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我国当前高速公路路基结构分析及动变形设计方法评述

毕聪
摘要：根据现实中不平整路面的相关资料，并以汽车运动时所发生的动荷载为研究对象，仔细分析引起荷载大小变化的因素，总结出在路基动力设计时应当如何适当的选取荷载参数。经过对Odemark模型研究和路面的厚度当量的假设，把将高速公路的路基总结为拥有三层的机构，并且根据弹性力学与体系变换方法得出如何计算高速公路路基顶面动变形的的合理方法。根据我国现行的有关规范和路基路面协调变形作用，确定了高速公路路基的顶面的动变形确定方式和控制标准，并依此为依据提出了关于高速公路路基动变形设计的一种方法。关键词：高速公路；路基设计；动变形设计
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1 引言
在我国当前所采用的高速公路相关规范当中，都把汽车荷载简化为一种静荷载，并以在这种静荷载下的路基底面拉应力、路面底部拉应力和路面表面弯沉作为设计指标参数。在荷载较小、路面较好的情况下，以静力学等效动力学的这种方式可以起到良好的近似效果。然而，在道路使用一段时间之后，路面不可避免将会出现一些变形，导致路面不平整，并且时间越久，路面的不平整度也会越来越大，并且汽车荷载其实是一个动荷载，而并不是静荷载，其大小在运行过程中是会不断变化的。
2 高速公路路基结构与所受应力的关系
综上所述，汽车在行驶过程当中对路面产生的作用力与其静力学等效作用力之间存在着一定程度上的区别，特别是不平整路面上存在着超载运行的汽车时，所产生的动荷载有可能会对告诉公路的路面产生破坏性的作用。
根据疲劳试验，当所采用的材料为水泥混凝土等时，路基的疲劳寿命与应力的16次方成反比，但是当所采用的是沥青等柔性材料时路基的疲劳寿命与应力的4次方或者5次方成反比。由此我们可以看出，应力只是稍微增加一点，路基疲劳寿命就有可能发生很大的变化。因此，在高速公路的设计过程中，将动荷载简单的简化为动荷载，这将与实际情况存在很大的出入。同样的道理，在路基设计过程中如果也只做这种简单的简化，将会导致高速公路的使用寿命降低很多。在目前情况下，大部分的高速公路都是采用CBR作为路基填料的控制原则，在实际的施工过程中都是通过控制路基压实度和土体含水量来达到控制目的。这种方法没有将路基路面作为一体考虑，而是分开单独考虑的，因此忽略了两者之间的协调一致性。
3 路基变形与汽车动态荷载的计算
3.1高速公路路基的动变形计算
高速公路的主体结构分别为：天然地基、路堤、路床、底基层、基层和面层。由于不同的施工条件限制，如果结构层数非常多，计算就会变的非常复杂，进一步就导致了设计难度加大。
3.2汽车动态荷载的计算通常情况下，如果要对高速公路的路基进行动变形设计，在此之前确定汽车在运行过程中的动荷载取值是最重要的。当汽车匀速行驶时，引起汽车震动的主要因素是汽车轮胎表面的纹理以及汽车发动机转动所引起的周期震动，但是这两种因素所引起的汽车震动对路基路面所引起的作用一般都不是很大，基本可以忽略不计。根据目前最新的研究资料显示，只有在汽车运行的震动和高速公路地路基内部的拟态波波向相同时，才会产生比较显著的效果。如果汽车的运行速度被限制在一个合理的限度之内，那么所产生的动力影响是微乎其微的，可以完全忽略不计。综上所述，假如高速公路的路面是非常平整的，同时忽略车速和震动的影响，将汽车运行过程中的动荷载完全等效成静荷载是完全可以的
但是在现实当中，高速公路的路面并不是完全平整的。对纵断面的不平整我们可以视为不同波长与频率的正弦波的叠加组合。
当车辆运行在平整度不高的路面上的时候，难以避免将要发生一定程度的、震动，由于震动所产生的动荷载与静荷载之间的差值为附加动态荷载。对各种不同的高速公路的路面进行观测之后我们发现，对于不平整起伏波长长度在一米之内的路面而言，附加的动态荷载几乎无法检测到任何影响，但对于路面起伏波长达到几十米时，却存在很大的影响。
由上可知，道路起伏的低频部分是导致汽车在运行过程中产生附加动态荷载的主要因素，由其高频部分所产生的附加动态荷载可以忽略不计。因此，在分析计算汽车动态荷载的时候，完全可以忽略路面上幅度较小的高层震荡，这就能让路面变化为一组正弦波型所组合产生的进而能够使路面表现为按正弦变化的光滑曲线。
4 高速公路路基的动变形设计的控制标准
因为在进行路基填土的过程会存在着大量的交通运输所产生的荷载，这会对未完成的路面结构产生很大的影响，所以在动力设计高速公路的路基时必须要确保土体结构不会被严重破坏。按照高速公路的路基动力设计方法的差异、不同的参数以及不同的设计侧重点，我们将其划分为动应变控制法和动变形控制法。
4.1 动应变控制法
所谓的动应变控制法是指在施工期间的交通荷载以及完成路基填土施工后，路基所产生的相应的塑性应变没有超过规定的范围。
对高速公路使用过程中的品质产生影响的的主要因素是路基土体结构的破坏以及变形和因为变形过大而导致了路面的严重破坏，因此，可以依据路基应变的破坏性标准将路基的应变分为由土性结构变化造成的路基破坏对应性应变和由工程稳定性造成的路面承载力不足引发的最大破坏性应变两类，并且在不同的工程项目当中，所面临的环境差异也很大，控制应变所得出的数值通常会产生很大的不同。
4.2 动变形控制法
所谓动变形控制法指的是以交通的荷载对下路基的顶面的变形量数值小于准许其变形量数值为控制条件，对该准许变形量的数值（设计公路路基动变形时的数值）进行标准控制的方法。此方法的目的不仅在于保护公路路基的顶面层不会因为产生应变而造成路面开裂或因造成变形的塑性增大而使公路路基的使用寿命降低，同时也要保证汽车在行驶于使用年限末期公路上的舒适性和安全性。由于公路路基顶面所允许的变形量、路面平整度和荷载类型等各种控制因素和公路不同层次的结构强度以及性质有很大的关联，因此我国目前的有关规范都严格规定了公路路基顶面所准许的变形值，且以此为依据来考察公路填筑质量及其路基与现行规范是否符合。然而大部分情况由于这些规范主要将重点放在路面结构的施工以及设计，在其公式设计的过程中并没有将路面之间的分散效果与荷载传递纳入考虑范围，造成准许变形数值偏大等问题，所以并不能将其作为公路路基动力设计过程中的控制标准。
5 结束语
我国目前正处于一个工业化不断加快的进程中，同时科技水平也在不断的发展过程中，在我国今后的高速公路设计中动力设计方法必然会被大范围的运用。在本文当中，笔者仔细分析了不平整路面对车辆运行过程中所产生的附加动荷载和影响动态荷载的因素，并提出考虑动荷载的具体设计方法，同时结合我国当前的关于路面弯沉的相关规范，为公路路基的顶面动变形的控制和地基变形控制提出了一系列的解决办法。
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