软土地基上高速公路沥青路面结构设计

摘要:随着高速公路建设的发展；建设保持了持续快速增长的势头；高速公路在软土地基路段,采用具有级配碎石夹层的沥青路面结构可以降低沥青面层底面的附加应力,较好地防止和延缓下基层反射裂缝的作用,从而延长沥青路面使用寿命。本文阐述了软土地基上高速公路沥青路面结构设计；对于在软土地基上修筑沥青路面结构有着一定的参考价值。
　　关键词:高速公路；地基施工;沥青路面;结构设计;有元计算
　　1级配碎石夹层路面结构设计
　　1.1路面结构设计参数
　　以某高速公路为例,主线为常规半刚性基层沥青路面,试验路为级配碎石夹层沥青路面。由公路区划可知,该高速公路试验路所在地区属于Ⅳ1a区,结合设计交通量和道路等级,参考当地工程中材料试验结果和规范推荐值,选定路面结构层材料的设计参数,如表1所示。
　　
　　1.2常规的半刚性基层路面结构
　　高速公路主线路面结构为常规的半刚性基层沥青路面结构,如图1所示。
　　
　　1.3级配碎石夹层路面结构
　　1.3.1夹层路面结构
　　级配碎石是一种松散材料,其力学性能受很多因素的影响,如粒料类型、级配、含水量、密实度、成型方式及应力状态等,其中最主要的是应力状态[5]。级配碎石具有依赖于应力状态而变化的非线性特性[6-7],其抗压模量与下卧层的刚度有关。因此,在结构设计中,应考虑在级配碎石层下设置一定厚度的半刚性材料,这样在提高级配碎石层应力水平的同时,提高路面结构的整体承载力。根据该高速公路设计年限内,一个车道上累计标准轴载当量轴次21×106,采用容许应变设计方法,得到高速公路试验路级配碎石夹层路面结构如图2所示。
　　
　　1.3.2级配碎石夹层合理厚度的选取
　　调查试验路发现10cm、12cm、13cm、20cm几种厚度的级配碎石对于防止和减少6～12cm厚沥青面层裂缝具有较好的效果。因此从防止和减少面层裂缝这一角度出发可认为厚10～20cm的级配碎石可行。通过建立模型计算得出,随着级配碎石层厚度的增加,会导致面层底面弯拉应力的增加。随着级配碎石厚度的减小,则增加土基顶面的压应变。因此,增加或者减少级配碎石层的厚度对结构都会有不利的影响。此外,随着级配碎石厚度的变化,面层底部弯拉应力变化的速率要大于土基顶面压应变的变化速率。因此,还是应该以面层底部弯拉应力作为主要的控制指标,不宜增加级配碎石层的厚度,故在设计中采用15cm厚的级配碎石夹层。
　　2有限元计算方法
　　2.1ABAQUS程序
　　ABAQUS是美国HKS有限公司的主要产品,是国际上先进的大型通用有限元计算分析软件之一,具有广泛的模拟性能。采用ABAQUS大型有限元程序来模拟路堤填筑从开始到竣工15年后沉降及不均匀沉降的实际工况,并对不均匀沉降在路面结构中产生的附加应力进行分析,同时进行夹层路面结构断裂力学分析。
　　2.2相关计算模型及参数
　　2.2.1几何模型参数
　　主要分析软土厚度11.5m,路堤高度3.5m,交通荷载等效为11.5kPa时的路面结构的力学响应。图3为中等深厚软基的模型示意图,模型是关于路堤横断面平面应变(plainstrain)分析模型,考虑到路的实际受力情况,将模型作以下简化:
　　1) 路面各结构层除级配碎石外均为连续、各向同性的线弹性材料,力学特性用弹性模量E和泊松比υ表征;
　　2)路面各结构层在垂直方向完全连续,层与层之间不会出现脱空现象;
　　3)下基层与路堤顶面的竖向应力和竖向位移连续,当路堤发生沉降后,路面结构层会随之下沉,相互之间变形协调;
　　4)考虑到路面结构和沉降呈对称性,取半幅路面结构来计算[10]。
　　
　　2.2.2土体本构模型参数
　　针对地基土的类别和性质的不同,采用不同的本构模型[11-12]。粉质粘土采用Clayplasticity模型,模型参数如表2所示。软土地基的淤泥质粘土和路堤填土采用Drucker2prager弹塑性模型,模型参数如表3所示,硬化参数如表4所示。
　　
　　
　　2.2.3面层及下基层材料参数
　　路面结构层除级配碎石外均为连续、各向同性的线弹性材料,服从虎克定律,各结构层参数详见表1。为了分析级配碎石下的水泥稳定碎石层(下基层)厚度和模量的变化对由沉降产生的附加应力的影响,厚度分别取20cm、25cm、30cm、35cm,模量分别取0.5GPa、0.7GPa、1.3GPa、1.5GPa和2.0GPa[13]。
　　2.3边界条件
　　2.3.1一般边界条件
　　路基横断面宽度取60m,路面顶宽为28m,路堤边坡坡度为1∶1.5。地基两侧可假设无摩擦的x向约束,路基竖向取20m,可假设地基底部为有摩擦的x、y向约束。地基底部及两侧为不透水边界,地表及路堤顶部为透水边界,地下水位在地表以下1m处。砂垫层厚度为0.5m,满铺处理。
　　2.3.2位移边界条件
　　观测资料显示,路堤的沉降一般呈“弯盆”状,沉降模型如图4所示。
　　
　　为了计算路面结构各层的附加应力,需要将路堤顶面沉降值作为已知位移荷载,施加在路堤顶面上。用余弦函数曲线拟合了路堤表面的沉降曲线,如式(1)所示,计算模型如图5所示。采用ABAQUS编写子程序,作为位移边界条件施加。y=-δcos(πx/2L),(1)式中,δ为路堤中部与边缘的最大不均匀沉降差;L为路堤顶面半幅宽度;x为距路堤中心点的水平距离;y为曲线中任意点与路面边缘的沉降差;
　　
　　3有限元计算结果分析
　　3.1附加应力分析
　　3.1.1夹层路面结构下基层的附加应力分析为了分析不均匀沉降量的大小对级配碎石夹层路面结构下基层附加应力的影响[14],不均匀沉降量δ分别取3cm、5cm、7cm、10cm,有限元计算结构如图6所示。
　　
　　从图6可以看出,
　　1)当下基层模量和厚度一定时,随着不均匀沉降量的增大,下基层水平附加应力增大;
　　2)当下基层厚度一定时,随着下基层模量的增大,下基层水平附加应力增大;
　　3)当下基层模量一定时,随着下基层厚度的增加,下基层水平附加应力增大;因此,常规的靠增大下基层模量和厚度来提高整个路面结构层刚度的做法并不可取。
　　3.1.2夹层路面结构沥青稳定碎石层的附加应力
　　分析
　　同样不均匀沉降量δ分别取3cm、5cm、7cm、10cm来计算沥青稳定碎石应力控制层的附加应力,有限元计算结果可以看出,
　　1)当下基层模量和厚度一定时,随着不均匀沉降量的增大,应力控制层水平附加应力逐渐增大;
　　2)当下基层厚度一定时,随着下基层模量的增大,应力控制层水平附加应力减小;说明设置高模量下基层后其上的级配碎石夹层的非线性得到充分发挥,吸收了绝大部分由不均匀沉降产生的附加应力[15],有助于减少沥青稳定碎石层的层底拉应力。
　　3)当下基层厚度一定,下基层的模量为某个值时,无论不均匀沉降量多大,由不均匀沉降引起的应力控制层附加应力为零。
　　4)当下基层模量一定时,随着下基层厚度的增加,应力控制层水平附加应力减小,临界模量也逐渐减小。因此,为了减小应力控制层底的水平附加应力,可适当增加下基层厚度或模量。但模量和厚度不宜过大,因为随着模量和厚度的增大,下基层本身的拉应力会增加。
　　3.1.3夹层路面结构和半刚性基层路面结构附加应力对比
　　为了对比夹层路面结构和常规路面结构对不均匀沉降的适应性,计算不均匀沉降量δ同时为5cm时的2种路面结构水平附加应力,对比结果如表5所示。其中夹层结构下基层厚度取20cm,模量为2.0GPa。
　　
　　从表5可以看出,
　　1)夹层路面结构中应力控制层处于完全受压状态,而半刚性基层中应力控制层处于受拉状态;
　　2)夹层结构下基层的附加应力虽然较半刚性基层结构的大,但其强度发挥率远远低于半刚性基层结构。因此,在软土地基路段的路面结构设计中,除了考虑车辆荷载作用产生的应力外,还应该考虑由不均匀沉降引起的附加应力[16]。
　　4结论
　　运用ABAQUS有限元程序分析了级配碎石夹层路面结构在软土地基不均匀沉降下的附加应力,并进行了夹层路面结构断裂分析,得到以下结论:
　　1)不均匀沉降会在级配碎石夹层路面结构中产生一定的附加应力,不均匀沉降量增大时,下基层和应力控制层的水平附加应力逐渐增大。
　　2)随着下基层模量和厚度的增加,下基层底面水平附加应力增大,应力控制层底面附加应力减小。因此,为了减小应力控制层底的水平附加应力,而又不过多地增加下基层底面拉应力,可适当增加下基层厚度或模量。
　　3)级配碎石夹层结构下基层的水平附加应力较半刚性基层结构的大,但前者强度发挥率远远低于后者,同时应力控制层完全处于受压状态。说明相对于半刚性基层结构来说,级配碎石夹层结构能够大大降低沥青面层底面的附加应力,其对于软土地基的不均匀沉降有着较好的适应性。
　　4)级配碎石夹层路面结构在正荷载作用下的基层裂缝应力强度因子远远小于半刚性基层沥青路面结构,在级配碎石下设置适当高模量的半刚性基层,一方面可以充分发挥级配碎石层的非线性特征,另一方面,下基层顶面裂纹尖端的拉应力不会在碎石层面形成应力集中,并充分吸收了下基层裂纹释放的应变能,从而阻碍了半刚性下基层的裂纹向上扩展,具有较好地防止和延缓反射裂缝的作用。