论车速及轴向荷载作用下的路基变形

罗丽香

（湖南高速华达工程有限公司，湖南 长沙）

引言

随着我国高速公路施工技术的不断完善，对路基耐久性的要求也越来越高。在行车荷载的作用下，如何保证路基能够适应正常的通行需求至关重要。结合计算机模拟技术的运用，通过分析某高速路的具体状况，对高速公路的各种影响因素进行了研究。通过对不同速度、轴向荷载作用下路基质量缺陷形成的纵、横向变形开展综合分析，总结出病害发生的原因、发展趋势，期望为这类工程的建设提供借鉴。

1 工程概况

某高公路双向共有四车道，每条车道的宽度为3.5 m。路面厚度为0.8 m，共分为3 层，最上面是面层，中间是基层，最下面的是底基层，再往下是路堤，厚度约为1.5 m，坡度是1:1.5，路堤表面缺陷层的厚度为0.7 m。通过使用数值法，具体分析了缺陷层对路堤的影响。路堤模型见图1。

图1 路堤模型示意

2 数值建模

准确获得路基土的关键参数，在此基础上，运用数值模拟方法有效分析路基变形响应。获得这些数据，主要是开展室内试验来实现，通过现场测试传感器，能捕捉到路基动态变形响应，将其当作数值模拟基准[1]。

2.1 网格划分

汽车通过荷载属于常见的动荷载，文中选取了ABAQUS 的EXPLICIT 功能，对其进行了分析。图2 为路基模拟图，模拟环节采用了摩尔- 库伦理论，通过网格化手段来加密处理缺陷部位，y 轴上的缺陷部位长度为14.5 m。网格共计25 568 个，网格单元为六面体。

图2 数值模拟

使用ABAQUS 软件中的AMPLITUDE 模块来调整交通荷载，根据相关文献资料，合理设置移动带，移动荷载主要是通过DLOAD 程序实现。根据各种参考文献，选择100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 四种荷载开展研究[2]。

2.2 模拟工况

路基在不同车速及行车荷载的作用下，会发生沉降变形。为准确分析各种具体情况，文中选取了40 km/h、60 km/h、80 km/h 三种行车速度进行研究，设定四种车轴向荷载，分别为100 kN、125 kN、160 kN、185 kN，通过施加5 000 次荷载，共有12 种情形，模拟工况见表1。

表1 模拟工况

3 车辆速度和轴向荷载对路基变形分析

3.1 车辆沿行驶方向的路基沉降分析

图3 显示了行车速度为40 km/h、60 km/h、80 km/h，车辆轴向荷载为100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 时，行车方向的路基沉降分布状况。

分析图3a 可知，当车辆维持在40 km/h 速度前行，轴向荷载上升时，则路基形变量会变大。受各种轴向荷载影响，在平行方向上4 m 处的形变最为明显。在轴向荷载依次增大到100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 时，对应产生的沉降值分别是13.2 mm、17.1 mm、21.9 mm、25.1 mm。正常部位路基的形变量最大为12.6 mm，相较于同等条件下缺陷部位的路基形变量，下降了49.8%。

分析图3b 可知，当车辆维持在60 km/h 速度前行时，轴向荷载上升，则路基形变量会变大。受各种轴向荷载影响，在平行方向上4 m 处的形变最为明显。在轴向荷载依次增大到100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 时，对应产生的沉降值分别是12.8 mm、15.7 mm、19.6 mm、24.2 mm。正常部位路基的形变量最大是11.7 mm，相较于同等条件下缺陷部位的路基形变量，下降了51.7%。

分析图3c 可知，当车辆维持在80 km/h 速度前行时，轴向荷载上升，则路基形变量会变大。受各种轴向荷载影响，在平行方向上4 m 处的形变最为明显。在轴向荷载依次增大到100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 时，对应产生的沉降值分别是10.1 mm、12.6 mm、15.8 mm、18.8 mm。正常部位路基的形变量最大是8.5 mm，相较于同等条件下缺陷部位的路基形变量，下降了55%。

图3 沿行驶方向路基沉降

需特别注意的是，汽车匀速行驶时，在不同轴向荷载下，路基形变量曲线一致，汽车调速后，形变量会出现改变。车速增至40 公里/小时，其曲线为“w”形；在速度为60 公里/小时和80 公里/小时，曲线呈现“V”形，在同一条件下，地基沉降随车速的增大而减小[3]。

3.2 道路横断面路基沉降分析

图4 显示行车速度为40 km/h、60 km/h、80 km/h时，车辆轴向荷载为100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 时，公路横断面方向的路基沉降分布状况。

分析图4a 可知，距道路中心线6.5 m 的地方，路基沉降曲线的两端是对称的，沉降值在车轮处最大，其周边300～600 mm 之内会出现凸起。汽车保持40 km/h 的速度行驶时，当轴向荷载变大时，路基形变量会不断变大。轴向荷载为100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 时，对应的沉降值分别为13.8 mm、14.3 mm、22.1 mm、25.5 mm。对正常部位的路基而言，其形变量最大值为12.5 mm，相比较于缺陷部位路基的形变量，下降了51%。

图4b 表示汽车保持60 km/h 的速度前进时，分析公路横断面路基形变量变化趋势图，其状态与车速为40 km/h 的曲线一致。汽车保持40 km/h 的速度行驶，当轴向荷载变大时，路基沉降值会不断变大。轴向荷载为100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 时，对应的沉降值分别为12.6 mm、16.2 mm、20.7 mm、23.9 mm，正常部位路基的形变量最大为12.5 mm，相比较于缺陷部位路基的形变量，下降了51.9%。

图4c 表示汽车保持80 km/h 的速度前进时，公路横断面路基沉降变化趋势图，它与车速为40 km/h、60 km/h 的曲线一致。汽车保持80 km/h 的速度行驶，当轴向荷载变大时，路基沉降值会不断变大。轴向荷载为100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 时，对应的沉降值分别为10.8 mm、13.0 mm、16.9 mm、19.1 mm。正常部位路基的形变量最大为8.8 mm，相比较于缺陷部位路基的形变量，下降了53.9%。

图4 沿道路横断面路基沉降

综合对比分析图4a、图4b、图4c 可知，公路横断面路基形变量不会因车速的改变而改变。当轴向荷载增至185 kN 时，正常路基较于同等条件的缺陷路基，其沉降值会下降约50%。在其他条件一致的情况下，当汽车加速时，路基沉降量会慢慢变小。

4 结论

文中以某高速公路工程项目为案例，针对于质量存在缺陷的路基，运用计算机模拟技术，综合分析了受不同车速及轴向荷载影响的纵、横向变形状况，所得结论如下：

（1）在行车方向上，当行车荷载变大时，路基沉降值会随之变大。与此同时，当车速增加时，其形变量会慢慢变小。

（2）当汽车车速保持不变时，受不同的轴向荷载的影响，路基在行车方向上的沉降变化曲线一致。如果车速变化，曲线会随时发生改变。车速为40 km/h时，该曲线表现为“w”形；车速增至60 km/h、80 km/h时，曲线会变为“V”形。

（3）当车辆轴向荷载变大时，公路横断面方向的路基形变量会随之变大，而车速增加时，形变量会随之变小。