馮 鑫

(遼寧省交通科學(xué)研究院有限責任公司 沈陽市 110015)

0 引言

運營期路基發(fā)生沉降將給車輛行駛的舒適性和安全性帶來隱患，因此，控制路基發(fā)生沉降是道路工程中持續(xù)關(guān)注的研究課題。通過優(yōu)化路基填料級配或者篩選力學(xué)性能較好的材料作為路基填料，是工程界控制路基沉降的常用方法。我國路基設(shè)計以回彈模量作為力學(xué)依據(jù)，以CBR作為路基填料的評價指標，現(xiàn)場施工中以最佳含水率和壓實度作為基本控制指標，施工完成后以路表彎沉作為驗收指標，在路基的設(shè)計、施工、驗收以及運營過程缺乏一套完整計算方法來預(yù)估路基容許沉降量的取值。道路路基發(fā)生較大的不均勻變形，路面將會開裂、斷塊、表面變形隆起、塌陷、脫空、接縫錯臺及封縫材料失效等，行車安全和結(jié)構(gòu)安全將會受到影響。如何將路基沉降量控制在一個可容許的范圍之內(nèi)，是道路領(lǐng)域需要面對的工程問題。

從表現(xiàn)形式來講，路基沉降可分為工后沉降和差異性沉降兩種類型。從路基沉降的描述方式以及路基沉降的容許值等兩個方面分析當前道路工程領(lǐng)域的研究進展，理清了路基沉降曲線的常見描述方程以及路基容許沉降量的取值，相關(guān)研究結(jié)論可為施工過程中路基沉降控制措施提供借鑒。

1 路基沉降曲線的數(shù)學(xué)方程

路基頂面因為發(fā)生沉降而形成新的凹陷型曲面，如圖1所示，該凹陷面可用路基沉降曲線來表征。由于道路的可延伸性，該路基沉降曲線通常取某個橫線斷面作為研究對象，采用二元函數(shù)進行描述。對沉降曲線進行定量描述是提出沉降容許值的先決條件。根據(jù)不同的工況所選擇的沉降曲線函數(shù)表達式不盡相同。表1為路基沉降曲線進行數(shù)學(xué)描述的代表性成果。

圖1 路基沉降曲面示意圖

表1 路基沉降曲線的典型數(shù)學(xué)描述方程

分析表1的函數(shù)表達式可知，不同場景下的路基沉降曲線函數(shù)均可表征沉降量從路基邊緣向路基中心位置處均勻增大的特點。學(xué)者們根據(jù)研究工況的不同而選擇不同的描述函數(shù)，文獻[1-3]描述的不均勻沉降多由舊路拓寬、不均勻融沉等因素引發(fā)，其特點是沉降的跨度較大，通常覆蓋了半幅路基。文獻[4]提出的則是交通荷載和重載作用下行車道下路基的不均勻沉降量描述方程。以這些描述函數(shù)為基礎(chǔ)，可定量給出路基沉降量的取值。

2 路基沉降的容許值

路基沉降容許值的確定為設(shè)計和施工提供了控制指標，我國一定程度吸取了國外標準的制定經(jīng)驗，在公路工程、鐵路工程以及機場工程領(lǐng)域?qū)β坊蛘叩阑某两等菰S值均提出了明確的要求，見表2所示。

表2 我國現(xiàn)有規(guī)范對路基沉降容許值的規(guī)定

需要注意的是，由于我國幅員遼闊，不同自然區(qū)劃內(nèi)的環(huán)境特征差異性巨大，加上不同工況下工程地質(zhì)條件迥異，由表1給出的路基(道基)沉降容許值并不能一概而論，應(yīng)用于各種施工狀況。在實際的執(zhí)行過程中，根據(jù)施工的需要往往會提高沉降的控制標準，比如高速鐵路要求路基在長期、重復(fù)交通荷載作用下產(chǎn)生的塑性附加沉降變形應(yīng)小于等于5mm[8]。

路基沉降容許值的實際執(zhí)行標準比規(guī)范要求標準偏高的現(xiàn)象，側(cè)面反映出當前我國的行業(yè)標準和規(guī)范尚不足以應(yīng)對多種環(huán)境特征下控制交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生沉降的需求。當前行業(yè)標準和規(guī)范對于路基沉降容許值的描述還存在很大的完善空間。近年來，國內(nèi)學(xué)者在道路路基沉降標準研究方面取得了一些新的研究進展，見表3所示。

表3 近年來路基沉降控制標準研究進展概述

可以看出，學(xué)者們不再熱衷于提出某種具體的路基沉降值，而是根據(jù)實際的工程狀況，以某個具體的控制指標作為參考，給出一套完整的計算流程，得到一個開放式的控制標準。在實際運用過程中，再將工程參數(shù)作為初始輸入，經(jīng)過一系列運算即可獲取當前條件下的路基沉降容許值。文獻[4]給出的計算流程最具代表性，季凍區(qū)路基不均勻變形控制指標A的計算式如式(1)所示：

(1)

其中控制指標A為表1中文獻[4]提出的路基沉降曲線函數(shù)的系數(shù)，該控制指標能夠有效表征路基沉降面的寬度和深度，繼而精準描述沉降面的發(fā)展趨勢。[σy,max]為底基層層底拉應(yīng)力的容許值，在道路設(shè)計階段根據(jù)具體的路面結(jié)構(gòu)計算獲取。σy,max(hi)和σy,max(Ei)分別為路基上覆結(jié)構(gòu)層層厚hi和動彈性模量Ei的影響函數(shù)，二者的取值均由式(2)給出：

σy,max=a+bxc

(2)

式中a、b、c為擬合參數(shù)，其擬合值見表4所示。當計算σy,max(hi)時，式(2)中的x依次取為hpav、hbas和hsub，單位mm；當計算σy,max(Ei)時，式(2)中的x

表4 影響函數(shù)σy,max(hi)和σy,max(Ei)的計算參數(shù)取值表

依次取為Epav、Ebas和Esub，單位kPa。

由式(1)、式(2)以及表4即可得到季凍區(qū)路基不均勻變形控制指標A的容許值。

3 結(jié)語

分析了我國交通基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域?qū)τ诨A(chǔ)沉降控制標準的研究進展，首先給出了路基沉降曲線的代表性描述方程，歸納了道路工程、鐵路工程和機場工程領(lǐng)域路基(道基)容許沉降量的取值，進一步分析了上述三個工程領(lǐng)域近年來的研究進展，并重點介紹了一套完善的路基沉降容許值的計算流程。認為當前實行的路基沉降控制標準一定程度上能夠?qū)Φ缆方ㄔO(shè)提供有效指導(dǎo)，隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施的廣泛開展，面臨的建設(shè)環(huán)境越發(fā)復(fù)雜，有必要針對具體的工程狀況提出一套完善的路基沉降容許值的計算流程，繼而完善交通基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定性評價體系。