路基動壓應力的現場測試分析

路基動壓應力的現場測試分析

張靜波1 ，何荷2，王鵬2，詹永祥3

（1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，武漢 430056

2. 貴州高速公路集團有限公司，貴陽 550004

3. 中國科學院武漢巖土力學研究所，武漢 430071）

摘要：為探索車輛荷載作用下路基內動應力的分布及衰減規律，依托貴州惠羅高速公路項目，開展了不同載重和不同車速工況下的動應力現場測試試驗?，F場測試數據表明：影響路基動應力大小的參數主要有載重、路面平整度、路面結構等。在平整路面下，行車速度對動應力影響不大；而在不平整路面下，動應力將隨行車速度的增大而增大；動應力峰值隨載重的增加而顯著增大，并呈現良好的線性正相關關系；同一條件下，動應力沿深度方向呈冪函數快速衰減。測試方法和數據可供同行和科研人員參考。

關鍵詞：動應力；載重；車速；路面平整度

中圖分類號: U416.1　　文獻標志碼: A            文章編號：

0 引言

基于靜力學理論的路基設計方法與實際情況有所出入，將汽車荷載對路基的作用采用靜力替代存在明顯不足。為掌握車輛荷載作用下路基動壓應力響應規律，特別是路基內動應力沿深度方向的分布及衰減規律，有必要開展現場實車測試，為路基動力設計提供依據。為此，我們在貴州省在建的惠羅高速上選擇了典型的砂質泥巖路基段作為試驗路段，進行車輛荷載作用下路基動力響應的現場試驗，重點研究不同載重和車速下路基動應力傳遞規律。

1 試驗路段概況及測試元件埋設

路基的動力響應與很多因素有關，在進行試驗設計時，綜合考慮路面形式、路堤填高等多種因素，本次現場測試選擇在貴州省惠羅高速砂質泥巖路基段，測試斷面為K51+930，路基填方高度約6m，整體式路基寬度26.0米，填方坡比為1:1.5，路基填料為砂質泥巖，瀝青混凝土路面，總厚度79cm，路面結構型式見表1。

表1 路面結構型式

Table 1The Structural Forms ofAsphalt Pavement

測試的主要內容為動應力。測試元件主要包括動土壓力盒、加速度傳感器。土壓力盒為電阻應變式動土壓力盒，加速度計采用壓電式傳感器CA-YD-188。加速度傳感器和動土壓力傳感器埋設于公路行車道下，實測時正好位于車輪正下方。傳感器元件埋設位置如圖1所示。

圖1砂質泥巖路基K51+930斷面傳感器布置圖

Fig.1Sensor layout section（K51+930）in sandy mudstone subgrade

由于現場施工條件很難實現測試原件的埋設與路基施工同步進行，本次試驗元件埋設采用開挖回填的方法，即在選定的路基斷面處沿路基橫向開挖一個寬度不小于3m、深度略大于或等于元件最深埋置深度的槽口，在每層測試元件埋置深度處鋪設細砂整平，將做好防水處理后的加速度、土壓力及濕度傳感器埋置于設定的位置，元件周圍平鋪細砂，以減少應力集中，傳感器線采用PVC管進行保護并牽至坡外，逐層回填開挖料，保證回填后的壓實度與路基開挖前相同。伸出路基坡外的傳感器線及接頭用儲藏箱做好保護措施，防止施工機械及附近村民人為破壞。

采用動態電阻應變儀UT7824采集動壓應力力及加速度。UT7824動態應變儀是一種高性能多通道并行數據采集分析系統，能夠長時間連續進行數據采集。當車輛通過時，計算機可以同時記錄下所有傳感器的電信號，并將其轉換為各個測點的動應變波形，再根據標定公式確定動應力變化規律。本文僅對動應力測試數據展開分析。

3試驗參數選取

本次試驗主要研究一定路面平整度下，不同行車速度和載重對路基動壓應力的影響。

試驗分別在基層施工前及面層施工后進行，試驗前用紅色油漆標識出試驗車輛輪跡線，以保證車輛行駛時輪載正好位于加速度及土壓力盒正上方，如圖2所示。試驗車輛采用三軸10輪的福田戴姆勒汽車，后軸為雙軸八輪，外輪距2.20m，內輪距1.50m，前軸輪距2.00m，后兩軸軸距1.35m，前軸與最近后軸軸距4.10m。因試驗時，路基尚在施工中，車輛所需的加速、減速長度不足，車速受到一定限制。具體試驗工況如表2所示。

圖2現場測試時路基路面狀況

Subgrade and pavement condition of field testing

表2動應力測試工況

Tab.2Dynamic stress testing conditions

試驗時車輛載重分為空載、半載和滿載，不同工況下軸載分配見表3。

表3不同測試工況下軸載分配情況

Tab.2Axial load distribution Under different test conditions

4測試結果及分析

（1）典型動土壓力時程曲線

圖3為車型為后雙軸某工況下編號為4675的傳感器測得的動應力時程曲線。

圖3典型動應力時程曲線

Fig.3Typical dynamic stress time history curve

從圖中可以看出三軸車輛的動土壓力時域曲線為三個波峰構成，每個波峰為車輪處于待測路面位置，即路基動應力在車輪經過被測點上方時動應力達到幅值。對同一測點，速度越快，土壓力持續時間越短，對不同深度測點應力峰值發生時間基本同步。由于前、中、后輪軸載的不同，所以波形的大小不同，實際軸載中后輪軸載最大，引起的動應力最大，中輪次之，前輪最小。其他動壓應力傳感器測得曲線與其相似，此處不一一貼出。

（2）動應力測試結果

表4～表9分別為惠羅高速公路不同施工狀態及工況下的動應力測試數據。其中表4～表6中的部分測試數據偏差較大，主要是因為路床頂面平整度較差，導致局部測試結果發生突變，但不影響總體趨勢。

表4底基層施工前動應力峰值數據（空載）

Tab.4 Peak dynamic stress before the subbase construction(no-load)

表5底基層施工前動應力峰值數據（半載）

Tab.5 Peak dynamic stress before the subbase construction(half-load)i

表6底基層施工前動應力峰值數據（滿載）

Tab.6 Peak dynamic stress before the subbase construction(full-load)

表7面層施工后動應力峰值數據（空載）

Tab.7 Peak dynamic stress after the surfaceconstruction(no-load)i

表8面層施工后動應力峰值數據（半載）

Tab.8 Peak dynamic stress after the surface construction(half-load)

表9面層施工后動應力峰值數據（滿載）

Tab.9 Peak dynamic stress after the surfaceconstruction(full-load)

（3）動應力傳遞規律分析

為了掌握動應力在不同條件下的分布和傳遞規律，對表4～表9中的測試數據進行了多維度的分析和擬合。圖4反映了不同施工狀態不同軸載不同行駛速度條件下動應力分布；圖5反映了不同施工狀態下動應力與軸載之間的關系；圖6反映了不同施工狀態下動應力沿深度的傳遞規律。

圖4車速與動應力關系曲線

Fig.4Distribution of dynamic stress at different speeds and different axle load

①從圖4可以看出，對于底基層施工前的不平整狀態，同一軸載不同行駛速度下，各工況同一測點測得的動應力幅值差異較大，且動應力有隨速度的增大而增大的趨勢；而對于面層施工后的相對平整狀態，同一軸載在不同行駛車速下，各工況同一測點測得的動應力幅值相差不大，且動應力隨車速的增大略有減小。說明在平整路面下，行車速度對動應力影響不大；而在不平整路面下，動應力將隨行車速度的增大而增大。

（a）底基層施工前(車速20km/h)

（b）上面層施工后(車速20km/h)

圖5動應力-軸載關系曲線

Fig.5Dynamic stress-axial load curves

②從圖5可以看出，動應力峰值隨載重的增加而顯著增大。動應力與軸載之間表現出良好的線性正相關。

圖6動應力沿深度方向傳遞規律

Fig.6The law of dynamic stress along the depth

③從圖6可以看出，同一條件下，動應力沿深度方向呈冪函數快速衰減?；鶎邮┕で?，在表面至70cm深范圍內，路基動應力隨深度增加下降很快，70cm以下下降趨勢減緩。以滿載雙后軸車型為例，在20cm深處，滿載汽車產生的路基壓應力約為350kPa，在70cm深處，滿載汽車產生的路基土壓力約為50kPa，衰減了85.7%，見圖6（a）?？紤]到我國目前高速公路路面結構的厚度一般也在50～70cm左右，而且路面結構剛度比軟巖高得多，其擴散荷載作用也更強，因此在與實驗相同的汽車在相同的行駛速度和路面條件下，路基頂面所承受的動應力應小于50kPa；實際測試結果也正是如此，如圖6（b）所示，當路面基層和面層施工后，路基內動應力迅速衰減，滿載時下路基表層測點處最大動應力不到20kPa。說明增大路面上部結構的厚度和模量可以有效的減小行車荷載所產生的動應力。

5結論

（1）影響路基動應力大小的參數主要有車速、載重、路面平整度、路面厚度等。

（2）當路面平整，其他條件相同時，動應力隨行車速度的增大略有減??；當路面不平整，其他條件相同時，動應力隨行車速度的增大而增大。

（3）其他條件相同時，車輛荷載與動應力幅值大小線性正相關。

（4）相同條件下，動應力沿深度方向呈冪函數快速衰減。因此可以認為汽車動荷載對路基的不利影響僅發生路基上部一定深度范圍內。

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