陳元林

（江西省交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司宜春管理中心，江西 宜春 330802）

車(chē)輛荷載是高速公路建成運(yùn)營(yíng)后一種長(zhǎng)期循環(huán)的主要?jiǎng)雍奢d，根據(jù)以往研究發(fā)現(xiàn)，在相同條件下時(shí)，基礎(chǔ)變形在動(dòng)荷載與靜荷載同時(shí)影響下，車(chē)輛動(dòng)載的影響程度要大于路面靜載的影響程度。尤其高速公路建設(shè)在軟土路基上，車(chē)輛行駛荷載對(duì)路基基底以下地基的變形影響明顯大于靜載的影響。雖然目前我國(guó)正在倡導(dǎo)節(jié)約型、綠色公路建設(shè)，在條件允許的平原地區(qū)最大限度地減小路基土體的填筑高度，推薦在條件允許情況下優(yōu)先采用低填路堤的設(shè)計(jì)方案，該方案不僅可以減少造價(jià)、節(jié)約稀有的土地資源，同時(shí)還能使公路建設(shè)與自然環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一。但是采用低路堤方案也同樣存在問(wèn)題，那就是隨著路基填土高度降低，汽車(chē)荷載的作用深度也會(huì)隨之發(fā)生變化；對(duì)于軟土路基公路，采用低路堤方案，部分軟土地基在交通循環(huán)動(dòng)荷載作用下，將導(dǎo)致更大的沉降變形；高速公路為了滿(mǎn)足運(yùn)行要求一般對(duì)其路堤的工后沉降量有嚴(yán)格限制，尤其對(duì)于軟土地基；要研究地基沉降是由交通動(dòng)荷載引起的，那么從路面頂高就開(kāi)始研究在不同車(chē)輛類(lèi)別荷載作用下，車(chē)輛荷載對(duì)路面、路基的作用深度的影響是十分重要的，這樣就可以有針對(duì)性地對(duì)路基基底以下軟土地基進(jìn)行處理。

李又云等[1]在做了大量的動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)后，并在分析試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)的方法，深入研究了黃土路堤壓實(shí)后在動(dòng)態(tài)車(chē)輛荷載下動(dòng)力特性的響應(yīng)；高玉峰等[2]把我國(guó)車(chē)輛行駛動(dòng)載和超載的普遍現(xiàn)象進(jìn)行了對(duì)比分析，而且將車(chē)輛行駛的動(dòng)載進(jìn)行當(dāng)量等效，簡(jiǎn)化成為靜載作用在路面上，在軟土地基上利用分層總和法計(jì)算公路路基，交通車(chē)輛行駛過(guò)程中車(chē)輪動(dòng)荷載會(huì)引起附加變形沉降。魏星等[3]提出了循環(huán)心形應(yīng)力路徑適用于飽和軟黏土殘余變形的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，同時(shí)通過(guò)對(duì)眾多試驗(yàn)成果的驗(yàn)證模擬，建議了一種在考慮荷載移動(dòng)速度影響下的路基沉降實(shí)用算法；馬霄等[4]通過(guò)將循環(huán)荷載作用作為影響因素得到了經(jīng)驗(yàn)顯式本構(gòu)模型，并在本構(gòu)模型經(jīng)驗(yàn)顯式基礎(chǔ)上等效發(fā)展了有限元計(jì)算方法，達(dá)到了計(jì)算路基基底在長(zhǎng)期交通移動(dòng)荷載下的附加沉降；邊學(xué)成等[5]建立了三維分析模型，該模型考慮了車(chē)輛行駛荷載作用和地基動(dòng)力相互作用，利用黏性軟土的塑性理論即累積應(yīng)變理論模型，最終得到了路基基底在長(zhǎng)期車(chē)輛動(dòng)荷載作用下，其由車(chē)輛動(dòng)荷載引起的附加沉降的計(jì)算方法。呂璽琳等[6]提出了軟土路基在長(zhǎng)期交通動(dòng)荷載的影響下簡(jiǎn)化為靜力影響沉降的計(jì)算模型，該模型是在彈性理論解積分和常規(guī)的分層綜合法相結(jié)合的基礎(chǔ)上建立的，此計(jì)算模型計(jì)算了車(chē)輛行駛荷載在路基中的動(dòng)應(yīng)力，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了路基沉降和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。張睿等[7]對(duì)累積變形塑性理論計(jì)算模型進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，即將軟土的靜偏初始應(yīng)力的影響因素也納入考慮范圍之內(nèi)，繼而對(duì)累積變形塑性計(jì)算模型進(jìn)行了改進(jìn)，并在某條高速公路路基為低路堤的情況下，路基在交通移動(dòng)荷載下的累積沉降進(jìn)行了計(jì)算分析。另有學(xué)者采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，即利用動(dòng)力試驗(yàn)得到低填路堤下地基的豎向應(yīng)力大小，由車(chē)輛交通荷載所附加的應(yīng)力大約是其路基自身填土重的4~5倍；由該動(dòng)荷載[8]引起的沉降即工后沉降約占最終沉降量的一半。同時(shí)通過(guò)其他工程實(shí)例進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)車(chē)輛荷載的主要影響深度位于填筑路基基底面以下6 m范圍左右，這不僅為在道路交通行駛動(dòng)荷載的作用下計(jì)算路基沉降，路基工作區(qū)的深度提供了借鑒參考，而且也為路堤的設(shè)計(jì)提供了重要的支撐。

基于以上原因，本文將對(duì)車(chē)輛荷載下填方路基作用影響深度做進(jìn)一步探討與研究。

1 計(jì)算方法

不同類(lèi)型車(chē)輛其荷載不同，即使額定載重量相同的汽車(chē)在實(shí)際應(yīng)用中也有空車(chē)、半載、滿(mǎn)載和超載之分，在工程實(shí)踐中，道路上車(chē)輛型號(hào)分布和貨物等堆放位置各不相同，均處在動(dòng)態(tài)變化中，不盡相同，因此需要有反映實(shí)際裝載量因素的軸載模型。

根據(jù)對(duì)以上文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)參考，本文將車(chē)輛動(dòng)荷載與路基填土自重分2種情況來(lái)考慮，即將車(chē)輛動(dòng)荷載與路基填土自重分開(kāi)考慮和將車(chē)輛動(dòng)荷載與路基填土自重作為整體來(lái)考慮，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 理論計(jì)算模型

1.1 按照附加荷載影響深度

車(chē)輛簡(jiǎn)化荷載[9]：路基在某一深度Za處，當(dāng)垂直應(yīng)力σ0即由車(chē)輪荷載引起的豎向應(yīng)力與填筑路堤填土自身自重引起的豎向應(yīng)力，即垂直應(yīng)力σcz，當(dāng)其比值σ0/σcz≤（0.1～0.2）時(shí)，假定忽略可以不計(jì)，則其比值大于0.1~0.2時(shí)，該深度Za范圍內(nèi)的路基便稱(chēng)為車(chē)輛荷載應(yīng)力引起的路基工作區(qū)，計(jì)算式如下

式中：Za為車(chē)輛荷載引起的路基工作區(qū)的作用深度，m；P為由車(chē)輪引起的豎向荷載；K為系數(shù)，K=3/（2×π）=0.5；γ為填筑路堤的填土容重，kN/m3；n為系數(shù)，n=5~10。

1.2 路面當(dāng)量計(jì)算厚度

路面上的車(chē)輛荷載作用是復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題，首先從作用性質(zhì)來(lái)分，分為靜荷載和動(dòng)荷載；從作用的方向來(lái)看，有水平荷載和垂直荷載之分；從作用頻度和時(shí)間來(lái)說(shuō)，不僅有如駐車(chē)時(shí)車(chē)輛施荷作用較長(zhǎng)的長(zhǎng)時(shí)間荷載，還有瞬時(shí)、多次反復(fù)作用的荷載，諸如運(yùn)營(yíng)道路上行駛車(chē)輛施加的荷載。交通移動(dòng)荷載作用下，行駛車(chē)輛作用于道路路面的作用力大致分為：車(chē)輪接觸道路表面產(chǎn)生的垂直壓力，由于變速、變向、爬坡和下坡等動(dòng)作產(chǎn)生的車(chē)輪對(duì)道路表面作用的水平作用力，由于車(chē)輛振動(dòng)通過(guò)輪胎對(duì)路面施加的動(dòng)態(tài)作用力，車(chē)輛高速行駛時(shí)車(chē)尾局部真空對(duì)路面產(chǎn)生的吸力。車(chē)輛行駛產(chǎn)生的水平作用力對(duì)路面性能有較大的影響，眾多研究人員做了大量的工作并取得了一些有意義的成果。

因路面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、路面結(jié)構(gòu)的材料性能參數(shù)諸如空隙率、容重等均與路基填土相差甚大，加之路基、路面不是同性均質(zhì)體，從路面設(shè)計(jì)標(biāo)高計(jì)起，其以下隨路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、路面結(jié)構(gòu)的厚度等增加而作用的實(shí)際路基工作區(qū)影響深度減小，基于此，計(jì)算車(chē)輛荷載作用下，路基范圍內(nèi)工作區(qū)的深度首先需將路面折算為與路基同一性質(zhì)材料的當(dāng)量厚度后，才能繼續(xù)開(kāi)展下一步的深度計(jì)算。

路面結(jié)構(gòu)層厚度與路床同材質(zhì)厚度的換算[10]

式中：Ze為路面結(jié)構(gòu)層等量換算為路基土層的當(dāng)量厚度，m；h為路面結(jié)構(gòu)層的原始厚度，m；Em，Ec分別為路面、路床材料的回彈模量，MPa；m為次方的指數(shù)。

2 車(chē)輛荷載影響深度分析

2.1 項(xiàng)目概況

滬昆高速公路在江西境內(nèi)東起梨園主線(xiàn)收費(fèi)站，途經(jīng)上饒、鷹潭、南昌、新余、宜春市及萍鄉(xiāng)市進(jìn)入湖南境內(nèi)，橫穿江西中部的22個(gè)縣（市、區(qū)），聯(lián)接多條國(guó)道、省道，是國(guó)家十字網(wǎng)的重要組成部分。該項(xiàng)目總體路線(xiàn)走向由東向西，與既有高速公路重合，起點(diǎn)樁號(hào)為養(yǎng)護(hù)樁號(hào)K811+000，經(jīng)宜春樟樹(shù)市黃土崗鎮(zhèn)、中州鄉(xiāng)，新余市羅坊鎮(zhèn)、水西鎮(zhèn)和下村鎮(zhèn)，終于觀(guān)巢鎮(zhèn)港背村，終點(diǎn)樁號(hào)K857+523，全長(zhǎng)46.475 km。本標(biāo)段位于江西省樟樹(shù)市、新余市2市范圍內(nèi)，項(xiàng)目區(qū)主要為贛江水系。區(qū)內(nèi)以丘陵及河谷地形為主，切割較淺，山峰海拔約155～315 m，相對(duì)高差一般小于200 m。區(qū)內(nèi)構(gòu)造線(xiàn)方向與山脈走向基本一致，多呈北東東向延伸，地勢(shì)總體上略顯西高東低。根據(jù)地貌成因類(lèi)型及形態(tài)特征，將擬建路線(xiàn)通過(guò)區(qū)段的地形地貌劃分為丘陵地貌及河谷地貌2大類(lèi)。項(xiàng)目區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，熱量豐富，春秋季短而夏冬季長(zhǎng)，四季分明，冬季冷而夏季熱，春季濕而秋季干，降水充沛，日照充足。年平均氣溫16.2~17.7℃，東南部較高，西北部較低；年平均降水量為1 624.9 mm；地層巖性主要為第四紀(jì)（Q）殘坡積層（Q4el+dl）、第四紀(jì)（Q）沖洪積層（Q4al+pl）、第四紀(jì)（Q）殘坡積層（Q2el）和新近系新余組（Ex）砂巖、礫巖及砂礫巖，以及侏羅紀(jì)下統(tǒng)水北組（J1s）、三疊紀(jì)上統(tǒng)安源群（T3A）和石炭系下統(tǒng)梓山組（C1z）等砂巖、頁(yè)巖等。

2.2 計(jì)算資料

根據(jù)表1、表2所示，本文利用某段路基、路面資料進(jìn)行計(jì)算。

表1 路面結(jié)構(gòu)層模量[10]

表2 路基及基底基本巖土參數(shù)

按式（1）計(jì)算車(chē)輛荷載作用深度

按式（2）計(jì)算路面當(dāng)量厚度

路面的當(dāng)量厚度Ze是從路面結(jié)構(gòu)層以下，即路基頂面層位路床頂開(kāi)始算起，車(chē)輛行駛移動(dòng)荷載影響的路基范圍內(nèi)工作區(qū)Za減去路面等效為路基材料當(dāng)量厚度Ze即為路基頂面即路床以下土基中的作用區(qū)深度。

由以上可知，車(chē)輛移動(dòng)行駛荷載作用力傳遞到的作用范圍深度與路面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)層厚度及路面材料有關(guān)，在該項(xiàng)目路面結(jié)構(gòu)下，作用到路基的深度為1.1 m，一般情況下，高速公路的路床厚度基本為1.2 m。

如圖2所示，當(dāng)車(chē)輛荷載、路面結(jié)構(gòu)及路基填筑土方按照整體考慮，作為條形附加荷載作用在地基上，仍按照豎向垂直附加應(yīng)力與基底土體豎向自重引起的自重應(yīng)力的比值確定。

圖2 車(chē)輛荷載作用下路基作用深度

在不同路基填筑高度，影響深度范圍由圖3可知，隨著路基填筑土體高度的增加，豎向附加應(yīng)力的影響深度隨之加深。

圖3 車(chē)輛荷載與路基共同作用地基影響深度

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)詳勘及設(shè)計(jì)資料，確定了該路的等級(jí)、路面結(jié)構(gòu)層厚度及結(jié)構(gòu)層材料模量，與地基土層分布情況，由圖1可知，在100 kN的車(chē)輪移動(dòng)荷載下，作用于路基的深度為3.0 m，路面結(jié)構(gòu)層的層厚93 cm，換算為路基填筑土體等效材料的當(dāng)量模量后的深度為1.9 m，故作用在路面結(jié)構(gòu)以下即路床的深度為1.1 m，且車(chē)輛荷載在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)快速衰減，在2.4 m的深度時(shí)，輪載產(chǎn)生的附加壓力為路基填土自重的0.2倍，在3.0 m時(shí)，輪載產(chǎn)生的附加壓力為路基填土自重的0.1倍。

當(dāng)將車(chē)輛荷載與路基填土共同作為附加壓力作用于地基上時(shí)，假定地基30 m范圍內(nèi)均為土質(zhì)，無(wú)基巖存在，則隨著路基填筑高度增加，與地基0.2倍自重應(yīng)力和0.1倍自重應(yīng)力的交點(diǎn)也在逐漸加深。

3 結(jié)論

（1）車(chē)輛荷載傳遞至填方路基的深度與路面結(jié)構(gòu)層的厚度、材料及其模量有關(guān)，路面結(jié)構(gòu)層越厚，材料模量越大，車(chē)輛荷載衰減越快，傳遞至路基內(nèi)部的深度越小，若路基填筑的土體高度大于車(chē)輛荷載的作用深度，則車(chē)輛動(dòng)荷載對(duì)軟土地基的影響就越小，可將車(chē)輛荷載作為靜荷載進(jìn)行考慮。

（2）若將車(chē)輛荷載按照靜載與填方路基一同作為附加應(yīng)力考慮作用于地基之上，則路基填土高度越高，對(duì)地基的承載力要求就越高，附加應(yīng)力傳遞至基底的深度就越大。