路基共同作用层厚度对拓宽道路路面的影响

郑州市公路建设重点工程管理处 张 涛

路基共同作用层厚度对拓宽道路路面的影响

郑州市公路建设重点工程管理处 张 涛

一、问题的提出

近二十多年来，我国的公路建设发展迅速，公路对国民经济发展的促进作用也越来越显著。但是，我国在公路密度、技术等级和高等级公路比重等方面与发达国家相比还有很大差距。为满足经济发展对交通基础设施的需求，对原有低等级公路进行改建和扩建势在必行。公路拓宽通常包括对原有公路线形和纵坡的改善、路基拓宽和填高以及路面补强和加铺等内容。

但是，在公路拓宽工程中，新填路基会发生一定程度的固结沉降，而老路基基本上不产生沉降，这导致整个路基在横断面上产生工后不均匀沉降，进而在路面结构中产生附加应力。一旦该附加应力与轮载应力叠加以后超过路面材料的允许强度，路面便会产生结构性破坏，此时，路面就发生较大规模的纵向裂缝，进一步发展将严重影响行车安全和舒适性。在对其发生原因进行分析的过程中笔者发现，拓宽类型中的路基共同作用层厚度与该类病害严重程度有着较为密切的关系。

二、路基拓宽的影响因素与路基共同作用层

1.路基拓宽的影响因素。公路拓宽工程应考虑老路与新路的关系以及工程所处的地形、地基等条件，路基拓宽影响因素主要有地形地基条件、路基的拓宽范围、新路基填挖形式、新老边坡类型、共同作用层厚度等五类。

2.路基共同作用层。在旧路拓宽工程中，若拓宽后道路路床顶面设计标高高于旧路路面标高，全路幅范围内中间这一层新填路基称为路基共同作用层，如图1所示。

拓宽工程中，路基共同作用层的厚度通常在某一范围内变化，特别是在某些公路需要将道路等级提高时，通常原路纵断面线形无法满足新改建道路的纵断面线形标准，致使不同路段有不同的新老路标高差，也就有了不同厚度的路基共同作用层。本文，笔者针对拓宽工程在路基横断面上发生工后差异沉降（又称为不协调变形）的情况，应用有限元分析方法，对不同路基共同作用层厚度下基层底面弯拉应力以及相应的路面结构疲劳寿命进行分析，以期为类似工程病害的预防和整治提供参考。

三、拓宽工程路基不协调变形对路面结构的影响

拓宽路基不协调变形的取值参照同济大学黄琴龙博士的学位论文中的算例：老路宽10m，单侧拓宽10m，拓宽建成后10年的老路顶面层位处的工后沉降曲线如图2所示，拓宽完成后的路面各结构层和路基共同作用层的材料参数见表1。

表 1 路面结构和路基的材料参数

老路顶面处的不协调变形为工后差异沉降，将该曲线作为边界条件施加于路基共同作用层的底面。由于其上的路面结构为半刚性基层的沥青路面结构，刚度最大的结构层——二灰碎石基层对此最为敏感，在其底面产生的额外附加应力和车辆荷载产生的荷载应力直接决定了该路面结构的结构寿命，因此，本次分析仅关注上述不协调变形引起的道路基层底面附加拉应力变化情况。

经过分析得到，不同路基共同层厚度下的基层底面附加应力，见表2。可以看出，随着路基共同层厚度的增加，基层底面附加最大弯拉应力明显降低。

我国公路沥青路面设计规范采用劈裂强度fsp作为极限弯拉应力。对二灰稳定粒料类采用如下疲劳方程：

表 2 不同路基共同层厚度下的基层底面附加应力

式（1）中，Nf为疲劳寿命（次数），σ/s为应力强度比，其中s是劈裂强度，σ为反复弯拉应力值。

据规范，二灰碎石劈裂强度为0.5～0.8Mpa，取fsp=0.65MPa。

通常情况以107作为材料的疲劳极限，按疲劳方程，取Nf= 107时，算得σ0=0.302MPa。

在不协调变形作用下，在最不利断面处基层底面的总弯拉应力需要将两者进行叠加，再推算出结构寿命，如表3所示。

表 3 基层底面总弯拉应力与结构寿命

路基共同作用层厚度h与lg Nf间的关系如图3所示。

有限元分析结果得到，新老路基结合处路面结构的附加应力较大，并出现了应力集中现象。在不协调变形的作用下，路面结构会在基层底面开裂，最终形成贯穿整个路面厚度的裂缝。同时，可以看出，随着路基共同作用层厚度的增加，不协调变形对路面结构的影响逐步变小，路面结构疲劳寿命衰减得也越来越慢，当h=6m时，可以忽略不协调变形对疲劳寿命的影响。

综上，不同厚度的路基共同作用层，在相同的老路路表层位处不协调变形作用下，对上部路面结构的影响差别较大，如，较薄（0.5m）的情况下由此产生的基层底面附加应力是较厚（5.0m）情况下的4.69倍，相应的结构寿命也大大缩短。因此，路基共同作用层厚度的增加，将有助于控制拓宽工程相关病害的发生，对提高类似工程的工程质量有着积极意义。当路基共同作用层厚度增加到一定厚度（6m）时，可以忽略其不协调变形对路面结构产生的影响。