宕渣土路基上路面结构的受力特性研究

张震华， 韩 丁， 范承余， 阮宜东， 詹炳根

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽土木工程结构与材料省级试验室，安徽 合肥 230009；3.合肥工业大学 交通运输学院，安徽 合肥 230009；4.安徽省高速公路集团控股有限公司，安徽 合肥 230088）

宕渣原意为开采石料及残余的石渣废料，工程上其定义为：一种经开采并符合一定规格要求的自然土石混合材料。宕渣通常分为清宕渣和混宕渣，清宕渣一般用作隔离层，混宕渣一般用做填筑路堤［1］。用于路基填筑的宕渣的最大颗粒粒径应小于150mm，粒径大于40mm的颗粒含量大于30%［2］。研究高速公路宕渣土路基会对路面结构受力特性产生何种影响十分必要。

路基的回弹模量是道路设计中的一个重要参数［3］。目前沥青路面结构层厚度设计与分析仍采用弹性层状理论体系［4］，而这一理论的前提是假定路面材料各向同性，即只承认一个弹性模量。1997年我国颁布的沥青混凝土路面设计规范，主要特点是以多层体系，双圆荷载图示，水平、垂直综合效应下的应力、位移解析解为基础，以轮隙弯沉及层底拉应力以及面层抗剪强度为设计指标［5］。文献［6］根据承载板试验和弯沉检测的结果，建立了沥青路面计算弯沉与当量回弹模量的经验公式。而美国各州公路工作者协会AASHTO沥青路面设计方法中采用路基土的有效回弹模量作为设计参数［7］。壳牌（SHELL）设计法是以弹性层状体系理论计算各层的应力和应变，路面结构以3层连续体系为基础，荷载图式一般采用标准的双轮荷载，并以80kN为标准轴载［8］。

弯沉是路面抵抗垂直变形的能力，土基模量增大，路表弯沉会减小［9］，故弯沉可反映路面各结构层的整体强度和刚度。且土基弯沉测试比土基回弹模量测试简便、快速，所以可以利用弯沉值计算或检验土基回弹模量，这样可以大大减轻工作量，提高工作效率［10］。本文在承载板弯沉实验的基础上利用ABAQUS软件对宕渣土的当量回弹模量进行了反演，同时结合土基材料参数和5%水泥稳定碎石层厚度的变化，通过三维双圆荷载计算模型分析，对宕渣土路基上路面结构的受力特性进行了研究。

1 路床顶面的当量回弹模量

为了简化力学计算，沥青路面通常被看作半无限均质弹性地基上的薄板。地基实际上是由不同模量和厚度的基层、底基层或垫层及土基组成的多层体系，因此需要将层状地基等效转换为半无限均质空间体，计算基层顶面的当量回弹模量。下面结合现场的工况来计算宕渣土路基的当量回弹模量。

1.1 工况描述

试验段位于黄祁高速K66＋884～K66＋973之间，长度为89m，填方最大高度为17.743m，共布置2个测点，测点布置如图1所示。

图1 路基顶面的承载板检测点布置

测点在K66＋K916处，分别距左路肩为5m和15m（方向为休宁到祁门），试验段路基宽度为26m。

试验的目的在于评价宕渣土用于96区的合理性以及所表现出的工程特性。

承载板和待检测路基沿某一横断面对称，因此可以选取1／2进行分析。待检测路基的几何尺寸如图2所示，承载板选用30cm直径圆盘的1／2，厚度为2cm。

图2 待检测路基的几何尺寸

1.2 数值计算模型与反演结果

承载板材料为钢质，弹性模量取为300GPa。除了边坡和顶面外，其他边界约束法向变形。为了与现场检测相一致，分别将承载板的荷载施加为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6MPa。在每个承载板荷载工况下，分别将路基的当量回弹模量设定为50、100、200、300、400MPa。拟合每个承载板荷载工况下承载板竖向位移计算值与原有路基材料假定弹性模量的函数关系，通过现场承载板的沉降检测数据来反算原有路基顶面的实际当量回弹模量。测点1、2的回弹模量结果见表1所列。由表1回弹模量数据，剔除最大值和最小值，分别得到测点1、2的回弹模量平均值为198.96MPa和227.42MPa。

表1 测点1、2回弹模量计算

取测点1、2的平均值213.19MPa作为宕渣土路基上路床顶面的当量回弹模量。

2 路面结构的受力特性

黄祁高速公路设计中路面结构采用4cm细粒式沥青混凝土（AC－13C）＋6cm中粒式沥青混凝土（AC－20C）＋8cM粗粒式沥青混凝土（AC－25C）＋34cm水泥稳定碎石（5%）＋20cm水泥稳定碎石（3%）。

材料的设计参数见表2所列。

表2 材料的设计参数

为了比较宕渣土作为路床填筑的效果，将土基的弹性模量换为213.19MPa，并将水泥稳定碎石（5%）的厚度分别取为34、25、15cm，通过有限元程序对层底拉应力和沥青路面顶层弯沉进行计算。

2.1 计算模型

建立有限元计算模型，如图3所示。规范规定的标准车后轴为单轴双轮，后轴重为100kN。后轴单侧的双圆加载如图4所示，其中单圆直径d＝0.213m。

图3 计算模型工况

图4 后轴单侧双圆荷载的施加

取车辆横向的1／2进行建模，因此路基路面结构也取为对称模型，对称面约束法向位移，底面约束三向位移，试件几何尺寸为7m×4.375m×（2.79～2.98）m。

2.2 模型的计算结果

文献［11］规定结构层底的拉应力和沥青面层的弯沉值是路面结构计算的检验指标，本文选用的结构层底包括沥青混合料下面层、5%水泥稳定碎石层和3%水泥稳定碎石层。

不同工况下沥青路面检验指标的计算结果见表3所列。

表3 有限元模型的计算结果

2.3 宕渣土路基对路面结构的影响

为了探究宕渣土路基的影响，对表4的数据进行处理，以设计路面结构（工况1，土基弹性模量45MPa，5%水稳层厚34cm）作为分母基准值，其他工况结果与之相除，不同工况计算结果比较见表5所列，结果越大表明结构越偏向于不安全。

表4 不同工况计算结果的比较

从表4中可以看出，使用宕渣土路基后能显著降低沥青层顶面的弯沉值和3%水泥稳定碎石层底拉应力，同时也会降低5%水泥稳定碎石层底拉应力，但沥青下面层层底拉应力有一定增加。采用宕渣土路基后，即使将5%水泥稳定碎石层的厚度减少9cm，沥青层顶面弯沉和3%水泥稳定碎石层底拉应力分别降低47.15%和13.39%，沥青下面层和5%水泥稳定碎石层底拉应力分别增加8.54%和13.29%，路面结构的整体表现仍明显优于采用34cm厚5%水泥稳定碎石层的设计路面结构。

3 结束语

利用ABAQUS软件建立了数值计算模型，结合承载板弯沉试验数据对试验段96区填筑的宕渣土基层顶面当量回弹模量进行了反演，当采用宕渣土路基时，沥青路面的弯沉值大幅减少，3%水泥稳定碎石层层底拉应力也显著降低。通过计算得出，即使5%的水泥稳定碎石层减少9cm，采用宕渣土路基时，路面结构的工程特性明显优于不减少水泥稳定碎石层厚度的常规路面结构。

［1］庞 俭.杭宁高速公路宕渣填筑路堤的实验研究［J］.公路交通技术，2004（2）：20－22.

［2］周进华，黄金荣，徐永福.宕渣路基压实质量检测方法研究［J］.公路与汽运，2008（6）：88－91.

［3］刘大鹏，王 婧.路基回弹模量对路面结构层受力的影响分析［J］.路基工程，2008（1）：123－124.

［4］王 华，过年生.六安－叶集高速公路多层路面结构体系受力性能分析［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2004，27（8）：949－951.

［5］TJT 014－97，公路沥青路面设计规范［S］.

［6］任成志.沥青路面当量回弹模量的研究［J］.中外公路，2003，23（6）：23－24.

［7］AASHTO.AASHTO guide for design of pavementstructures［Z］.Washington D C：AASHTO，1993.

［8］武红娟.土基回弹模量变化对路面设计的影响分析［D］.西安：长安大学，2005.

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［10］张文佳.土基回弹模量与回弹弯沉值之间的关系研究［J］.价值工程，2003，29（21）：66.

［11］JTG D50－2006，公路沥青路面设计规范［S］.