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        礫石土墊層對路基路面結(jié)構(gòu)力學響應的影響分析

        2022-07-09 08:50:36劉彥珍
        科學技術(shù)創(chuàng)新 2022年19期
        關(guān)鍵詞:基層

        劉彥珍

        (寧夏公路勘察設計院有限責任公司,寧夏 銀川 750001)

        作為路基施工的最后一道工序或路面施工的第一道工序,墊層應當滿足規(guī)范所要求的平整度、坡度要求。具體來看,墊層的主要作用有以下幾點:聯(lián)結(jié)相鄰結(jié)構(gòu)層并發(fā)揮過渡作用;封閉結(jié)構(gòu)中局部區(qū)域,使得結(jié)構(gòu)防水、保水;強化路面結(jié)構(gòu),使其保持完整性,防止結(jié)構(gòu)病害的發(fā)展;在臨時開放通行時,防止由于天氣、車輛等導致的結(jié)構(gòu)損壞。實踐表明,礫石土墊層有助于降低底基層的層底拉力,使其穩(wěn)定性得到增強。同時路基穩(wěn)定還對路面結(jié)構(gòu)的各項力學性能起著決定性影響,所以在部分地質(zhì)條件較為特殊的地區(qū),路基墊層技術(shù)的應用也就顯得尤為重要,對于工程建設質(zhì)量存在主導作用。而在其他填筑材料較為匱乏的情況下,采取礫石土來完成路基填筑就具有突出的應用優(yōu)勢。

        1 計算點位的確定

        基于層狀彈性體系理論進行分析可以發(fā)現(xiàn),路面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的主要原因在于路面彎沉變形量、拉應力過大。在這樣的情況下,受到上部車輛荷載、自然環(huán)境等的復合作用,路基就很容易陷入過大變形的狀態(tài)下,導致路面平整性不足。所以在實際工程中,可以路表彎沉、層底拉應力作為核心指標展開分析。各指標所對應的計算點位如圖1 所示。

        圖1 計算點位圖

        2 礫石土墊層模量的影響規(guī)律

        2.1 對路表彎沉的影響

        調(diào)整得到不同的礫石墊層模量,并以此計算相應的路表彎沉值,這一分析計算的結(jié)果如圖2 所示。在該圖中,路表彎沉值也即路表的豎向位移量。

        根據(jù)圖2 的曲線可以發(fā)現(xiàn),在保持墊層厚度不變的條件下,墊層模量越大所對應的路表彎沉值呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢,下降的速度逐漸減小,且下降速度與墊層厚度之間存在顯著關(guān)聯(lián)。在墊層厚度為25cm 的條件下,墊層模量由50MPa 提高至500MPa 的過程中,路表彎沉值的下降幅度最大,由0.3970mm 下降至0.3491mm。

        圖2 不同墊層模量下的路表彎沉值

        2.2 對各面層層底拉應力的影響

        調(diào)整得到不同的礫石墊層模量,并以此計算相應的層底拉應力,這一分析計算的結(jié)果如圖3 所示??紤]到荷載及結(jié)構(gòu)均沿著輪隙中心呈對稱分布,所以可認為各層中荷載中心位置的層底拉應力相等,也即B 與D 點的結(jié)果相等。

        圖3 不同模量下B(D)點層底拉應力

        根據(jù)圖3 曲線可以發(fā)現(xiàn),在標準軸載條件下,上面層的層底受到壓力作用。在保持墊層厚度不變的條件下,墊層模量越大所對應的層底壓應力呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢,下降的速度先快后慢,且墊層厚度越大這一規(guī)律越突出。在墊層厚度為25cm 的條件下,墊層模量由50MPa 提高至500MPa 的過程中,層底壓應力的下降幅度最大。中、下面層的層底受到壓力作用。在保持墊層厚度不變的條件下,墊層模量越大所對應的層底壓應力呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢,下降的速度先快后慢,且墊層厚度越大這一規(guī)律越突出。在墊層厚度為25cm 的條件下,墊層模量由50MPa 提高至500MPa 的過程中,中、下面層的層底壓應力的下降幅度最大。

        2.3 對基層與墊層層底拉應力的影響

        調(diào)整得到不同的礫石墊層模量,并以此計算相應的基層、底基層以及墊層層底拉應力,這一分析計算的結(jié)果如圖4 所示。考慮到荷載及結(jié)構(gòu)均沿著輪隙中心呈對稱分布,所以可認為各層中荷載中心位置的層底拉應力相等,也即K 與M 點位的結(jié)果相等。在未經(jīng)礫石土墊層處理之前,墊層厚度越大,Q(S)及R 點位處的層底拉應力變化與中墊層厚度為0 時所對應的曲線相近。

        圖4 不同模量下K(M)點層底拉應力

        根據(jù)圖4 的曲線可以發(fā)現(xiàn),在標準軸載條件下,基層層底受到拉力作用。在保持墊層厚度不變的條件下,墊層模量越大所對應的層底拉應力呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢,下降的速度先快后慢,且墊層厚度越大這一規(guī)律越突出。在墊層厚度為25cm 的條件下,墊層模量由50MPa 提高至500MPa 的過程中,基層K(M)點位處的層底拉應力的下降幅度最大。

        2.4 對路基表面壓應力與壓應變的影響

        調(diào)整得到不同的礫石墊層模量,并以此計算T 點位置的路基表面壓應力及壓應變,一分析計算的結(jié)果如圖5 所示。

        圖5 不同模量下路基表面壓應力

        根據(jù)圖5 的曲線可以發(fā)現(xiàn),在保持墊層厚度不變的條件下,墊層模量越大所對應的路基表面壓應力呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。在墊層模量為1000MPa 時,所對應的路基表面壓應力為峰值,其增幅最大為0.01 倍,由此可以認為墊層模量的影響比較微弱。此后,繼續(xù)提升墊層模量,發(fā)現(xiàn)路基表面壓應力呈現(xiàn)出下降的趨勢,且其基本為線性下降,其減幅最大為0.12 倍,墊層模量的影響同樣較為微弱。

        在保持墊層厚度不變的條件下,墊層模量越大所對應的路基表面壓應變呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。墊層模量由50MPa 提高至500MPa 的過程中,路基表面壓應變的上升幅度最大,當模量為150MPa 時所對應的壓應變達到峰值,其增幅最大為0.07 倍。此后,繼續(xù)提升墊層模量,發(fā)現(xiàn)路基表面壓應變呈現(xiàn)出下降的趨勢,且其基本為線性下降,其減幅最大為0.16 倍,墊層模量的影響較為微弱。

        3 礫石土墊層厚度的影響規(guī)律

        3.1 對路表彎沉的影響

        調(diào)整得到不同的礫石墊層厚度,并以此計算相應的路表彎沉值,這一分析計算的結(jié)果如圖6 所示。

        圖6 不同厚度下路表彎沉

        根據(jù)上圖的曲線可以發(fā)現(xiàn),在保持墊層模量不變的條件下,墊層厚度越大所對應的路表彎沉值呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢,下降的速度逐漸增大,且下降速度與墊層模量之間存在顯著關(guān)聯(lián)。在墊層模量為50OMPa 的條件下,墊層厚度由0cm 提高至25cm 的過程中,路表彎沉值的下降幅度最大,由0.4024mm 下降至0.3491mm,其降幅為0.15 倍。

        3.2 對面層層底拉應力的影響

        調(diào)整得到不同的礫石墊層厚度,并以此計算相應的層底拉應力,這一分析計算的結(jié)果如圖7 所示。認為B與D 點位的結(jié)果相等。

        圖7 不同厚度下B(D)點層底拉應力

        根據(jù)圖7 曲線可以發(fā)現(xiàn),在標準軸載條件下,上面層的層底受到壓力作用。在保持墊層模量不變的條件下,墊層厚度越大所對應的層底壓應力呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢,下降的速度先慢后快。在墊層模量為500MPa 的條件下,墊層模量由0cm 提高至25cm 的過程中,層底壓應力的下降幅度最大,其降幅為0.04 倍。中、下面層的層底受到壓力作用。在保持墊層模量不變的條件下,墊層厚度越大所對應的層底壓應力呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢,下降的速度先慢后快。在墊層模量為500MPa 的條件下,墊層模量由0cm 提高至25cm 的過程中,中、下面層的層底壓應力的下降幅度最大,其降幅為0.04 倍。

        3.3 對基層與墊層層底拉應力的影響

        調(diào)整得到不同的礫石墊層厚度,并以此計算相應的基層、底基層以及墊層層底拉應力,這一分析計算的結(jié)果如圖8 所示。同時認定K 與M 點位的結(jié)果相等。

        圖8 不同厚度下K(M)點層底拉應力

        在標準軸載條件下,基層層底受到拉力作用。在保持墊層模量不變的條件下,墊層厚度越大所對應的層底拉應力呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢,下降的速度大致為線性,且墊層模量越大減幅越大。在墊層模量為500MPa 的條件下,墊層模量由0cm 提高至25cm 的過程中,基層K(M)點層底拉應力的下降幅度最大,其降幅為0.51 倍。

        在標準軸載條件下,基層層底受到拉力作用。在100MPa-500MPa 的墊層模量條件下,墊層厚度越大所對應的層底拉應力呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。且墊層模量越大拉應力峰值逐漸表現(xiàn)出向低厚度轉(zhuǎn)移的趨勢,其最大增幅為0.1 倍。此后,隨著墊層厚度的提升,路基的表面壓應力則逐漸下降,其最大減幅為0.08 倍。在50MPa 的墊層模量下,墊層厚度越大所對應的層底拉應力表現(xiàn)出不斷上升的趨勢,其最大增幅為0.65 倍。

        在保持墊層模量不便的條件下,墊層的附加能夠顯著減小層底拉應力。

        4 結(jié)論

        針對不同墊層模量、厚度下路面結(jié)構(gòu)的力學響應展開分析發(fā)現(xiàn),提升墊層厚度能夠顯著減小路表彎沉,且厚度越大這一效果越突出;同時墊層模量越大,路表彎沉值越小,且模量增幅越大這一效果越突出。

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