沥青路面路基工作区深度影响因素的研究

刘小兰，陈 郝，李自林

(1.天津城建大学土木工程学院，天津市津静路26号 300384；2.北京建工六建集团有限责任公司，北京市海淀区玉泉路甲2号 061001；3.河北省岩土工程安全与变形控制重点实验室(河北水利电力学院)，河北省沧州市黄河西路49号 061001)

路基工作区深度不仅是造成道路开裂、车辙、沉降等损坏的主要因素，还对道路的设计施工具有重要意义[1]，但国内外关于路基工作区深度的研究成果较少。Hyodo和Yasuhara[2]用10t重卡车以不同速度行驶在试验路段，得到路基不同深度处的竖向土压力分布；Juha Forsman和Veli-Matti Uotinen[3]通过现场试验和有限元建模得出土工合成材料的使用有利于降低路基工作区深度；Fernando Emmanuel[4]探讨了载重道路路基工作区深度分析程序；Masuda和Ishida[5]探讨了车速、轴载和道路不平度对车辆荷载竖向振动的影响；郭兰英等[6]在分析路基工作区深度影响因素后建议路基压实深度由0～30cm改为0～80cm；赵官胜[7]提出了按安定性理论确定路基工作区深度法；牛录彩[8]探讨了结构层参数对路基工作区深度的影响；童申家、蔡佳佳、辛强等[9]分析了有无铺面结构下路基工作区深度，发现有铺面结构的路基工作区深度较小；孔令赏和陈骏[10]提出标准轴载下不同等级道路的路基工作区深度应由1.5m修正为0.3～2.5m。

鉴于国内外学者的研究大多集中于路基工作区深度的确定方法，而且对路基工作区深度的影响因素研究甚微，未能综合考虑车辆和道路因素对于路基工作区深度的影响，文中以附加应力与自重应力比值1/10为标准，建立基于路面不平度的1/4车辆模型和基于多层弹性理论的道路结构模型，探讨道路结构层参数、车辆动荷载、行车速度对沥青路面路基工作区深度的影响规律。

1 有限元分析法

由于沥青路面不平度比其他路面小，文中基于国际标准协会建议的路面不平度功率谱拟合函数，用有限元软件生成参考频率n0=0.1m-1，频率指数为2所对应的道路等级B[11]；再结合较为成熟和符合实际的两自由度1/4车辆模型，用COMBIN14单元和MASS21单元分别模拟车辆弹簧阻尼器和集中质量；最后用有限元软件里的瞬态法求得路面不平度影响下，车辆轴载分别为100kN，150kN，200kN，250kN，300kN[12]时的车辆随机荷载。

将沥青路面结构看成弹性多层体系，再结合路面结构动力学建立道路有限元模型(如图1)：道路路基模型尺寸为15m×10m×6m[13-14]，按弹性多层体系简化为4层(面层、基层、垫层和土基，各层参数见表1)；选用SOLID45八节点实体单元对路面模型进行有限元网格划分，面层、基层和垫层的网格尺寸均为0.15m×0.15m×0.15m，土基网格尺寸为0.5m×0.5m×0.5m；模型的底面完全固定约束，侧面单向约束；将基于路面不平度的车辆随机荷载以v0=15m/s，25m/s[15]的速度沿道路模型面层中心线施加，因为车辆移动距离短，沥青路面波动小，所以可认为车辆保持匀速直线行驶；最后采用有限元软件提供的Full法进行瞬态求解。

表1 沥青路面各结构层参数[16-18]Tab.1 Structure layer parameters of asphalt pavement

图1 有限元模型Fig.1 The finite element model

2 不同车辆动荷载下结构层参数对路基工作区深度的影响分析

在车辆动荷载(100kN，150kN，200kN，250kN，300kN)以15m/s的速度行驶于B等级路面的工况下，分别取6种面层模量、面层厚度和基层模量，5种基层厚度、垫层模量、垫层厚度和土基模量，采用控制变量法研究以上七大因素对路基工作区深度的影响(路基工作区深度的标准取为附加应力/自重应力=0.1)。

2.1 不同车辆动荷载下各结构层模量的影响

道路各结构层模量对路基工作区深度的影响见图2。

(a)

(b)

(c)

(d)图2 不同车辆荷载下各结构层模量对路基工作区深度影响Fig.2 The influence of modulus of layers on the subgrade work area depth with different coaxial loads

由图2可知，不同车辆荷载下各结构层模量对路基工作区深度的影响有如下规律。

在车辆动荷载一定时，随着面层模量、基层模量、垫层模量的增加，路基工作区深度曲线几乎是一条水平线。这说明面层模量、基层模量、垫层模量对路基工作区深度的影响甚微。这是因为铺面结构层模量主要是影响应力的扩散作用，对应力的吸收作用和消减作用影响较小。但在车辆动荷载一定时，随着土基模量的增加，路基工作区深度逐渐增加。这是因为土基模量越大，其应力扩散能力越强，传递得越远。

在面层模量一定时，随着车辆动荷载的增加，路基工作区深度曲线逐渐上移，且车辆动荷载每增加50kN，路基工作区深度曲线向上平移约1m。在基层模量一定时，随着车辆动荷载的增加，路基工作区深度曲线不断上移且趋势逐渐变缓；当车辆动荷载不超过200kN时，每增加50kN动载路基工作区深度上移1m左右；当车辆动荷载大于200kN时，每增加50kN动载路基工作区深度上移约1m。在垫层模量一定时，车辆动荷载每增加50kN，路基工作区深度曲线向上平移约1m。

2.2 不同车辆动荷载下各结构层厚度的影响

道路各结构层厚度对路基工作区深度的影响见图3。

由图3可知，各结构层厚度对路基工作区深度的影响是不同的。

在车辆动荷载一定时，随着面层厚度的增加，路基工作区深度曲线几乎水平不变，说明面层厚度对路基工作区深度的影响很小。这是因为面层是应力扩散层，对于应力扩散中的能量消耗和衰减影响很小。在车辆动荷载一定时，随着基层厚度的增加，路基工作区深度曲线逐渐下降，且当车辆动荷载大于200kN时，路基工作区深度曲线在基层厚度为0.5m左右时趋于稳定。这说明基层厚度对路基工作区深度的影响显著。这是因为基层是主要的承载层，对于承受荷载和应力消耗吸收影响大。在车辆动荷载一定时，随着垫层厚度的增加，路基工作区深度曲线在垫层厚度小于0.25m左右不变，随后平缓下降，说明垫层厚度对路基工作区深度的影响较小。因为垫层是过渡层，对于承受荷载和消耗吸收应力影响较小。

在面层厚度、基层厚度、垫层厚度一定时，随着车辆动荷载每增加50kN，路基工作区深度均增加约1m左右。

(a)

(b)

(c)图3 不同车辆荷载下各结构层厚度对路基工作区深度影响Fig.3 The influence of thickness of layers on the subgrade work area depth with different coaxial loads

综上所述，在车辆动荷载一定时，铺面结构层厚度对路基工作区深度的影响程度比铺面结构层模量大，其中基层厚度尤为显著。此外，在结构层参数一定时，路基工作区深度与车辆动荷载呈现较好的线性正相关关系。

3 不同行车速度下结构层参数对路基工作区深度的影响分析

在100kN车辆动荷载、以15m/s和25m/s速度行驶于B等级路面的工况下，分别取6种面层模量和基层模量，5种面层厚度、基层厚度、垫层模量、垫层厚度和土基模量，采用控制变量法研究以上七大因素对路基工作区深度的影响(路基工作区深度的标准取为附加应力/自重应力=0.1)。

3.1 不同行车速度下各结构层模量的影响

道路各结构层模量对路基工作区深度的影响见图4。

(a)

(b)

(c)

(d)

由图4可知，各结构层模量对路基工作区深度影响有如下规律。

在行车速度一定时，随着面层模量、基层模量、垫层模量的增加，路基工作区深度逐渐下降，且下降总量约在0.3m左右。这说明面层模量、基层模量、垫层模量对路基工作区深度的影响较小，因为铺面结构层模量主要是影响应力的扩散作用，对应力的吸收作用和消减作用影响较小。但在行车速度一定时，随着土基模量的增加，路基工作区深度逐渐增加。这是因为土基模量越大，其应力扩散能力越强，传递得越远。

在面层模量、基层模量、垫层模量一定时，随着行车速度的增加，路基工作区深度曲线均逐渐上移，且行车速度每增加10m/s，路基工作区深度曲线向上平移约0.4m。在土基模量一定时，随着行车速度的增加，路基工作区深度曲线不断上移，但上移量不断减小，约在土基模量为60MPa时趋于重合。

3.2 不同行车速度下各结构层厚度的影响

道路各结构层厚度对路基工作区深度的影响见图5。

(a)

(b)

(c)图5 不同行车速度下各结构层厚度对路基工作区深度影响Fig.5 The influence of thickness of layers on the subgrade work area depth with different speeds

由图5可知，各结构层厚度对路基工作区深度的影响有如下规律。

在行车速度一定时，随着面层厚度的增加，路基工作区深度曲线波动下降，且下降总量约为0.4m。这说明面层厚度对路基工作区深度的影响较小，因为面层是应力扩散层，对于应力扩散中的能量消耗和衰减影响较小。在行车速度一定时，随着基层厚度的增加，路基工作区深度曲线下降总量约为1.8m。这说明基层厚度对路基工作区深度的影响显著，因为基层是道路结构的主要承重层。在行车速度一定时，随着垫层厚度的增加，路基工作区深度直线下降，总量约为0.6m。这说明垫层厚度对路基工作区深度的影响较大，因为垫层是过渡层，不是承受荷载的主要结构层。

在面层厚度一定时，当行车速度从25m/s增加到15m/s时，路基工作区深度约增加0.4m；在基层厚度一定时，当行车速度从25m/s增加到15m/s时，路基工作区深度约增加1.4m；在垫层厚度一定时，当行车速度从25m/s增加到15m/s时，路基工作区深度约增加0.4m。

综上所述，在行车速度一定时，铺面结构层模量对路基工作区深度几乎没有影响，铺面结构层厚度对路基工作区深度影响程度由大到小为基层厚度、垫层厚度、面层厚度；在结构层参数一定时，行车速度增加导致路基工作区深度增加。

4 结论

(1)当其他条件一定时，铺面结构层厚度对路基工作区深度的影响程度明显大于铺面结构层模量，其中铺面结构层厚度的影响程度由大到小为基层厚度、垫层厚度、面层厚度。

(2)随着铺面结构层参数的增加，路基工作区深度均非线性下降；但随着土基模量的增加，路基工作区深度非线性上升。

(3)当结构层参数一定时，随着车辆动荷载的增加，路基工作区深度呈线性增加，且车辆动荷载每增加50kN，路基工作区深度均增加约1m。

(4)当结构层参数一定时，随着行车速度的增加，路基工作区深度也增加；除基层厚度一定时，行车速度每增加10m/s，路基工作区深度增加约1.4m外，其他各结构层参数一定时，行车速度每增加10m/s，路基工作区深度增加约0.4m。