新疆地区不同工况对路基压应力影响研究

杨波 杨三强 陈伟

摘 要：为了分析荷载应力在路基中的分布规律，本文通过修筑试槽模型并在路基中埋设传感器，分别采集试验车在100kN、150kN、200kN、250kN、300kN荷载作用下及车速为0km/h、5km/h、10km/h、15km/h路基中的压应力。分析了不同荷载、不同车速对路基压应力变化规律的影响。测试结果表明：沿路基垂直方向随着深度的增加压应力呈衰减趋势；随车速的增加，同一层位压应力呈线性减小；路基压应力横向作用距离随荷载增大而增大。

关键词：路基路面；动静荷载；现场测试；压应力

传统的路面分析及现行规范都是假定荷载为静态，忽略了荷载在运动中的实际状况，而行驶车辆和路面的关系随时间与空间时刻都在变化，即路面受到的是并非完全平稳的随机荷载。因此，考虑动荷载作用下路基路面应力响应的重要性不言而喻。国外开展道路试验较早，美国著名的马里兰道路试验、AASHO道路试验[1-3]的成果为道路的设计理论及方法提供了参考标准。相比之下，我国对路基路面动荷载响应的研究工作明显不足，主要集中于有限元分析。然而理论分析与实际测试结果必然会有一定程度的偏离。基于此，本文通过铺筑试槽模型并进行现场测试试验，分析了荷载应力在路基内部的变化规律。

1 试槽模型概况

1.1 试槽模型路基

现场土质为黄土取样进行室内试验，得到路基土的物理力学指标见表1。施工过程中在含水量约为14.6%时路基压实度为：距路基顶面0～80cm范围内为95%，其他范围为93%。

1.2 试槽模型路面结构

分析新疆典型的路面结构[4-5]，本次试槽模型路面结构组成及路面材料参数见表2。

2 试验过程

2.1 传感器埋置方案

在路基工作区埋置光纤光栅土压计[6]，测试路基不同深度处的静、动压应力。土压计沿预设轮迹带埋设，在路基垂直方向埋设深度距路基表面1.5m，距道路中线106cm。试槽路面与原地面在同一高程，故土压计以下挖方式埋置，如图1所示。在埋置过程中做好保护措施，本次埋设存活率为100%。

2.2 测试方案

试验车辆采用东风后轴双轮标准车型，后轴额定荷载10t，轮距1.8m，双轮中心距34cm，胎压0.7MPa。试验时车辆载重分别为100kN、150kN、200kN、250kN和300kN，车速受试槽地理环境的限制考虑到安全因素选用5km/h、10km/h和15km/h。

3 测试结果及分析

路基压应力受诸多因素的影响[7-8]，如车辆类型、荷载、车速、路面结构类型、荷载作用位置等，这里主要考虑从荷载、车速和荷载作用位置对路基压应力的影响。

3.1 不同荷载工况路基中的压应力

在不同荷载工况下测试了试验车在0km/h路基中的压应力值，见表3和图2。

分析表3 可知，从路基表面至1.5m深处，不同荷载压应力分别衰减了79.3%、80.2%、82.8%、80.4%和61.7%，从衰减百分量可看出随荷载的增加路基压应力和作用深度均在加大，尤其是在300kN荷载作用下，还有近40%的压应力未消散，说明作用深度远大于1.5m。

根据图2可看出，随荷载的增大，路基中压应力变化的总体趋势随深度加深而减小。从减小趋势上可分为三个阶段：0～0.5m范围内压应力衰减显著，因这部分是路床工作区；0.5～1.0m范围内，压应力衰减变缓；1.0～1.5m范围内压应力衰减趋势加大。由衰减的非线性，通过曲线拟合，得到不同荷载作用深度的数值解，拟合关系如下：

根据物理意义，荷载在路基中的作用深度是有限的，即在某一深度处压应力为零。因此假设P=0，由此可得到作用深度的数值解，则不同荷载工况作用深度分别为1.72m、1.81m、1.98m、2.12m和2.33m。由此表明，重载对路基有很大影响，作用深度大约为路基工作区0.8m的3倍。

3.2 速度对压应力分布的影响

图3所示为车辆在250kN荷载作用下不同车速各传感器监测的压应力变化。由图3及表4分析可知：速度与压应力变化呈良好的线性关系，在不同试验车速下，同一深度压应力随车速的增大而减小，如对于1#传感器，速度从5km/h增至15km/h压应力减少了12.4%，速度变化对压应力有显著影响。在文献[9]中，将此现象解释为荷载速率效应，由于土是颗粒组成的集成体，应力的传递是通过相邻颗粒来完成，若应力持续的时间很短，则来不及传递分布，因此压应力的衰减认为与荷载作用时间长短有关。同时，速度对压应力的影响随深度增加而减小，如在加速工况下，在更深位置处的4#传感器压应力变化量相对于1#、2#、3#传感器要小的多。其次，速度越大压应力减小的幅度越大，对于1#传感器而言，当速度从5km/h增加到10km/h，压应力减小了1.09kPa，增加到15km/h则减小了2.31kPa。

为了进一步描述荷载在路基中的分布规律，绘制各测点传感器不同车速与压应力的时程曲线，见图4。从图4可以看出，尽管车速不同，但压应力与时间的关系曲线很相似。随着车辆驶近监测点，压应力开始增大，当车辆在土压计正上方时，压应力达到最大值，随后车辆驶离压应力逐渐减小。在距路基表面1.0m范围内（图中1#、2#、3#传感器），压应力与时间关系曲線表现为双峰曲线，在距路基表面1.5m处（4#传感器），压应力与时间关系曲线基本上表现为单峰曲线。其原因是在路基深度较浅处，高峰、低峰分别是试验车前轴与后轴的压应力；当达到一定深度，由于应力扩散的影响，压应力受前后轴的综合作用。

3.3 路基压应力的横向分布

根据车辆几何对称、轮迹对称、荷载对称、约束对称和应力对称的原则，以右侧轮迹带为准测试了向左偏移量在0～2.2m范围的压应力横向分布情况。由应力的扩散作用，横向作用范围与路基作用深度有关，对4#传感器分析，结果如图5所示。

图5中可看出横向作用距离随荷载增大而增大，不同荷载横向作用距离大致为1.2m、1.4m、1.6m、1.8m和2.0m。根据不同荷载随横向偏移的衰减趋势，重载在0～0.6m范围内衰减很快，300kN荷载作用下压应力减少了84%，250kN荷载作用下压应力减少了58.8%，在随后的区间内衰减变慢，且这两种荷载工况在路基深处压应力作用范围已扩大到相邻车道，而其他荷载未出现骤变趋势。这对于多车道而言，影响路基的耐久性，因此要加强超载的管理措施。

4 结论

本文通过在试槽模型路基中埋入土压计，对不同荷载、车速工况下的路基压应力进行测试，得到了路基压应力随深度的变化曲线、不同车速与压应力的变化关系、路基不同深度压应力与时间的关系曲线和路基压应力横向衰变曲线。根据对试验结果的分析，得到以下结论：

①随深度的增加路基压应力呈非线性衰减趋势，解拟合函数得到不同荷载路基中作用深度分别为1.72m、1.81m、1.98m、2.12m和2.33m。

②路基压应力与速度呈良好的线性相关关系，随速度的增大而减小。

③在路基深度较浅处，路基压应力与时间关系曲线为双峰曲线。在路基较深处，路基压应力与时间关系曲线为单峰曲线。

④路基压应力的横向作用距离随荷载增大而增大，对于超载车辆路基压应力作用范围已扩大到相邻车道，影响路基的耐久性，因此要加强超载的管理措施。

参考文献：

[1]李宏亮.新疆乌尔禾岩沥青改性沥青的试验研究[J].公路工程，2009，34（6）.

[2]洪亮.水泥稳定砾石骨料振动与击实成型对比试验[J].重庆交通大学学报，2014，33（6）.

[3]周红丽.公路路面沥青综合表面处治层质量评价方法研究[J].西部交通科技，3（56）.

[4]李俊超.新疆干线公路路面结构设计研究[D].长安大学，2000.

[5]谢海巍.新疆公路沥青路面典型结构形式研究[D].长安大学，2011.

[6]范杰林.桥面铺装层层间剪应变分析[J].公路工程，2010，5（26）.

[7]龙海翔.路基土回弹模量湿度调整系数研究[J].公路工程，2009，34（1）.

[8]王刚.粗粒土干燥状态下压实研究[D].新疆农业大学，2011.

[9]徐毅.交通荷载对高速公路路基影响的试验研究[D].河海大學，2006.

课题项目：

新疆矿区资源路路基、路面关键技术研究（项目编号：2012-09）。

作者简介：

杨波（1981-），男，硕士，新疆农业大学机械交通学院。