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

劉彥珍

（寧夏公路勘察設(shè)計院有限責(zé)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(yīng)當(dāng)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(dǎo)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(xué)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(yīng)用也就顯得尤為重要，對于工程建設(shè)質(zhì)量存在主導(dǎo)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(yīng)用優(yōu)勢。

1 計算點位的確定

基于層狀彈性體系理論進(jìn)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(yīng)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(fù)合作用，路基就很容易陷入過大變形的狀態(tài)下，導(dǎo)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(yīng)力作為核心指標(biāo)展開分析。各指標(biāo)所對應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)的層底拉應(yīng)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(rèn)為各層中荷載中心位置的層底拉應(yīng)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(yīng)力

根據(jù)圖3 曲線可以發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的層底壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)的層底壓應(yīng)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(yīng)力的下降幅度最大。

2.3 對基層與墊層層底拉應(yīng)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(yīng)的基層、底基層以及墊層層底拉應(yīng)力，這一分析計算的結(jié)果如圖4 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(rèn)為各層中荷載中心位置的層底拉應(yīng)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(yīng)力變化與中墊層厚度為0 時所對應(yīng)的曲線相近。

圖4 不同模量下K（M）點層底拉應(yīng)力

根據(jù)圖4 的曲線可以發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的層底拉應(yīng)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(yīng)力的下降幅度最大。

2.4 對路基表面壓應(yīng)力與壓應(yīng)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(yīng)力及壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)的路基表面壓應(yīng)力呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。在墊層模量為1000MPa 時，所對應(yīng)的路基表面壓應(yīng)力為峰值，其增幅最大為0.01 倍，由此可以認(rèn)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(yīng)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(yīng)的路基表面壓應(yīng)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(yīng)變的上升幅度最大，當(dāng)模量為150MPa 時所對應(yīng)的壓應(yīng)變達(dá)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)的層底拉應(yīng)力，這一分析計算的結(jié)果如圖7 所示。認(rèn)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(yīng)力

根據(jù)圖7 曲線可以發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的層底壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)的層底壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)的基層、底基層以及墊層層底拉應(yīng)力，這一分析計算的結(jié)果如圖8 所示。同時認(rèn)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(yīng)力

在標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的層底拉應(yīng)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(yīng)力的下降幅度最大，其降幅為0.51 倍。

在標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的層底拉應(yīng)力呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。且墊層模量越大拉應(yīng)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(yīng)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(yīng)的層底拉應(yīng)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(yīng)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(xué)響應(yīng)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。