考虑车辆动应力条件下的软土路基处理深度研究

尚志刚

（天津城建设计院有限公司，天津市 300122）

科技研究

考虑车辆动应力条件下的软土路基处理深度研究

尚志刚

（天津城建设计院有限公司，天津市 300122）

针对滨海新区软基特点，在现有道路工程低填方路堤或挖方段软土路基处理深度计算方法的基础上，根据车辆对道路产生的动应力影响，提出了考虑车辆动应力条件下的软土路基处理深度研究计算方法。分析确定车辆荷载模型，并通过室外道路车辆动应力采集，验证模型准确性。通过试验采集冲击数据，采用ABAQUS软件进行数值模拟，验证了土中动应力衰减的道路模型。在此基础上模拟计算出不同轴重、速度及交通量下的动应力影响深度，参照地基沉降计算方法及路基工作区定义，确定软土地基的处理深度，得到以下结论：考虑车辆动应力及路面铺装情况下，高速公路低填方软土路基处理深度应在1.10 m以上，一级公路为1.23 m以上，二级公路为1.31 m以上，三级公路为1.4 5m以上，视重载交通情况软土地基处理深度相应增加25～40 cm。

软土路基；路基处理深度；数值模拟；车辆动应力

0 引言

伴随国家在21世纪经济的飞速提升，我国的交通事业得到迅猛发展，仅高速公路里程总数已突破10万大关。但同时我们也必须注意到，在如火如荼的施工建设后，道路病害并没有相应减少，许多道路出现了过早破坏的情况。除去施工质量原因，材料质量和设计问题也是道路破坏的重要原因。例如天津市滨海新区，位置紧邻渤海，地下水位高，地基土含水量大。除了部分可见地表土质极差，其下部还有很厚的软弱土质层。这些土体土质强度极差，塑性指数高，难以满足道路工程要求。对于低填方路堤或挖方段，虽然表层处理后可以达到施工弯沉要求，但这些软弱层不经处理，就会造成较大的不均匀工后沉降。由于这类原因造成的道路破坏在类似滨海新区的土质较差的软土地基区域并不少见。对于这类问题，工程上常采用换填或抛石挤淤等方式进行处理，如果土质稍好的则采用化学固化等土质改良的方式进行解决。虽然路基土处理方式较为成熟，但处理深度一直未有定论。正是由于此类问题处理深度的随意性，造成了后期不均匀沉降引起的道路破坏。

对于道路工程中类似低填方的软土地基的处理深度问题，路基土体除受到道路自重影响外，车辆冲击对路基土体影响极大，现在比较认可的也是规范采用的理论为路基工作区深度理论。该理论取车辆荷载与土体自重荷载之比即 σz/σB为1/10～1/5时的土体深度位置至路基顶面范围为路基工作区[1]。汽车通过路面后，产生的荷载由接触点向下传导，其应力σz会随着路基深度的增加迅速减小，故路基土中较为靠上的成为会受到较大的影响，此深度范围内路基受到较大的汽车荷载影响，易产生塑性形变。这便是路基工作区的理论基础，而易产生塑性形变的路基土区域则被称为路基工作区或者路床压实区。世界上其他国家对于同类问题早有相应规定，法国和日本[2,3]规定路基工作区为路基顶面以下1 m，前苏联则规定较低等级路的路基工作区为0.6 m，高等级路为1.2 m[4]。它们也都对这个区域的土质及压实提出了更高的要求。我国最新的《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）[5]中规定路床厚度应根据交通量及轴载组成确定：轻、中及重交通公路路床厚度为0.8 m；特重、极重交通的公路路床厚度为1.2 m；对特种轴载的公路，应单独计算路基工作区深度，确定路床厚度。

但以上研究成果均是在讨论汽车静止情况下载轴对路基的影响，对于行驶在路面上的车辆，几十年前就有学者提出在相同工况下车辆行驶产生的动应力对路基土体产生的影响远大于车辆静止条件下对路基的影响（Schimming等学者，1966年；Yamanouchi和 Yasuhara等学者，1975年；Fujiwara等学者，1985年；Tohno等学者，1989年）[6-9]。Hyodo等学者于1989年通过载重卡车对低填方路段进行现场静止和运动实验，得出了动应力为静载自重4～5倍的结论[10]。Chai等学者于2002年通过大量工程实例建立了经验公式，并得出结论：行车荷载对路基影响深度区域为路基顶面向下6 m范围[11]。同时还有学者提出，动荷载影响下土体对于应力的传递形式与静载有所不同，土体的竖向震动也会造成动应力的影响范围会更广。同时车辆动应力冲击路面会造成上部路基路面整体震动，促使路基积累塑性形变，破坏道路结构。此外，动应力穿过较为致密的路面结构也会产生较大衰减。故现有的软土地基处理深度仅考虑静荷载影响也有一定的局限性。同时除车辆的动应力外，上述有些研究成果未考虑路面铺装层，其结论说服力有限。

通过上文分析，低填方软土地基处理深度仍有待继续分析研究。基于上述原因，本文通过建立相应仿真模型，并通过实际试验验证模型准确性。通过这些模型，结合现有研究成果，分析确定车辆动应力条件下的低填方路堤软土地基处理深度问题，为设计及施工建设提供指导。

1 汽车荷载模型

分析汽车荷载对路基影响，第一步是确定汽车荷载模型。相关文献有很多，有些根据波的可叠加特性，通过傅里叶级数来对汽车荷载进行阐释；有些着重研究路面不平整度对车辆动应力的影响，提出了路面谱的概念。但类似的模型都有些局限性，比如有的模型只适用于波传导单元，有些模型实际计算由于参数过多并不方便。但学者普遍认同对于路面某一处的汽车荷载可以被近似的认为是稳态正弦波动应力[12-15]。实际上汽车荷载受到的影响因素很多，除了车重，还有路面性能，车辆构造，车速及路面不平整度等。其中路面不平整度会造成汽车震动，产生汽车荷载，是主要原因。综合各文献的汽车荷载模型，本文采用了稳态正弦波动模型，也是一种在道路模拟中较多采用的汽车荷载模型，表达式如下：

式中：ω为振动圆频率，ω=2πv/L；v为车速；q为振动应力幅值，q=M0μω2；L为道路几何曲线的波长；μ为路面几何不平整系数（根据实际路面测量获得）；M0为模型车辆簧下质量；P0为车辆车辆单边轮载静载压力，单位为kN；正常载重30 t（超载42 t）试验试验车其具体汽车荷载计算参数见表1。

表1 试验车荷载计算参数表

2 汽车荷载模型验证

为了验证模型的准确性，本文通过现场实验观测汽车荷载情况，并记录数据。观测试验设在滨海新区港塘路，测试时对道路进行单车道隔离前后2 km，用两种试验车进行不同速度下的汽车荷载试验。图1为试验现场照片。

图1 试验现场

在现场完成实验设备按照调试后，分别用正常载重试验车（标准轴重）和重载试验车（轴重140kN）匀速驶过试验段路面，车速范围10～60 km/h，得到详细实验数据，将试验实测数据和软件模拟数据进行曲线对比见图2。

通过图2所示可以看到模拟数据可以对实测数据记性较好的你拟合，即验证了该模型的准确性，通过该模型可以完成对不同轴重车辆不同车速的汽车荷载进行模拟。

3 道路结构模型验证

对于沥青路面的模型研究，研究界普遍认为线弹性、非线弹性及粘弹性模型均可以针对其不同特点进行很好的仿真模拟。

对于道路这种特殊的带状结构，不论车辆的静荷载还是动荷载，都相对较小，影响深度较小，土体各种变形较小，不会达到极限应变状态。同时，荷载应力经沥青路面斜角分散后较为均匀的向路基土传递，路基土的剪应力相对很小。所以，对于道路的路基土模型来说，其减胀极小。再次，对于道路结构的车辆动应力来说，荷载作用时间极短，类似一种冲击荷载。对于道路结构中无论是沥青面层还是路基土、地基来说，更为显著的体现其本构模型中的线弹性特点。综上所述，根据道路结构特点同时兼顾计算简便原则，采用分层线弹性模型对道路结构进行模拟。

图2 正常载重和超载试验车数据拟合图

为了对上述模型准确性进行验证，本文选取试验路段进行模拟，试验段铺装结构见表2。

表2 路面结构材料参数

在路基土埋入传感器，由于试验段条件有限，无法采用通过车辆进行实测，故采用夯锤模拟冲击，并记录实验数据。实验施加冲击荷载的夯锤底面尺寸：23 cm（模拟标准轴载当量圆）、夯锤质量为30 kg。采用靖江泰斯特电子有限公司制造的TS108高频动态压力传感器进行瞬时应力测量。

传感器埋置分别为S10（距路基土顶面10 cm）、S20（距路基土顶面20 cm）、S30（距路基土顶面30 cm），传感器位置竖直朝上用以采集垂直向下的冲击动应力。使夯锤分别从30 cm，50 cm和80 cm三个不同高度落下模拟汽车荷载冲击，落锤位置为传感器正上方。采集软件截面见图3。数据以每次冲击峰值动应力进行记录，采集数据。

图3 软件界面

依据试验现场工况，采用第3节中的道路结构模型，运行ABACUS有限元模拟软件对现场试验进行仿真数值模拟，模拟结果见图4。仿真计算模型采用的材料参数见表2。

图4 仿真计算模型

分别模拟夯锤自相应高度落下，计算冲击瞬间夯锤下方土体0.5 m深度动应力值，步长为0.05 m，进行数值模拟。

通过对比仿真与实测数据，由图5可以看出，模型较好的反应了实际冲击荷载在土中的衰减情况，并且从趋势是较为准确的预测了动应力的衰减情况，说明该模型可以较为准确的对土中冲击应力的变化进行模拟。

图5 数值模拟与实验数据拟合图

4 动应力数值模拟

在有了较为准确的汽车荷载模型和道路结构模型后，将汽车荷载模型作为初始应力条件加载至道路模型，进行仿真计算。车速范围40～100 km/h，步长20 km/h；轴载分别为标准轴载和超载140 kN轴载，即车辆载重30 t和42 t两种情况。相应的其他条件参见表3。

表3 不同车速下的振动应力幅值q和周期大小

道路结构则参照滨海新区港塘路的实际道路结构。该段道路经过一次中修罩面，其现状路面结构为4 cm细粒式沥青混凝土罩面+8 cm沥青混凝土原有面层+两步18 cm二灰碎石+18 cm石灰土（12%），面层总厚66 cm。路基土厚度则取5 m。综合上述初始条件，采用ABACUS有限元模拟软件仿真进行数值模拟，模型见图6。

图6 仿真计算模型

通过对模型加载计算，提取模拟车辆动荷载下方不同深度的动应力值，可以得到如图7所示应力趋势图。通过对该衰减趋势的分析，可知车辆在相同速度时，轴重越大，冲击应力越大。同时还可以看出，保证其他条件相同时，车辆对路基的动应力会随车速增加而减小。这主要是因为车速增加后，作用的时间也相应减少，所以导致动应力和车速的反比的规律。

5 动应力下的软土地基处理深度

根据第五节的数值模拟数据，参照路基工作区的概念，即动应力与自重应力σz/σB=1/10时所对应的深度Za，减去路面结构层厚度后的土体深度Zc作为低填方路堤或挖方段的软土地基处理深度，见表4。

图7 正常载重和超载试验车不同行驶速度下的动应力随深度变化规律

表4 不同行驶速度下的软土地基处理深度Zc

由于滨海新区港塘路的实际道路限速为60 km/h，经观测平均车辆行驶速度主要分为区间为55～74 km/h之间，该路段连接沿海工业区，经常有重车通过，综合上表可以确定，该路段软土地基处理深度为1.32 m。

除却车辆轴载和行驶速度，路面结构对软基处理深度也有很大影响，为了确定不同等级低填方道路典型的软基处理深度，本文选取了各等级道路较为常用的路面结构层组合，见表5，并进行相应的方针计算，得到了各等级道路相应的地填方路堤软基处理深度，见表6。该表格结论可根据当地实际情况进行调整后用于现场软基处理深度的确定。

表5 各等级道路典型路面结构层组合

表6 各等级道路软土地基处理深度Zc

6 结论

本文通过选取并验证了汽车荷模型及道路模型后，综合二者进行仿真模拟探究不同轴载、车速及道路结构层条件下低填方路堤基于车辆动应力的软基处理深度，主要得到以下结论：

（1）相同条件下，车辆轴载与车辆在道路结构中产生的动应力呈正相关；车速与车辆在道路结构中产生的动应力呈负相关；增加路面结构层厚度可以相应的减少软基处理的深度。总的来说即是轴载越轻、车速越快、路面结构层越厚以及路面平整度越高就越有利于减少软基处理深度，反之则应增加软基处理深度。

（2）通过对不同等级道路常用路面结构层组合的仿真模拟，得到了各等级道路较为典型的软基处理深度，即考虑车辆动应力及路面铺装情况下，高速公路低填方软土路基处理深度应在1.10 m以上，一级公路为1.23 m以上，二级公路为1.31 m以上，三级公路为1.45 m以上，视重载交通情况软土地基处理深度相应增加25-40 cm。工程实际中可根据当地实际情况对上述结论数据进行调整后用于现场软基处理深度的确定。

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U416.1

A

1009-7716（2017）04-0177-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.053

2017-01-10

国家自然科学基金（41402276）

尚志刚（1976-），男，黑龙江黑河人，高级工程师，从事道路规划设计工作。