重载交通对道路路基设计方法的影响研究

1、重载交通对道路路基设计方法的影响研究 1.1.重载交通路基路面变形破坏现象重载交通路基路面变形破坏现象 2.土的应力土的应力-应变关系应变关系 3.重载交通下路基工作区深度的研究重载交通下路基工作区深度的研究 4.试验分析试验分析 1.1.重载交通路基路面变形破坏现象重载交通路基路面变形破坏现象 在我国，随着国民经济和公路交通运输事业的发展，运输车辆中大型货运车辆的比重不断增加，载货汽车的超载现象变的越来越严重，如表 1.2 所示，汽车超限超载已是普遍存在的问题。 在路面上，车辆超重引起“重轴载”和轮胎-路面“重接触应力”，使路面处于“重负载”状态(或“重载”状态)，在重载交通条件下，沥青路面

2、主要损害类型表现为行车道轮迹带车辙与裂缝(龟裂与纵向裂缝)，若上述裂缝得不到及时的养护维修，在水的作用下将进一步发展为松散或坑槽等水损害，如表 1.3 所示 在路基上，重载交通作用下路基路面的应力分布更加不均匀，应力集中现象更加严重，使得路基路面的应力和弯沉随车辆荷载的增加明显增大，从而对路基的稳定性产生了极大的影响，出现不同程度的变形失稳。 2.土的应力土的应力-应变关系应变关系 路基变形是由路基土体变形引起的。土是由土骨架、孔隙中的水和空气组成的。在动荷载作用下，土颗粒向着新的较稳定的位置移动，土体产生变形。土体内部产生的应力、应变与时间三者之间存在一定关系，我们称之为“土的动力本构关系”

3、，是分析土体变形失稳过程等一系列特性的重要基础。 土的骨干曲线如下图所示。从土的骨干曲线图中可以看出，土的非线性性质非常明显。土的骨干曲线是受同一固结压力的土在不同动荷载(一般为周期重复的正弦荷载)作用下每一周应力应变关系曲线滞回圈顶点的连线。滞回圈的存在表明土体在剪切过程中损耗了一定的能量，体现了阻尼作用。土在受荷过程中变形模量不是个定值，而是随荷载而变化的，骨干曲线的非线性实际上反映了土的等效变形模量的非线性。 土不仅具有弹塑性的特点，而且还有粘性的特点，其在循环荷载作用下的应力一应变关系表现出非线性、滞后性和变形积累三方面特征。土的动应力一应变关系并不是表现为以上三个特性的简单组合，土的

4、各种特性之间还存在着特殊复杂的关系。在建立土的本构关系时，土的以上三方面特性必须联合考虑，寻找出它们之间的内在联系和规律，这样所建立的本构关系才能最大程度接近土体实际的性质，计算结果才能足够的精确。弹性元件和塑性元件的应力一应变关系组合可得理想弹塑性模型，弹塑性结构模型是由弹性模型和塑性模型串联而成，如图所示。 粘弹性结构模型是由弹性模型和粘滞性模型并联而成，如下图所示: ddE C dd0dE 3.重载交通下路基工作区深度的研究重载交通下路基工作区深度的研究 路面结构的强度和刚度除了与路面材料的品质有关之外，路基的支撑起着决定性作用，路面结构的损坏，除了它自身的原因之外，路基的变形过大是重要

5、原因之一。研究表明，在大量的公路建设中，由于受成本制约，一般结构层较薄、路基标高严重偏低，而且路基和地基的压实标准也偏低，造成整个路基和一定深度的地基都处于路基工作区范围内，路基的支撑强度和刚度严重不足。特别在重载交通条件下，路基的工作区深度加大，造成通车后较短时间内即出现路面开裂、卿浆等早期病害，从而加速了路面结构病害的发生、发展，造成后期路面维修费用增大。 路基在工作过程中，同时受到由路面上传递下来的车辆荷载，以及路基和路面的自重作用。土质路基受力时，不同深度 Z 范围内的应力计算公式如 ( 1)所示。其中 为路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力。计算时，假定车轮荷载为一圆形均布垂直荷载

6、，路基为一弹性均质半空间体。z212.5()zpZD（1）式中: p车轮荷载换算的均布荷载kN/m2; D圆形均布荷载作用而积的直径; Z圆形均布荷载中心下应力作用点的深度，m。式中: 土的容重，kN/m3; Z应力作用点深度。 路基土本身自重在路基内深度为 Z 处所引起的垂直压应力 按式 ( 2) 计算BeZ（2）由上可知， 随路基深度的增加而线性增加。在施工过程中，只要按规范规定分层填筑路基，在达到强度和密实度要求并经过规定时间的预压过程后，符合容许弯沉值，这样，自重对路基整体的强度和稳定性是有利的。e将式 ( 1) 和式 ( 2) 代入式 ( 3) ，则得到路基工作区深度凡，即 自路基顶

7、面至受荷载影响甚微的一定深度范围称作路基工作区。一般教材认为，当车轮荷载引起的垂直应力 与路基土自重引起的垂直应力 相比所占比例很小，仅为 1/10 1/5 时，该深度 Z 范围内的路基称为路基工作区，即:eZ1zen（3）3aKnpZ（4）式中: Za路基工作区深度，m; p轮重荷载，kN;K系数，取 K = 0. 5; 土的容重，kN / m3; n系数，n =5 10。 事实上，由于各种道路的路面结构不同，路基压实度不同，路基工作区也不同。单从定义上来看，该标准已将不同路面结构、车辆荷载不同，不同压实度等因素对车辆荷载在路基中应力扩散作用的不同考虑在内了。从路基工作区标准中可以看出，该标

8、准并未考虑不同的路面结构、不同压实度标准等对车轮荷载的扩散作用，仅从车轮荷载 p 和土的容重 来计算路基工作区深度，这使得上述规范标准有很大的局限性，不能适应重载交通工况。 4.试验分析试验分析 研究轮压分别为0.9MPa、1.1MPa、1.3MPa三个等级下路基中的工作区深度。方法是采用有限元计算软件模拟计算路基和地基中土的塑性变形区深度，即得到了路基在各轮压下的工作区深度。取轮在影响范围的1/4建立有限元模型。据赫克洛姆(Heukelom)和克罗朴(Klomp)提出的轮载P与接地压力p之间的关系公式，由轴载计算出轮胎压强，即 ： Pi、Pj分别为各级轴载;pi、pj分别为相应的轮胎压强。

9、又根据公式： (为当量圆的半径)，可以计算标准轮压和各种超载轮压下的当量圆半径和圆心距离，见表5-1。 13()iijjpPpP2Pp路面结构仍然采用典型路面结构。根据前人所做的研究选取各层材料参数如下表5-2。 计算出各轮压下轮隙位置路基中塑性应变值如下图5-3所示。地基压实度提高至94%时模型及参数同上。计算结果如下： 可以看出与地基压实处理以前相比，0.9MPa轮压1.1MPa轮压下工作区深度减小了1.5m，1.3MPa轮压下工作区深度减小了1m。这说明对地基进行压实处理对减小路基工作区深度有积极的作用，而且轮压越大，效果越明显。地基路基处理后工作区深度 对路基处理提出了两个方案进行研究

10、: (1)方案1:地基表层30cm压实度采用90%压实度。 路基:表层60cm，每层20cm，自下而上分别采用3、5、12%石灰处置土。 (2)方案2:地基表层30cm压实度采用90%压实度。 路基:1m路基自下而上:40cm、3%石灰土，40cm、5%石灰土，20cm、12%石灰土。 经研究，从改善路面结构的受力方面来看，方案二要优于方案一，并建议对地基200cm范围内进行处理，压实度应控制在90%以上。 本此研究将地基200cm范围内的压实度提高至94%，路基灰土处治方案采用上述方案二。计算验证地基压实处理和路基灰土处治对路基工作区深度的影响。计算同样采用有限元分析软件模拟，模型同5.1节。参数如表5-5。经计算得出各轮压下轮隙位置路基中塑性应变值分别如下图5-12 与灰土处治前相比，路基工作区深度减小了约1.5m。说明路基进行灰土处治、提高地基的压实度，对于路基工作区深度的改善都有很好的效果。参考文献地下暗河及软基区重载路基变形破坏物理模型试验研究重载标准与