路基土室內(nèi)永久變形預(yù)估模型研究

路基土室內(nèi)永久變形預(yù)估模型研究

0交通橫向分布情況對路基長期變形的影響在道路結(jié)構(gòu)的累積變形中，大部分區(qū)域的車輪塑料變形為70%95%。現(xiàn)在，最常用的計(jì)算車輪永久變形的方法是基于力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法的分層畸變一般法。該方法選擇了道路橫截面上的代表計(jì)算點(diǎn)，即車輪距離的中心，并根據(jù)永久變形預(yù)測值計(jì)算了車輪的永久變形。然而，在道路上行駛時(shí)，車輛的路徑在橫截面頂部附近的一定范圍內(nèi)左右傾斜。由于車輪寬度遠(yuǎn)小于路面寬度，因此總軸載的交通次數(shù)不是集中在橫截面上的固定位置，也不能按照一定的規(guī)律分配。事實(shí)證明，在道路的橫截面上沒有所謂的“代表計(jì)算點(diǎn)”。因此，根據(jù)等概率原理，平均分配軸載的交通數(shù)量，不是反映道路永久變形的真實(shí)情況，也可以影響道路路徑的設(shè)計(jì)。因此，有必要深入研究道路橫截面上車輪的永久變形，區(qū)分不同交通橫截面上車輪的永久變形影響。1波形修復(fù)模型和計(jì)算方法1.1模型的建立和擬合近20年來,國外很多研究人員都進(jìn)行了路基土永久變形的研究并建立了自己的預(yù)估模型,主要有:統(tǒng)計(jì)法、理論法和力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法等.NCHRP1-37a在Tseng和Lytton建立的模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和試驗(yàn)驗(yàn)證,由于NCHRP1-37a模型比較成熟且涉及到的參數(shù)更全面,本文亦采用此模型.通過36個(gè)工況條件下典型路基土的永久變形室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,對模型參數(shù)進(jìn)行了擬合,最終采用的模型形式如下.式中:εp(N)為輪載P重復(fù)作用N次時(shí)路基土的塑性應(yīng)變;εv為路基土的彈性應(yīng)變;ε0,β,ρ為材料參數(shù);εr為測定材料參數(shù)時(shí)所施加的回彈應(yīng)變;Wc為路基土的含水率,%;Mr為路基土的回彈模量,MPa.1.2分層總壓縮量的加載本文以力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法和分層應(yīng)變總和法為基礎(chǔ),結(jié)合道路渠化交通的考慮,提出了更符合實(shí)際道路使用狀況、綜合考慮輪跡橫向分布頻率的分條分層總法來計(jì)算路基土的永久變形.分條分層總和法的基本原理是:在分層總和法的基礎(chǔ)上,將行車道橫向范圍根據(jù)輪載作用寬度分為若干條帶,并將標(biāo)準(zhǔn)軸載累積作用次數(shù)按照一定的輪跡分布頻率分配到各個(gè)條帶上;先求在某單個(gè)條帶上作用輪載時(shí)路基土壓縮層范圍內(nèi)亞層的壓縮量δij(輪載作用在j條帶上,在路基土第i亞層上產(chǎn)生的塑性變形),然后將各亞層壓縮量累加起來(分層總和),即為N次荷載作用于某條帶上時(shí),路基中所產(chǎn)生的壓縮量;再將各個(gè)條帶上分別作用輪載時(shí)路基土總壓縮量累加起來(分條分層總和).基本假定:認(rèn)為路基的總壓縮量為各分層土豎向壓縮量之和;假定路基土只在豎向發(fā)生壓縮變形,沒有側(cè)向變形;計(jì)算相鄰荷載對本分條帶壓縮量的影響時(shí),將相鄰荷載在其它分條下各亞層深度處引起的附加應(yīng)力(應(yīng)變)疊加到本條帶引起的附加應(yīng)力(應(yīng)變)中一并計(jì)算.計(jì)算步驟如下.1)根據(jù)輪跡寬度(雙輪組每個(gè)輪寬20cm,輪隙寬10cm),將單條條帶寬度li取為0.5m,以公式m=L/li計(jì)算分條數(shù)目,其中L為行車道寬度,每條帶覆蓋頻率即為條帶i的輪跡橫向分布系數(shù)fi.2)將設(shè)計(jì)車道標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)所用次數(shù)Ne乘以條帶的輪跡橫向分布系數(shù)得到該條帶的輪載作用次數(shù)N,作為該條帶上實(shí)際所受到的輪載作用次數(shù).3)根據(jù)預(yù)估方程中參數(shù)、粉質(zhì)黏性土的含水率、回彈模量的計(jì)算公式分別按下式計(jì)算各個(gè)條帶的轉(zhuǎn)換系數(shù)T.4)計(jì)算路基工作區(qū)深度范圍內(nèi)各亞層中點(diǎn)處的彈性應(yīng)變平均值.5)將各亞層平均彈性應(yīng)變值以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)代入路基土永久變形預(yù)估模型,計(jì)算各亞層的塑性壓應(yīng)變量,乘以亞層厚度即為該亞層的永久變形量.6)對路基工作區(qū)深度范圍內(nèi)各亞層土的永久變形量進(jìn)行疊加,即得到單條路基承受輪載作用N次時(shí)的永久變形.7)將各個(gè)條帶上作用輪載時(shí)路基總壓縮量累加起來,即可得到輪載p重復(fù)作用N次時(shí)路基總的永久變形δp(N).2車輛輪跡橫向分布車輛輪跡橫向分布的圖形和峰值取決于交通的渠化程度,它隨許多因素變化,如交通組織、類型(部分車道混合行駛或者采用各種分隔措施分車道行駛)、車道寬度、交通組成和交通量等.對于高速公路分向分車道行駛時(shí),輪跡橫向分布曲線在單行車道內(nèi)一般為雙峰型.車輛輪跡橫向分布的形式可簡化為3種(見圖1):方式一,左側(cè)車道軸載通行次數(shù)大于右側(cè)車道;方式二,左右兩車道軸載通行次數(shù)相等;方式三,左側(cè)車道軸載通行次數(shù)小于右側(cè)車道,見圖1.方式一、三為對稱形式,因此計(jì)算時(shí)亦可將方式一、三統(tǒng)一為方式三代表.對于二級公路不分車道混合行駛時(shí),雙車道內(nèi)輪跡橫向分布形式由雙峰變?yōu)閱畏?近中心線(車道內(nèi)測邊緣)的頻率較高,見圖2.3有限元分析結(jié)果選取的典型路面結(jié)構(gòu)組合,見表1.車輛荷載采用《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD50-2006)建議的標(biāo)準(zhǔn)軸載(單軸雙輪100kN),軸載作用次數(shù)為2.0×107次.根據(jù)實(shí)測的軸載通行次數(shù)制定了3種輪跡橫向分布頻率,分別編號為“頻率A”、“頻率B”和“頻率C”,行車道寬度L取為7.5m,見圖3.以頻率B為例簡述計(jì)算過程,根據(jù)前述計(jì)算方法將每條行車道分為8條,其中靠近中心線處為0.25m,其余均為0.5m.經(jīng)計(jì)算路基工作區(qū)深度為2.26m,取路基計(jì)算深度為2.0m.可將2.0m分為10個(gè)層厚為20cm的亞層.對給定路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析,計(jì)算各亞層中點(diǎn)處的彈性應(yīng)變平均值.利用路基土的永久變形預(yù)估公式(1),將路面力學(xué)分析得到的各亞層中點(diǎn)處的彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)化為各亞層中點(diǎn)處的塑性應(yīng)變,乘以亞層厚度即為該亞層的永久變形量;對路基工作區(qū)深度范圍內(nèi)各亞層土的永久變形量進(jìn)行疊加,即得到單條路基承受輪載作用N次時(shí)的永久變形.如荷載作用在條帶2上時(shí),X=0點(diǎn)處路基土永久變形量,其轉(zhuǎn)換系數(shù)T=4.25924,該點(diǎn)處由條帶2上的荷載所引起的路基土永久變形量為0.579mm.其他各條帶路路基土的永久變形量計(jì)算方法相同,在此不再詳述.4計(jì)算與分析4.1不同分布頻率時(shí)的結(jié)果通過對計(jì)算路基頂面永久變形結(jié)果進(jìn)行擬合分析發(fā)現(xiàn),以二次多項(xiàng)式形式描述路基頂面永久變形曲線精度較高,見表2.永久變形曲線以向下凹的拋物線為基本形式,交通分布頻率的影響體現(xiàn)為永久變形的最大值及其出現(xiàn)的位置.3種分布頻率情況時(shí)的永久變形最大值及產(chǎn)生位置與各自交通分布頻率曲線相適應(yīng),即頻率A時(shí)永久變形最大值偏右下、頻率B時(shí)居中、頻率C時(shí)偏中下.改變路基結(jié)構(gòu)層參數(shù)后計(jì)算發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)層模量降低對路基永久變形有影響.當(dāng)基層(底基層)模量降低時(shí),永久變形增大,變形曲線形式及最大值出現(xiàn)范圍不變;當(dāng)路基模量降低時(shí),永久變形等比增大,變形曲線最大值及出現(xiàn)位置受交通分布形式影響.4.2不同路基深度亞層亞層土持續(xù)變形分布特征圖4為路基內(nèi)不同深度處永久變形分布圖.路基深度Z=5cm處,亞層永久變形值為0.66mm;路基深度Z=185cm處,亞層路基土永久變形值為0.29mm;路基頂面總永久變形值為4.3mm.隨著路基深度增加,各亞層路基土永久變形值均勻遞減,亞層永久變形減小值為0.02mm~0.1mm.當(dāng)降低路基回彈模量時(shí),路基內(nèi)永久變形分布形式保持不變,但在相同深度處的變形值顯著增大,如路基模量降低至20MPa時(shí),路基深度Z=5cm處,亞層永久變形增長至1.27mm,Z=185cm處,增大至0.56mm,增大率約為92%.由此可知,路基模量的衰減使路基內(nèi)相同位置處的應(yīng)力應(yīng)變增大,進(jìn)而導(dǎo)致路基工作區(qū)深度不斷增加,如對路基永久變形棄之不管,將導(dǎo)致路基喪失整體穩(wěn)定性,縮短道路正常使用年限.5路基長期變形的基本特征根據(jù)交通類型(部分車道混合行駛或者采用各種分隔措施分車道行駛)、車道寬度和交通量等因素將車輛輪跡橫向分布簡化為4種形式;通過對不同交