贵州省重载高速公路软岩路堤填料分级标准研究

2017-07-17 13:37  来源:中国岩土网  阅读:292
本文结合贵州省高速公路所惯用的典型沥青路面结构,采用动变形控制方法对重交通条件下软岩路堤结构展开研究,并提出了适用于贵州省重载高速公路的软岩路堤填料分级标准和适用范围,研究成果可供路面结构相近省份和其他类填料路堤结构设计参考。

贵州省重载高速公路软岩路堤填料分级标准研究

张静波1 ,吕岩松2,詹永祥3,何荷2

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司,武汉 430056

2. 贵州高速公路集团有限公司,贵阳 550004

3. 中国科学院武汉岩土力学研究所,武汉 430071)

摘要:软岩路基结构受上部路面结构型式、交通荷载等级、刚度调整层填料强度、软岩填料的长期强度等多因素影响,其设计是一个非常复杂的过程。本文结合贵州省高速公路所惯用的典型沥青路面结构,采用动变形控制方法对重交通条件下软岩路堤结构展开研究,并提出了适用于贵州省重载高速公路的软岩路堤填料分级标准和适用范围,研究成果可供路面结构相近省份和其他类填料路堤结构设计参考。

关键词:软岩路基结构;动变形;路面结构;回弹模量;重载高速公路

中图分类号: U416.1  文献标志码: A            文章编号:

0 引言

近些年来,路基路面协同设计及动力设计理念逐渐被广大科研和公路工程技术人员所接受。新版《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)[1]第3.2.4条对路基结构的动力设计指标和验算指标做出了明确规定。“路基应以路床顶面回弹模量为设计指标,以路床顶面竖向压应变为验算指标”,“路基在平衡湿度状态下,路床顶面回弹模量不应低于现行《公路沥青路面设计规范》(JTG D50)和《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40)的有关规定”,“沥青路面路床顶面竖向压应变的计算值应满足沥青路面永久变形的控制要求”。

路基动力设计的目的在于控制路基填土因交通荷载引起过大变形而导致路面结构的破坏,同时保证土体结构本身不发生破坏。根据控制参数和设计侧重点的不同,路基动力设计方法有所不同。主要有动应变控制法、动应力控制法和动变形控制法。

文献[3]对于上述的三种方法进行了较为详细的叙述,鉴于目前关于路基土破坏动应变的具体取值尚无统一的认识或规定,结合《公路沥青路面设计规范》(JTG D50)[2] 关于路面弯沉控制的思想,本文采用文献[3]所提供的动变形设计方法开展软岩路基结构设计研究。

1 软岩路基结构动变形法设计步骤

(1)确定计算参数

确定设计采用的汽车动荷载参数,根据设计文件,计算设计年限内一个车道的累计标准当量轴次,同时确定设计交通量与交通等级、面层、基层类型以及公路结构组合类型及相关参数。

(2)路基顶面允许动变形计算

利用规范对路面弯沉的控制标准,结合路面路基协调变形条件,得到路基顶面允许动变形值Ud。

Ud=600Ne-0.2AcAsAbAa (1)

式中:Ud为允许动变形值(0.01mm);Ne为设计年限内一个车道累计当量轴次;Ac、As和Ab为与公路等级、结构层类型和性质有关的系数,可参考文献[2]确定;Aa是路基顶面动变形与路表面动变形幅值之比,也称为公路路面结构组合系数,可参考文献[4]确定。

(3)路基顶面动变形计算

软岩路基结构是一个典型的多层结构体系,其主要结构层由上至下依次为:面层、基层、底基层、路床、路堤和天然地基。其中路堤根据填料的不同可分为两层,上层采用为刚度调整层,下层采用软岩填料填筑。计算模型如图1所示。

图片未命名

图1软岩路基层状结构模型

Fig.1 Multilayered structure model of soft rock subgrade

已知刚度调整层和软岩填料回弹模量,拟定一个刚度调整层厚度,根据路基分层结构体系,参考文献[4],计算得到路基顶面动变形Uz,

图片未命名(2)

式中:


图片未命名

图片未命名

(4)确定刚度调整层厚度

路基动变形控制设计应满足路基顶面抵抗变形破坏的要求:即

Uz≤Ud(3)

如计算所得Uz>Ud,则应适当增大优质填料层厚度,并重复步骤1.3,重新计算UZ,如此往复,只至计算所得满足Uz≤Ud,此时所对应厚度即为当前软岩填料回弹模量对应的刚度调整层最小允许厚度Hmin,软岩路基结构设计时应满足:

Hd≥Hmin(4)

式中Hd为刚度调整层设计厚度,Hmin为刚度调整层最小允许厚度。

2贵州省重载高速公路软岩路堤填料分级标准

软岩路堤结构受路面结构型式、交通荷载等级、现场所能方便取得的非软岩填料强度、软岩填料的长期强度等多因素影响,因此其设计是一个非常复杂的过程。本文结合贵州省高速公路所惯用的典型沥青路面结构,对重交通条件下软岩路堤结构开展研究。软岩路基结构设计所用路面结构数据采用依托工程——三黎高速公路的沥青路面结构型式和设计参数。三黎高速公路路面结构如表1,交通荷载等级为重交通,设计弯沉值为0.230mm,路面设计结构层参数详见表2。

表1 路面结构形式

Table 1The Structural Forms ofAsphalt Pavement

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表2 软岩路基结构计算参数

Table 2. Computational parameters of soft rock subgrade structure

图片未命名

规范[1]中规定轻、中等及重交通路床结构层厚度为0.8m,特重、极重交通路床结构层厚度为1.2m,公路网中轻、中等及重交通等级在公路网中占绝大部分,特重和极重交通路基路面结构一般需要专门论证和特殊设计。因此,本文以重交通对应的累计标准轴次的上限值进行相应的计算,即BZZ-100累积标准轴次Ne=2500(万次/车道),其结论将更具有普遍性和适用性。

将Ne=2500(万次/车道)代入公式(1),计算得到路基顶面允许动变形值(0.01mm)为0.165mm。

刚度调整层采用未筛分碎石或级配良好的硬质岩石渣,回弹模量参考文献[1]附录B取E=200Mpa,通过将不同的刚度调整层厚度和软岩填料的回弹模量进行组合,带入公式(2),即可求得满足路基顶面允许动变形的不同软岩填料回弹模量所对应刚度调整层厚度,或者求得重要结构层位对应软岩路堤填料回弹模量的下限值,如表3所示。

表3软岩填料回弹模量与刚度调整层厚度对应关系

Table 3.The corresponding relationship between the resilient modulus of soft rock filler and the thickness  of stiffness adjustment layer  

图片未命名

根据表3和规范[1]对于路基结构层位的划分,可以得到基于动态回弹模量的贵州省重载高速公路的软岩路堤填料分级标准,见表4 。

表4 贵州省重载高速公路软岩路堤填料分级标准(E)

Table4.The grading standards of the soft rock filling in Guizhou Province heavy-loadexpressway(E)

图片未命名

注:H为路堤填高,0.5m为基底透水层厚度。

考虑到目前粗粒土还没有标准的动态回弹模量试验方法,根据规范[1]第3.2.6款中提供的动态回弹模量与CBR之间的经验关系式,对表4进行转换,可得到基于CBR的贵州省重载高速公路软岩路堤填料分级标准,见表5。

表5 贵州省重载高速公路软岩路堤填料分级标准(CBR)

Table4.The grading standards of the soft rock filling in Guizhou Province heavy-loadexpressway(CBR)

图片未命名

注:H为路堤填高,0.5m为基底透水层厚度。

3几点说明

(1)表3和表4所列软岩填料回弹模量均为其长期相对稳定动态回弹模量,需在干湿循环基础上采用动三轴试验测得,动三轴试验方法可参照规范[1]附录A。大量试验表明,一般地,软岩填料经过5次干湿循环后,其强度变化渐趋稳定,因此可认为5次干湿循环后测得的动态回弹模量即为其长期相对稳定动态回弹模量。

(2)软岩填料的干湿循环动态回弹模量和CBR测试较为复杂,工可阶段,可将软岩填料长期自然风化崩解堆积物的粒组状态与规范[1]附录B中所列土组和粒料类型的粒组状态进行对比,参照取值。

(3)软岩路堤结构受上部路面结构、刚度调整层填料强度等因素影响,其计算过程较为复杂,表2.3所列不同回弹模量软岩填料对应刚度调整层厚度是基于贵州省典型沥青路面结构和采用级配良好的硬质岩石渣或非筛分碎石作为刚度调整层的基础上所提出的,实际使用中如路面结构或者采用的刚度调整层填料种类发生改变,则应对刚度调整层填料厚度做出相应调整。

4结论和建议

(1)本文采用动变形控制法,对贵州省重载高速公路软岩路堤结构进行了研究,得到了刚度调整层厚度与软岩路堤填料长期相对稳定动态回弹模量之间的对应关系,提出了贵州省重载高速公路软岩路堤填料的分级标准和适用范围,可供贵州省及其他路面结构相近的省份借鉴和参考。

(2)表3和表4中的结论虽是以软岩路堤填料为研究对象所得,但只要上部路面结构型式和优质填料强度未变,其适用性可推广至其他类填料。

(3)初步设计和施工图设计阶段可参照表4和表5对软岩填料进行分级利用;工可阶段,可将软岩填料长期自然风化崩解堆积物的粒组状态与规范[1]附录B中所列土组和粒料类型的粒组状态进行对比,参照取值。


参考文献:

[1] 中华人民共和国交通部.JTG D30-2015 公路路基设计规范[S]. 北京,人民交通出版社,2015.

[2] 中华人民共和国交通部.JTG D50-2006公路沥青路面设计规范[S].北京,人民交通出版社,2006.

[3] 卢正, 姚海林, 吴万平. 高速公路路基结构分析及动变形设计方法[J]. 岩土力学, 2010, 31(9): 2907-2912.

LU Zheng, YAO Hai-lin, WU Wan-ping. Structuralanalysis and design method of dynamic deformation ofexpressway subgrade[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010,31(9): 2907-2912.

[4] 卢正, 姚海林, 胡梦玲. 基于传递-反射矩阵法的层状公路结构动力响应研究[J]. 岩土力学, 2012, 33(12):3767-3774.

LU Zheng, YAO Hai-lin, HU Meng-ling. Study of thedynamic response of multilayered road structures basedon the transmissionreflection matrices method[J]. Rockand Soil Mechanics, 2012, 33(12): 3767-3774.

[5] 卢正,姚海林,胡梦玲,等. 基于动变形控制法的路基临界高度与湿度关系研究[J]. 岩土力学,2014,35(1):184-188.

LU Zheng, YAO Hai-lin, HU Meng-ling, et al. Study of relationship between critical height and humidity of subgrade based on dynamic deformation control method[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(1):184-188.

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张静波

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