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        路基回彈模量變化對瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響研究

        2022-09-14 06:49:36鄭巖
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年25期
        關(guān)鍵詞:幅度剛性面層

        鄭巖

        (北京華城工程管理咨詢有限公司,北京 102600)

        引言

        在公路工程設(shè)計中,獲取準(zhǔn)確的路基回彈模量是瀝青路基路面結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計中的重要工作內(nèi)容,但是路基回彈模量受到各種不確定因素的影響導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,直接影響著瀝青路面結(jié)構(gòu)層的整體物理力學(xué)性質(zhì)[1]。研究路基回彈模量對道路表面彎沉值和路基壓應(yīng)變的影響受到了道路研究人員的廣泛關(guān)注和研究[2]。

        1 工程概況

        某高速公路項目路線全長134 km。C14 標(biāo)段起訖里程K75+640~K80+671,長度5.031 km,主要包括橋梁、涵洞、隧道及路基等工程。道路工程為雙線四車道高速公路,設(shè)計速度:80 km/h,整體式路基寬度為24.5 m,分離式路基寬度為12.25 m,設(shè)計荷載為公路Ⅰ級,路面結(jié)構(gòu)類型為瀝青混凝土路面。

        2 不同路基回彈模量變化對瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響

        在路基工程設(shè)計中,路基回彈模量是最為基礎(chǔ)和重要的剛度參數(shù)之一,直接關(guān)系到路基路面結(jié)構(gòu)層的確定[3-4]。在路基路面工程中,結(jié)構(gòu)層從上至下依次為瀝青路面(厚度為15 cm)、半剛性基層(厚度為25 cm)、底基層(厚度為25 cm)、路基(厚度為80 cm)[5]。為了研究路基回彈模量的變化對瀝青路面結(jié)構(gòu)彎沉值以及壓應(yīng)變的影響,基于邁達(dá)斯軟件MIDAS GTS建立數(shù)值分析模型,計算時,車輛荷載的大小取為公路Ⅰ級,荷載作用為半正弦波周期荷載,波場為1.0,波幅為7.52 MPa,車輛行車速度為80 km/h,將瀝青路面、半剛性基層、底基層、路基設(shè)置為不同的回彈模量[6-8]。其中路基的回彈模量設(shè)置5 個等級,分別為25 MPa、50 MPa、75 MPa、100 MPa 和125 MPa;底基層的回彈模量設(shè)置為5 個等級,分別為400 MPa、500 MPa、600 MPa、700 MPa 和800 MPa;半剛性基層的回彈模量設(shè)置為5 個等級,分別為1 200 MPa、1 300 MPa、1 400 MPa、1 500 MPa 和1 600 MPa;面層的回彈模量設(shè)置為5 個等級,分別為1 000 MPa、1 200 MPa、1 400 MPa、1 600 MPa 和1 800 MPa。

        不同路基回彈模量工況下,對道路表面的彎沉值的影響計算結(jié)果如圖1 所示。

        從圖1a 中可以看出,在相同路基回彈模量的情況下,道路表面的彎沉值隨著面層模量的增加呈現(xiàn)近線性減小。以路基回彈模量E0=25 MPa 為例,面層模量為Es=1 000 MPa 時,道路表面的彎沉值大小為2.548 mm,而面層模量增加至Es=1 800 MPa 時,道路表面的彎沉值大小降低為2.489 mm,降低幅度為2.296%,類似地,路基回彈模量E0分別為50 MPa、75 MPa、100 MPa 和125 MPa 時,道路表面的彎沉值分別降低了3.299%、9.552%、2.062%、6.821%;在相同面層模量的情況下,道路表面的彎沉值隨著路基回彈模量的增加呈非線性減小,且減小的幅度逐步減緩,以面層模量為Es=1 000 MPa 為例,道路路基回彈模量為E0=25 MPa 為例,道路表面的彎沉值大小為2.548 mm,路基回彈模量增加至E0=55 MPa 時,道路表面的彎沉值大小降低為1.679 mm、路基回彈模量增加至E0=75 MPa 時,道路表面的彎沉值大小降低為1.337 mm、路基回彈模量增加至E0=100 MPa 時,道路表面的彎沉值大小降低為0.982 mm、路基回彈模量增加至E0=125 MPa 時,道路表面的彎沉值大小降低為0.883 mm,降低幅度分別為34.106%、26.568%、20.352%、10.015%。

        圖1 不同路基回彈模量工況下,對道路表面的彎沉值的影響計算結(jié)果

        從圖1b 中可以看出,在相同路基回彈模量的情況下,道路表面的彎沉值隨著半剛性基層模量的增加呈現(xiàn)近線性減小。以路基回彈模量E0=25 MPa 為例,半剛性基層模量為Ec=1 200 MPa 時,道路表面的彎沉值大小為2.489 mm,而半剛性基層模量增加至Es=1 600 MPa 時,道路表面的彎沉值大小降低為2.463 mm,降低幅度為1.071%,類似地,路基回彈模量E0分別為50 MPa、75 MPa、100 MPa 和125 MPa 時,道路表面的彎沉值分別降低了0.754%、4.751%、2.847%、4.679%;在相同半剛性基層模量的情況下,道路表面的彎沉值隨著路基回彈模量的增加呈非線性減小,且減小的幅度逐步減緩,以半剛性基層模量為Ec=1 200 MPa 為例,道路路基回彈模量為E0=25 MPa 為例,道路表面的彎沉值大小為2.489 mm,路基回彈模量增加至E0=55 MPa 時,道路表面的彎沉值大小降低為1.545 mm、路基回彈模量增加至E0=75 MPa 時,道路表面的彎沉值大小降低為1.328 mm、路基回彈模量增加至E0=100 MPa 時,道路表面的彎沉值大小降低為0.990 mm、路基回彈模量增加至E0=125 MPa 時,道路表面的彎沉值大小降低為0.853 mm,降低幅度分別為37.953%、25.415%、14.021%、13.830%。

        從圖1c 中可以看出,在相同路基回彈模量的情況下,道路表面的彎沉值隨著低基層模量的增加呈現(xiàn)近線性減小。以路基回彈模量E0=25 MPa 為例,底基層模量為Eb=400 MPa 時,道路表面的彎沉值大小為2.513 mm,而底基層模量增加至Eb=800 MPa 時,道路表面的彎沉值大小降低為2.457 mm,降低幅度為2.183%,類似地,路基回彈模量E0分別為50 MPa、75 MPa、100 MPa 和125 MPa 時,道路表面的彎沉值分別降低了5.568%、3.187%、3.023%、12.471%;在相同底基層模量的情況下,道路表面的彎沉值隨著路基回彈模量的增加呈非線性減小,且減小的幅度逐步減緩,以底基層模量為Eb=1 200 MPa 為例,道路路基回彈模量為E0=25 MPa 為例,道路表面的彎沉值大小為2.513 mm,路基回彈模量增加至E0=55 MPa 時,道路表面的彎沉值大小降低為1.595 mm、路基回彈模量增加至E0=75 MPa 時,道路表面的彎沉值大小降低為1.130 mm、路基回彈模量增加至E0=100 MPa 時,道路表面的彎沉值大小降低為0.990 mm、路基回彈模量增加至E0=125 MPa 時,道路表面的彎沉值大小降低為0.981 mm,降低幅度分別為34.988%、20.346%、15.076%、5.830%。

        不同路基回彈模量工況下,對路基壓應(yīng)變值的影響計算結(jié)果見圖2。

        從圖2a 中可以看出,在相同路基回彈模量的情況下,道路路基壓應(yīng)變值隨著面層模量的增加呈現(xiàn)非線性減小,并逐步趨于收斂。以路基回彈模量E0=25 MPa 為例,面層模量為Es=1 000 MPa 時,道路路基壓應(yīng)變大小為9.677×10-4,而面層模量增加至Es=1 800 MPa 時,路基壓應(yīng)變值大小降低為8.281×10-4,降低幅度為14.429%,類似地,路基回彈模量E0分別為50 MPa、75 MPa、100 MPa 和125 MPa 時,道路路基壓應(yīng)變 值 分 別 降 低 了19.573% 、30.958% 、26.765% 、18.075%;在相同面層模量的情況下,路基壓應(yīng)變值隨著路基回彈模量的增加呈非線性減小,且減小的幅度逐步減緩,以面層模量為Es=1 000 MPa 為例,道路路基回彈模量為E0=25 MPa 為例,道路路基壓應(yīng)變大小為9.677×10-4,路基回彈模量增加至E0=55 MPa 時,路基壓應(yīng)變值大小降低為8.045×10-4、路基回彈模量增加至E0=75 MPa 時,路基壓應(yīng)變值大小降低為6.099×10-4、路基回彈模量增加至E0=100 MPa 時,路基壓應(yīng)變值大小降低為4.846×10-4、路基回彈模量增加至E0=125 MPa 時,路基壓應(yīng)變值大小降低為3.976×10-4,降低幅度分別為16.876%、24.173%、20.556%、17.941%。

        圖2 不同路基回彈模量工況下,對道路壓應(yīng)變的影響計算結(jié)果

        從圖2b 中可以看出,在相同路基回彈模量的情況下,道路路基壓應(yīng)變值隨著半剛性基層模量的增加呈現(xiàn)非線性減小,并逐步趨于收斂。以路基回彈模量E0=25 MPa 為例,半剛性基層模量為Ec=1 200 MPa時,道路路基壓應(yīng)變大小為9.908×10-4,而半剛性基層模量增加至Es=1 600 MPa 時,路基壓應(yīng)變值大小降低為7.229×10-4,降低幅度為27.035%,類似地,路基回彈模量E0分別為50 MPa、75 MPa、100 MPa 和125 MPa 時,道路路基壓應(yīng)變值分別降低了24.013%、23.447%、25.105%、9.204%;在相同半剛性基層模量的情況下,道路路基壓應(yīng)變值隨著路基回彈模量的增加呈非線性減小,且減小的幅度逐步減緩,以半剛性基層模量為Ec=1 200 MPa 為例,道路路基回彈模量為E0=25 MPa 為例,路基壓應(yīng)變大小為9.908×10-4,路基回彈模量增加至E0=55 MPa 時,道路表面的彎沉值大小降低為7.905×10-4、路基回彈模量增加至E0=75 MPa 時,道路路基壓應(yīng)變值大小降低為5.901×10-4、路基回彈模量增加至E0=100 MPa 時,道路路基壓應(yīng)變值大小降低為4.667×10-4、路基回彈模量增加至E0=125 MPa 時,道路路基壓應(yīng)變值大小降低為3.912×10-4,降低幅度分別為30.328%、20.434%、13.027%、10.637%。

        從圖2c 中可以看出,在相同路基回彈模量的情況下,道路路基壓應(yīng)變值隨著低基層模量的增加呈現(xiàn)非線性減小,并逐步趨于收斂。以路基回彈模量E0=25 MPa 為例,底基層模量為Eb=400 MPa 時,道路路基壓應(yīng)變值大小為9.893×10-4,而底基層模量增加至Eb=800 MPa 時,道路路基壓應(yīng)變值大小降低為8.937×10-4,降低幅度為8.647%,類似地,路基回彈模量E0分別為50 MPa、75 MPa、100 MPa 和125 MPa 時,道路路基壓應(yīng)變值分別降低了20.297%、15.376%、13.675%、8.345%;在相同底基層模量的情況下,道路路基壓應(yīng)變值隨著路基回彈模量的增加呈非線性減小,且減小的幅度逐步減緩,以底基層模量為Eb=1 200 MPa 為例,道路路基回彈模量為E0=25 MPa 為例,道路路基壓應(yīng)變值大小為9.893×10-4,路基回彈模量增加至E0=55 MPa 時,道路路基壓應(yīng)變值大小降低為7.913×10-4、路基回彈模量增加至E0=75 MPa時,道路路基壓應(yīng)變值大小降低為4.857×10-4、路基回彈模量增加至E0=100 MPa 時,道路路基壓應(yīng)變值大小降低為4.757×10-4、路基回彈模量增加至E0=125 MPa 時,道路路基壓應(yīng)變值大小降低為3.997×10-4,降低幅度分別為30.283%、18.348%、13.239%、5.662%,見圖2。

        3 結(jié)論

        以某高速公路項目為例,采用數(shù)值模擬手段,分析不同路基回彈模量工況條件下道路表面彎沉值與路基壓應(yīng)變的變化情況,得到以下結(jié)論:

        (1)在相同路基回彈模量的情況下,道路表面的彎沉值隨著面層、半剛性基層和底層模量的增加均呈現(xiàn)近線性減??;在相同面層、半剛性基層和底層模量的情況下,道路彎沉值隨地基回彈模量的增加均呈非線性減小,且減小的幅度逐步減緩。

        (2)在相同路基回彈模量的情況下,道路路基壓應(yīng)變隨著面層、半剛性基層和底層模量的增加均呈現(xiàn)非線性減小,并逐步趨于收斂;在相同面層、半剛性基層和底層模量的情況下,路基壓應(yīng)變值隨地基回彈模量的增加均呈非線性減小,且減小的幅度逐步減緩。

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