基層鋪筑時(shí)施工車輛對石灰土底基層的力學(xué)影響分析

馬士賓，劉俊琴，王麗潔，陳 晗

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津 300401）

石灰土是目前我國瀝青路面最常用的底基層材料.然而，近年來，瀝青路面的早期破壞現(xiàn)象也日益嚴(yán)峻地暴露出來.造成路面早期破壞的原因很多，在施工過程中，由于各種影響因素變異性很大，對路面結(jié)構(gòu)的影響尤為重要.工程實(shí)踐表明，石灰土底基層在較短的時(shí)間里很難達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度.由于路面結(jié)構(gòu)需要分層施工，在石灰土鋪筑后，在不同的時(shí)間進(jìn)行基層施工，對已鋪筑的石灰土底基層影響如何，一直是施工技術(shù)人員關(guān)心的問題.實(shí)際施工過程中，由于受工期影響，基層開始施工時(shí)，石灰土的強(qiáng)度往往還沒有達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，造成底基層的承載能力有限，若施工機(jī)械軸載過大，軸載一次作用就可能造成石灰土的破壞.當(dāng)發(fā)生這種現(xiàn)象時(shí)，不僅底基層受到影響，而且還會影響到整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的后期強(qiáng)度的增長，最終導(dǎo)致瀝青路面通車后發(fā)生大面積的早期破壞現(xiàn)象.

為探求基層施工期間，石灰土底基層在汽車輪在作用下內(nèi)部的力學(xué)行為、路面的損壞機(jī)理和類型，本文首先通過室內(nèi)試驗(yàn)研究，獲得了石灰土不同齡期的各種路用性能.然后利用Bisar3.0程序計(jì)算出齡期、施工車輛軸載、水平荷載等各種因素作用下，彎沉、層間剪應(yīng)力和層底拉應(yīng)力等力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律，這對改善半剛性基層瀝青路面早期破壞現(xiàn)象具有一定的借鑒作用.

1 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法

1.1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

以河北省廊坊地區(qū)大廣高速霸州互通連接線的路面結(jié)構(gòu)為例，路面底基層采用石灰土.通過對石灰土材料力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生溫度（20℃）下，不同齡期的抗壓回彈模量如表1所示.

1.2 荷載的確定

以雙輪組單軸載100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，雙圓均布垂直荷載當(dāng)量圓的半徑為10.65 cm，圓心距始終保持為31.95 cm.考慮到隨著軸重的增加，輪壓和接地面積也隨之增加，本文借助于比利時(shí)的軸重與接地面積的經(jīng)驗(yàn)公式，依據(jù)當(dāng)前我國道路的實(shí)際情況用式 (1)來計(jì)算不同軸載下當(dāng)量圓的面積.

根據(jù)對施工車輛的軸載專項(xiàng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)工程施工車輛主要包括運(yùn)料車、工程灑水車等.車輛的實(shí)際載重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其設(shè)計(jì)額定載重量，部分單軸軸重往往會達(dá)到20～30 t.本文在計(jì)算時(shí)主要分析11種荷載的作用情況，其軸載計(jì)算參數(shù)見表2所示.

此外，車輛在路面上行駛時(shí)，路面不僅受到垂直荷載的作用，同時(shí)也會受到平行于路面的水平荷載的作用，路面結(jié)構(gòu)在行車的作用下可能受到的水平荷載有：1）車輪滾動(dòng)產(chǎn)生的滾動(dòng)摩阻力；2）車輛加、減速產(chǎn)生的阻力；3）剎車過程中可能產(chǎn)生的滑動(dòng)阻力；4）車輛上下坡時(shí)的坡度阻力；5）彎道行使時(shí)的離心力.本文中水平力取值分別為0、0.2倍的垂直力.

表1 不同齡期的石灰土路用性能參數(shù)Tab.1 Rarametersof limepavementperformance in differentage

表2 軸重與輪胎接地面積、單輪當(dāng)量圓半徑的關(guān)系Tab.2 Relationship of Axle load and tire contactarea,equivalentcircle radius of single wheel

1.3 計(jì)算點(diǎn)的選取

確定彎沉的計(jì)算點(diǎn)為路表雙圓均布垂直荷載的輪隙中心處，瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力、層間最大剪應(yīng)力的計(jì)算點(diǎn)與結(jié)構(gòu)層模量、層間接觸狀態(tài)有關(guān)，經(jīng)反復(fù)試算來確定.

2 基層鋪筑時(shí)車輛對底基層與剪應(yīng)力的影響

基層鋪筑時(shí)齡期、軸載、水平力不同時(shí)底基層與土基間最大剪應(yīng)力見表3.

表3 基層鋪筑齡期、軸載不同、水平力（SPF）不同時(shí)底基層與土基間最大剪應(yīng)力Tab.3 Maximum shear stress between subbase and earth subgrade in differentage,axle load

由表3和圖1、圖2分析可知：1）基層鋪筑時(shí)，在軸載一定的情況下，隨著齡期的增長，底基層與土基間的最大剪應(yīng)力不斷增大，但增長幅度越來越小.因?yàn)殡S著齡期的增長，石灰土底基層抗壓回彈模量也不斷增長，所以底基層與土基間最大剪應(yīng)力隨著底基層模量的增加而增大.可見，減小底基層回彈模量，可減小底基層與土基間剪應(yīng)力.2）在齡期一定時(shí)，隨著軸載的增大，底基層與土基間最大剪應(yīng)力不斷增大，并隨著軸載的增加其增大的幅度逐漸減小.由以上數(shù)據(jù)可知，軸載為200 kN時(shí)，底基層與土基間最大剪應(yīng)力是標(biāo)準(zhǔn)軸載時(shí)的1.6倍左右；軸載為300 kN時(shí)，底基層與土基間最大剪應(yīng)力是標(biāo)準(zhǔn)軸載時(shí)的2.06倍左右.由此可見，超、重載對層間剪應(yīng)力的影響很大，所以為了避免路面結(jié)構(gòu)層間發(fā)生剪切破壞，應(yīng)嚴(yán)格防止超、重載現(xiàn)象的發(fā)生.3）水平荷載為0.2倍垂直荷載時(shí)，底基層與土基間的最大剪應(yīng)力隨齡期、軸載的增長而變化的規(guī)律與水平荷載為0時(shí)是一致的.水平荷載增加，底基層與土基間的最大剪應(yīng)力也隨之增長.可見，在垂直荷載和水平荷載的綜合作用下，底基層和土基間更易發(fā)生剪切滑移破壞.

3 基層鋪筑時(shí)車輛對底基層與層底拉應(yīng)力的影響

通過對石灰土底基層在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生溫度下不同齡期的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)研究結(jié)果可知，石灰土7 d、14 d、21 d的劈裂強(qiáng)度分別為0.07MPa、0.08MPa、0.1MPa左右.但經(jīng)過運(yùn)算可知，在施工車輛軸載為100 kN時(shí)，石灰土底基層層底產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力在齡期7 d，14 d，21 d下分別為0.371 8 MPa、0.467 8 MPa、0.518 6 MPa，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了石灰土底基層相應(yīng)齡期的劈裂強(qiáng)度.所以本文只考慮非超載車輛對石灰土底基層產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力情況，見表4.

表4 基層鋪筑齡期、軸載不同，水平力不同時(shí)底基層層底最大拉應(yīng)力Tab.4 Maximum tensile stressunder subbase in differentage,axle load,horizontal force

由表4和圖3、圖4可看出，當(dāng)齡期一定時(shí)，隨著軸載的增加，層底最大拉應(yīng)力也隨之增長.當(dāng)施工車輛軸載為20 kN時(shí)，各齡期的石灰土底基層產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力已達(dá)到了石灰土相應(yīng)齡期的劈裂強(qiáng)度.因此，為防止石灰土底基層因過大的拉應(yīng)力而導(dǎo)致破壞，施工車輛單軸載要限制在20 kN以內(nèi).從上表還可以看出水平荷載為0.2倍垂直荷載時(shí)的底基層底最大拉應(yīng)力和水平荷載為0時(shí)的是一樣的.可見，底基層底拉應(yīng)力不受水平荷載變化的影響.

4 基層鋪筑時(shí)車輛對底基層頂彎沉影響

基層鋪筑時(shí)齡期、軸載、水平力不同時(shí)底基層頂?shù)淖畲髲澇烈姳?.

表5 基層鋪筑齡期、軸載、水平力不同時(shí)底基層頂?shù)淖畲髲澇罷ab.5 Maximum deflection above subbase in differentage,axle load,horizontal force

由表5和圖5、圖6分析可知：1）在鋪筑基層時(shí)，當(dāng)軸載一定時(shí)候，隨著齡期的增長，底基層頂?shù)淖畲髲澇林挡粩鄿p小，但減小幅度卻越來越小.因?yàn)殡S著齡期的增長，抗壓回彈模量也不斷增長，所以底基層頂最大彎沉值隨著底基層模量的增加而減小.可見，增大底基層回彈模量，可以有助于降低底基層的回彈變形.2）在齡期一定時(shí)，隨著軸載的增大，底基層頂最大彎沉值不斷增大.3）軸載為200 kN時(shí)，底基層頂最大彎沉值是標(biāo)準(zhǔn)軸載時(shí)的1.98倍左右.可見，相對于層間剪應(yīng)力、層底拉應(yīng)力，路表彎沉對車輛軸載的變化更為敏感.考慮到路表彎沉與路面結(jié)構(gòu)的開裂、沉陷、車轍都有很大關(guān)，因此要嚴(yán)格控制超、重載.4）水平荷載為0.2倍的垂直荷載時(shí)的底基層頂最大彎沉值和水平荷載為0時(shí)的是完全一樣的.可見，底基層頂彎沉值不受水平荷載變化的影響.

5 基層施工時(shí)應(yīng)變狀態(tài)測試和分析

根據(jù)理論分析和計(jì)算得出在車輛輪胎作用的位置也即是距路緣石內(nèi)邊緣1.5～2.1m處產(chǎn)生的層底拉應(yīng)力最大，故而將應(yīng)力應(yīng)變片埋設(shè)在此處.各應(yīng)變片之間的間距為60 cm，壓力盒和溫度傳感器均距路緣石內(nèi)邊緣2.7m，其埋設(shè)示意圖如圖7所示.

2010年7月24日對試驗(yàn)路鋪筑的應(yīng)變片以及壓力盒進(jìn)行了加載測試，測試時(shí)底基層已鋪筑14 d.測試車后軸采用20 kN，加載時(shí)，后軸一側(cè)車輪在應(yīng)變片1的正上方.具體測試結(jié)果見表6.

圖7 應(yīng)變片布置示意圖Fig.7 Strain gauge layoutschematic

表6 底基層層底實(shí)際拉應(yīng)變Tab.6 Practical tensile Strain under subbase

6 結(jié)論

本文通過運(yùn)用力學(xué)分析軟件計(jì)算了基層鋪筑時(shí)，齡期、施工車輛軸載、水平荷載對石灰土底基層的影響，重點(diǎn)研究了拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和彎沉等指標(biāo)的變化規(guī)律.通過計(jì)算分析，得到如下的結(jié)論：

1）在齡期一定時(shí)，隨著軸載的增大，底基層與土基間最大剪應(yīng)力不斷增大，并隨著軸載的增加其增大的幅度逐漸減小.軸載為200 kN時(shí)，底基層與土基間最大剪應(yīng)力是標(biāo)準(zhǔn)軸載時(shí)的1.6倍左右；軸載為300 kN時(shí)，底基層與土基間最大剪應(yīng)力是標(biāo)準(zhǔn)軸載時(shí)的2.06倍左右.由此可見，超、重載對層間剪應(yīng)力的影響很大，所以為了避免路面結(jié)構(gòu)層間發(fā)生剪切破壞，應(yīng)嚴(yán)格防止超、重載車輛在石灰土底基層上行駛.

2）當(dāng)施工車輛軸載為20 kN時(shí)，各齡期的石灰土底基層產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力已達(dá)到了石灰土相應(yīng)齡期的劈裂強(qiáng)度.因此，為防止石灰土底基層因過大的拉應(yīng)力而導(dǎo)致破壞，在鋪筑二灰穩(wěn)定碎石基層時(shí)，施工車輛單軸載要限制在20 kN以內(nèi).同時(shí)計(jì)算表明，水平荷載為0.2倍垂直荷載時(shí)的底基層底最大拉應(yīng)力和水平荷載為0時(shí)的是一樣的，底基層底拉應(yīng)力不受水平荷載變化的影響.

3）在齡期一定時(shí)，隨著軸載的增大，石灰土層頂彎沉值不斷增大.軸載為200 kN時(shí)，石灰土層頂彎沉值是標(biāo)準(zhǔn)軸載時(shí)的1.98倍左右.彎沉相對于層間剪應(yīng)力、層底拉應(yīng)力，路表彎沉對車輛軸載的變化更為敏感.

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