehicle loads is about 6.0-14.0 m in the condition of overloading; otherwise it is about 6.0-8.0 m; the influential depth of vehicle loads linearly increased with the

6、decrease of embankment height and parabolic increased with the increase of overloading degree of vehicle.Key words: vehicle loads; influential depth; overloading; expressway; embankment height1 前 言高速公路上的车辆荷载是一种长期循环荷载。 几十年前,人们研究就发现,在其他条件相同的情 况下动荷载对基础变形的影响大于静荷载对基础变 形的影响(Schimming 等, 1966年; Yamanouchi

7、和 Yasuhara , 1975年; Fujiwara等, 1985年; Tohno 等, 1989年 14,并且,很多的工程实例也验证了此观点。日本某机场高速公路在正式运行后,监 测发现,由车辆荷载引起的沉降大约占工后总沉降 的 30 % 5。建于 Ariake 粘土上的日本某低路堤高 速公路,在投入运行后发生了惊人的沉降, 5年达 12 m 6。此外,据有关报道,目前每天通过九江 长江大桥的车流量近万辆,其中 80 %是重型车辆, 这些重型车辆绝大部分处于超载状态, 一般是 35倍的超载。因此,对建于软土地基上高速公路在车 辆荷载(特别是超载车辆荷载作用下的沉降问题 应引起足够的重视。为

8、了满足运行要求,高速公路对其路堤的工后 沉降量有严格的限制。然而,车辆荷载引起的地基 沉降属于工后沉降,所以很有必要研究清楚车辆荷 载的影响深度(从路面计起,下同以及各种影响 车辆荷载影响深度的因素。研究清楚车辆荷载的影 响深度,就可以进行有针对性的软土地基处理方案 设计,这对高速公路的建设将大有裨益。国外已有学者对此进行了相关的研究。 Hyodo 等 (1989年 做现场动力试验后发现,低路堤地基 内由卡车引起的竖向应力大约是其自身净重的 45倍 7。 Chai 等(2002年建立了一个经验公式, 用 3个工程实例验证了该经验公式的可行性,并得增刊 黎 冰等:车辆荷载影响深度及其影响因素的研

9、究 出了车辆荷载的主要影响深度为路基以下 6.0 m左 右的结论 8,但其未论及影响车辆荷载影响深度的 因素。国内还未见相关的研究信息。基于以上原因,本文采用将车辆荷载简化为集 中分布的静荷载的计算方法,分析了车辆荷载的影 响深度以及路堤高度和超载 2个影响因素,期望分 析结果对以后的软基处理设计有所帮助。2 计算方法车辆载重量取为 30 t。按规范规定,载重量为 30 t的车子左右轮距为 1.8 m,轴距为 4.0+1.4 m, 前轴、 中轴和后轴分别承受车辆荷载的 20 %, 40 %和 40 %, 前轴为单轮, 标准接触面积为 0.30.2 m, 中后轴为双轮,标准接触面积为 0.6 m

10、0.2 m,车 辆外形尺寸 (长宽 为 8 m2.5 m 9。 假定车辆荷载 在软土地基中产生的竖向应力是其静态下的 4倍 7。将车辆荷载简化为静荷载,假定车辆荷载按规 范规定分配到各个车轴,车轮作用在路面上的力为 集中力,具体计算简图如图 1所示。假定地基土是 连续、均匀、各向同性的半无限弹性体,应用 Boussinesq 解答 10可得:5323R Pz z = (1式中 z 为地基中由车辆荷载引起的竖向附加应力; P 为集中荷载; z 为从路面记起计算点的深度, R 为集中荷载作用点与计算点之间的距离。M 点总的竖向附加应力为 MEz MD z MC z MB z MA z MO z M

11、 z ( ( ( ( ( ( (+= (2式中 M (z 为地基中车辆动荷载在 M 点引起的竖 向附加应力; MO (z , MA (z , MB (z , MC (z ,MD (z 和 ME (z 分别为 O E 处的集中荷载在 M 点产生的竖向附加应力 (如图 1所示 。 图 1 车辆荷载集中分布示意图(单位:m Fig.1 Sketch of concentrated distribution vehicle loads(unit: m由式 (2计算得出的是车辆荷载在地基中产生 的静附加应力,将其乘以 4倍就可得到车辆荷载在 地基中产生的动附加应力,再采用分层总和法计算 地基的沉降量。3

12、 车辆荷载影响深度分析3.1 计算资料本文分别以沪 -宁高速公路 k2+000, k95+114和 k119+000断面和杭 -金 -衢高速公路娄下陈段断面 (以下分别简称为断面 1、 断面 2、 断面 3和断面 4 为研究对象, 采用 e -log p 曲线法计算地基沉降。 断 面 14的实际路堤高度分别为 4.25, 4.15, 3.6 m和 2.8 m,路堤填土重度均为 19.0 kN/m3, 4个断面 地基土的分层总和法计算参数分别见表 14。表 1 沪 -宁高速公路 k2+000断面分层总和法计算参数 Table 1 Calculation parameters of layer-w

13、ise summation method of k2+000 section of Shanghai-Nanjing Expressway土层号层厚 / m /kNm-3e Ce C sP c /kPa1 1.0 8.9 0.880 0.200 0.020 144 2 1.5 8.8 0.944 0.335 0.042 150 3 5.5 9.6 0.939 0.250 0.024 80 4 2.0 9.0 0.735 0.169 0.017 140 5 9.0 9.8 0.884 0.175 0.010 175 注:数据取直沪 -宁高速公路软基处理论文集(江苏省高速公路建设指 挥部 ,河海大

14、学编, 1994。表 2 沪 -宁高速公路 k95+114断面分层总和法计算参数 Table 2 Calculation parameters of layer-wise summation method of k95+114 section of Shanghai-Nanjing Expressway土层号层厚 / m /kNm-3e Ce C sP c /kPa1 1.0 19.0 0.880 0.200 0.002 144 2 1.0 7.0 1.900 0.750 0.006 60 3 2.0 9.0 1.123 0.211 0.018 170 4 2.0 9.5 1.100 0.30

15、0 0.025 140 5 2.0 7.0 1.920 1.160 0.062 130 6 3.0 9.5 1.100 0.300 0.025 130 7 7.0 9.5 0.820 0.218 0.002 252表 3 沪 -宁高速公路 k119+000断面分层总和法计算参数 Table 3 Calculation parameters of layer-wise summation method of k119+000 section of Shanghai-Nanjing Expressway土层号层厚 / m/kNm-3e Ce C sP c /kPa 1 1.0 19.4 0.815

16、 0.213 0.015147 2 1.1 9.4 0.815 0.213 0.015110 3 1.3 8.1 1.140 0.395 0.034105 4 1.0 8.5 1.050 0.288 0.022144 5 1.5 7.2 1.330 0.900 0.052127 6 1.5 7.9 1.150 0.231 0.022141 7 1.5 8.4 1.010 0.234 0.018160 8 1.5 8.5 0.983 0.556 0.045122 9 1.5 7.8 1.060 0.337 0.033145 10 2.0 7.3 0.978 0.315 0.027141311岩

17、土 力 学 2005年表 4 杭 -金 -衢高速公路某断面分层总和法计算参数 Table 4 Calculation parameters of layer-wise summation method of one section of Hangzhou-Jinhua-QuzhouExpressway 土层号层厚 / m /kNm -3e Ce C sP c /kPa 1 1.8 9.2 0.7810.103 0.012110 2 1.9 9.5 0.7420.09 0.009115 3 1.9 9.5 0.7670.073 0.005120 4 2.4 6.9 1.4680.374 0.09

18、6755 6.0 7.1 1.3160.384 0.098150注:数据为河海大学科研报告:真空堆载联合遇压技术在高速公路深厚软基处理中的应用研究 , 2002。 计算深度取竖向附加应力等于 0.1倍的土体自 重应力处的深度,分层厚度为 0.5 cm。计算过程中 考虑最不利情况,即地基沉降量最大的情况。 3.2 结果分析3.21 路堤高度对车辆荷载影响深度的影响分析基于 4个实际工程断面,在不超载情况下改变 路堤高度, 计算分析车辆荷载影响深度的变化规律。 根据计算数据进行回归计算得到 4个断面各自的车 辆荷载影响深度与路堤高度的回归式。可以发现, 车辆荷载的影响深度与路堤高度之间呈现明显的反

19、 向线性关系, 全相关系数都在 0.98以上, 具体可如 图 25所示。6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 0123456路堤高度 /m 影 响 深 度 /m 图 2 断面 1, 车辆荷载影响深度随路堤高度变化曲线 Fig.2 Relationship between the influential depth of vehicleloads and embankment height of section one 6.0 6.5 7.0 7.5 8.00 123456路堤高度 /m影 响 深 度 /m图 3 断面 2, 车辆荷载影响深度随路堤高度变化曲线Fig.3 Relationshi

20、p between the influential depth of vehicleloads and embankment height of section two6.0 6.5 7.0 7.5 8.0123456路堤高度 /m影 响 深 度 /m图 4 断面 3,车辆荷载影响深度随路堤高度变化曲线Fig.4 Relationship between the influential depth of vehicle loads and embankment height of section three6.06.57.07.58.0123456路堤高度 /m影 响 深 度 /m图 5 断面

21、 4,车辆荷载影响深度随路堤高度变化曲线Fig.5 Relationship between the influential depth of vehicleloads and embankment height of section four3.22 超载对车辆荷载影响深度的影响分析依据 4个实际工程断面土体参数和路堤高度, 车辆荷载为变量,计算分析不同超载程度对车辆荷 载影响深度的影响。图 69分别为 4个断面的车 辆荷载影响深度与车辆超载程度关系图。根据计算数据进行回归计算可以发现,每个的车辆荷载影响 深度与车辆超载程度之间都可以用关系式 y=ax2+ bx +c 进行拟合,即二者之间呈

22、抛物线关系,并且相 关系数都达到了 0.99。6810121412345超载倍数影 响 深 度 /m图 6 断面 6, 车辆荷载影响深度随超载程度变化曲线 Fig.6 Relationship between influential depth of vehicleloads and overloading degree of section one观察超载程度与车辆荷载影响深度之间的拟合关系式 y =ax 2+bx +c 可以发现, 4个断面拟合关系式中的系数 a , b 和 c 非常接近,同时, 4个实际断面 下路堤高度与车辆荷载影响深度之间的拟合关系式 y =ax +b 中的系数 a 和

23、 b 在也非常接近, 2个影响因 素下拟合式的相关系数都非常高,笔者推测这可能312增刊 黎 冰等:车辆荷载影响深度及其影响因素的研究 预示着对于任何一个高速公路断面,车辆荷载的影 响深度与路堤高度和超载程度之间的关系形式是一 定的,不同断面地基土的性质造成了关系式中系数 的差异, 这有待更进一步的研究和实测资料的验证。 6810 12 14 超载倍数 /倍 影 响 深 度 /m图 7 断面 2,车辆荷载影响深度随超载程度变化曲线 Fig.7 Relationship between influential depth of vehicleloads and overloading degre

24、e of section two 68 10 1214012345超载倍数 /倍影 响 深 度 /m图 8 断面 3,车辆荷载影响深度随超载程度变化曲线 Fig.8 Relationship between influential depth of vehicle loads and overloading degree of section three 6 8 10 12 140 1 2 3 4 5超载倍数 /倍影 响 深 度 /m 图 9 断面 4, 车辆荷载影响深度随超载程度变化曲线Fig.9 Relationship between influential depth of vehic

25、leloads and overloading degree of section four比较路堤高度和超载两个因素对车辆荷载影响深度的影响可以看出,车辆荷载的影响深度对超载程度的变化更为敏感。以断面 1为例,随着车辆从 不超载到超载 4倍,其影响深度从 6.75 m增大到12.9 m, 变化幅度为 6.15 m; 而在不超载的情况下,路堤高度从 5.5 m下降到 1.0 m,其影响深度从6.4 m增大到 7.75 m,变化幅度仅为 1.35 m。总之,不超载情况下车辆荷载的影响深度大约 在 6.08.0 m范围内,这与规范 9相吻合。超载情 况下,车辆荷载的影响深度大约在 6.014.0

26、m范围内。清楚了车辆荷载的影响深度之后,就可以有 针对性的进行地基处理设计,以减小车辆荷载引起 的软基沉降量。4 结 语本文采用假定车辆荷载集中分布的计算方法,分析了路堤高度和车辆超载对车辆荷载影响深度的 影响。分析结果表明,车辆荷载的影响深度随路堤 高度的降低线性增大,随车辆超载倍数的增加而呈 抛物线关系增大。比较而言,超载程度的变化对车 辆荷载影响深度的影响要比路堤高度的影响大的 多。总之,不超载情况下,车辆荷载的影响深度大 概在 6.08.0 m范围内,超载情况下,车辆荷载的 影响深度大概在 6.014.0 m范围内。参 考 文 献1 Schimming B B, Haas H J, S

27、ax H C. Study of dynamicand static failure envelopesJ. Journal of Geotechnical Engineering Division, American Society of CivilEngineering , 1966, 92(2: 105-123.2 Yamanouchi T, Yasuhara K. Settlement of clay subgradesafter opening to trafficA. Proceedings of the 2nd Australia & New Zealand Conference

28、 on GeomechanicsC. Australia: Brisbane, 1975. 115-120.3 Fujiwara H, Yamanouchi T, Yasuhara K, Ue S. Consolidation of alluvial clay under repeated loadingJ.Soils and Foundations, 1985, 25(3: 19-30.4 Tohno I S, Iwata, Shamoto Y. Land subsidence caused byrepeated loadingA. Proceedings of the 12th International Conference on Soil Mechanics and Foundation EngineeringC. Blazil: Ri