CN114059407A - 一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法，涉及道路路基技术领域，包括：根据《公路路基设计规范》JTGD30‑2015，确定土基回弹模量E0；基于路面设计对路基顶面回弹模量提出的力学指标要求，拟定路基顶部综合回弹模量E0C，并按照由下至上模量逐级递增的原则，拟定路基结构组合选用的填料；基于多层弹性层状体系理论，按照路基顶部压应变等效的原则，计算路基顶部回弹模量E0C满足要求的填料层厚度；应用有限元软件ABAQUS模拟分析，模拟路基结构组合在设计年限内路基的沉降量，判断其是否满足路基顶面沉降要求，若不满足，则应调整路基结构组合，直至满足要求。本发明实现了路基高承载化，可显著减少路基工后沉降量，解决路基模量取值不合理的问题。

Description

一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法
技术领域
本发明涉及道路路基技术领域，具体的说是一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法。
背景技术
路基是路面的基础，其承载力与变形对路面结构有重要影响，其稳定性与耐久性对路基有重要影响。我国现行《公路路基设计规范》JTGD30-2015和《公路沥青路面设计规范》JTGD50-2017中采用得路基综合回弹模量分级，对于路基的回弹模量最高要求为70MPa，对于路回弹模量的要求普遍偏弱，这一方面使得路面设计方对路基综合回弹模量取值偏小，导致路面设计厚度过大，造成筑路材料的浪费；另一方面会使得道路施工方对路基的施工质量不重视，造成路基留下潜在的工后沉降过大的弊端，这会造成路面脱空，进而演化为脱空、裂缝等病害，降低路面服役质量，缩短路面使用寿命。
路基的承载力越高，对于路面结构的受力是有利的，可延长道路使用寿命，保证路面使用性能。若将路基分层结构化，对路基进行结构组合设计，并对路基进行高承载化设计，最后得出路基综合回弹模量，并将其作为路面结构组合及验算的重要参数指标，这一方面将明确路基综合回弹模量的合理取值，另一方面也会将控制路基施工质量，因此，研究一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法是非常有必要的。
发明内容
本发明针对目前技术发展的需求和不足之处，提供一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法。
本发明的一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法，解决上述技术问题采用的技术方案如下：
一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法，其实现内容包括：
步骤S1、路基结构组合包括土基、下路堤、上路堤、路床，根据《公路路基设计规范》JTGD30-2015，确定土基回弹模量E0；
步骤S2、基于路面设计对路基顶面回弹模量提出的力学指标要求，拟定路基顶部综合回弹模量E0C，并按照由下至上模量逐级递增的原则，拟定路基结构组合的土基、下路堤、上路堤、路床分别选用素土、乳化沥青固化土、乳化沥青改善土、水泥改善土、固化剂改善土、级配碎石、低剂量水泥稳定碎石中的至少一种填料；
步骤S3、基于多层弹性层状体系理论，按照路基顶部压应变等效的原则，计算路基顶部回弹模量E0C满足要求的填料层厚度；
步骤S4、应用有限元软件ABAQUS模拟分析，模拟路基结构组合在设计年限内路基的沉降量，判断其是否满足路基顶面沉降要求，若不满足，则应调整路基结构组合，直至满足要求。
可选的，所涉及路基结构组合中路床的厚度为0.5m-1.5m。
进一步可选的，所涉及路基结构组合中，土基、下路堤、上路堤、路床分别包含 1-4层填料，且单层填料的厚度为15cm-30cm。
进一步可选的，所涉及路基结构组合中，处于上层填料的模量与相邻下层填料的模量之比为1.5-2。
进一步可选的，所涉及路基结构组合中，路床选用级配碎石或低剂量水泥稳定碎石时，单层填料的厚度为15cm-25m。
进一步可选的，执行步骤S2拟定路基顶部综合回弹模量E0C后，首先按照由下至上模量逐级递增的原则，拟定路基结构组合中土基、下路堤、上路堤、路床选用的填料，随后参考《公路路基设计规范》JTGD30-2015附录A，计算填料层的动态回弹模量，具体过程如下：
(1)通过现场取土或室内重塑土进行试样制备，得到直径150mm±2mm、高300mm ±2mm或直径100mm±2mm、高200mm±2mm的试样；
(2)试样套橡皮膜，装在仪器底座上，上下放置透水石；
安装位移传感器：在试样底部和顶部安装LVDT或位移传感器，用于测量位移；
(3)打开排水阀，在试样周围施加一定的围压，然后进行预加载，再施加脉冲荷载，取最后五次的荷载和位移作为计算动态回弹模量；
(4)按照下式计算动态回弹模量，
Figure RE-GDA0003457726940000031
式中，MR表示路基土动态回弹模量，σ0-轴向应力幅值，ε0-轴向应变幅值。
进一步可选的，执行步骤S3计算填料层厚度，具体操作如下：
步骤S3.1、根据拟定的路基结构组合和填料层的动态回弹模量，获取填料层的力学参数；随后按照多层弹性层状体系理论和路基顶部压应变等效的原则，设计路基结构组合的层数及层厚度，并基于填料层的动态回弹模量计算所有填料层的综合回弹模量，即路基顶部回弹模量E0C；
步骤S3.2、在路床包含的填料层中选择结构设计层，同时，计算所拟定路基结构组合的顶部压应变；
步骤S3.3、将计算得到的路基结构组合顶部压应变与综合回弹模量E0C下压应变做比较：
(a)若路基结构组合顶部压应变大于综合回弹模量E0C下压应变，则选择的结构设计层减薄，且每次减薄1cm，依次迭代，直到路基结构组合顶部压应变恰好接近并大于综合回弹模量E0C下应变，
(b)若路基结构组合顶部压应变小于综合回弹模量E0C下压应变，则选择的结构设计层增厚，每次增厚1cm，依次迭代，直到路基结构组合顶部压应变恰好接近并大于综合回弹模量E0C下应变。
执行步骤S3.1设计路基结构组合的层厚度时，层厚度应当满足《路基施工技术规范》JTG/T3610-2019对路基结构组合中填料层的厚度要求，若不满足，则应调整设计的路基结构组合层数及层厚度，直至同时满足应变和厚度要求。
可选的，拟定路基结构组合时，路基结构组合中各层填料的模量应经过湿度调整，并考虑干湿循环及冻融循环对模量的折减；进行湿度调整时，具体参考《公路路基设计规范》JTGD30-2015给出的不同填料的湿度调整系数。
本发明的一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法，与现有技术相比具有的有益效果是：
本发明实现了路基高承载化，可显著减少路基工后沉降量，解决了路面设计时路基模量取值不合理的问题；本发明还显著提升了路基设计水平与变形量，可显著提升路基承载力和稳定性，为耐久性沥青路面提供坚实支撑，极大提高了路基建设质量和服役水平。
附图说明
附图1是本发明的方法流程图；
附图2是本发明实施例一的高速路面模拟运营15年后的路基顶面沉降结果示意图；
附图3是本发明实施例二的高速路面模拟运营15年后的路基顶面沉降结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案、解决的技术问题和技术效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例一：
以鲁冀段高速公路黄泛区粉土路基工程为例。
鲁冀段路基工程黄泛区粉***300余万方，其中，第一标段80万余方，第二标段170余万方，第三标段60万余方。黄泛区粉土粒径比较单一，细颗粒土较为缺乏，使得其压实后难以达到理想的密实状态，导致其毛细空隙发达，水分的迁移与集聚会使路基因含水量过大而软化，诱发多种工程问题。若采用换填技术，则会造成土地的破坏，工程造价的提升，如何充分利用既有路基填料，在保证工程进度的前提下，对黄泛区粉土路基进行专门设计，提升路基整体刚度，减少工后沉降，是鲁冀段高速建设中亟待攻克的工程问题。
本实施例提出一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法，其实现内容包括：
步骤S1、鲁冀段高速的路基设计中，路基结构组合包括土基、下路堤、上路堤、路床，根据《公路路基设计规范》JTGD30-2015，确定土基回弹模量E0＝25MPa，土基承载力偏弱。按照高承载力路基设计要求，路基顶部回弹模量应达到120MPa，需要对路基进行综合设计。
步骤S2、基于路面设计对路基顶面回弹模量提出的力学指标要求，拟定路基顶部综合回弹模量E0C应达到120MPa。
按照由下至上模量逐级递增的原则，拟定路基结构组合包括：土基+4％水泥改善土+6％水泥改善土+乳化沥青改善土，如下表1：
表1初拟路基结构组合
路基结构组合 路基填料 填筑厚度(m) 填筑层数
路床 乳化沥青改善土
上路堤 6％水泥改善土
下路堤 4％水泥改善土
土基 素土
基于拟定的路基结构组合，参考《公路路基设计规范》JTGD30-2015附录A，计算填料层的动态回弹模量，具体过程如下：
(1)通过现场取土或室内重塑土进行试样制备，得到直径150mm±2mm、高300mm ±2mm或直径100mm±2mm、高200mm±2mm的试样；
(2)试样套橡皮膜，装在仪器底座上，上下放置透水石；
安装位移传感器：在试样底部和顶部安装LVDT或位移传感器，用于测量位移；
(3)打开排水阀，在试样周围施加一定的围压，然后进行预加载，再施加脉冲荷载，取最后五次的荷载和位移作为计算动态回弹模量；
(4)按照下式计算动态回弹模量，
Figure RE-GDA0003457726940000061
式中，MR表示路基土动态回弹模量，σ0-轴向应力幅值，ε0-轴向应变幅值。
基于拟定的路基结构组合，填料层的动态回弹模量如下表2：
表2鲁冀段高速路基填料参数试验结果
Figure RE-GDA0003457726940000062
步骤S3、基于多层弹性层状体系理论，按照路基顶部压应变等效的原则，计算路基顶部回弹模量E0C满足要求的填料层厚度，具体操作如下：
步骤S3.1、根据拟定的路基结构组合和填料层的动态回弹模量，获取填料层的力学参数；随后按照多层弹性层状体系理论和路基顶部压应变等效的原则，设计路基结构组合的层数及层厚度，并基于填料层的动态回弹模量计算所有填料层的综合回弹模量，即路基顶部回弹模量E0C。此时，层厚度应当满足《路基施工技术规范》 JTG/T3610-2019对路基结构组合中填料层的厚度要求，若不满足，则应调整设计的路基结构组合层数及层厚度，直至同时满足应变和厚度要求。
步骤S3.2、在路床包含的填料层中选择结构设计层，同时，计算所拟定路基结构组合的顶部压应变。
步骤S3.3、将计算得到的路基结构组合顶部压应变与综合回弹模量E0C下压应变做比较：
(a)若路基结构组合顶部压应变大于综合回弹模量E0C下压应变，则选择的结构设计层减薄，且每次减薄1cm，依次迭代，直到路基结构组合顶部压应变恰好接近并大于综合回弹模量E0C下应变，
(b)若路基结构组合顶部压应变小于综合回弹模量E0C下压应变，则选择的结构设计层增厚，每次增厚1cm，依次迭代，直到路基结构组合顶部压应变恰好接近并大于综合回弹模量E0C下应变。
基于步骤S3，路基结构组合的最终拟定结果如下表3：
表3最终拟定路基结构组合
路基结构组合 路基填料 填筑厚度(m) 填筑层数
路床 乳化沥青改善土 0.8 4
上路堤 6％水泥改善土 0.7 3
下路堤 4％水泥改善土 0.7 3
土基 素土 - -
步骤S4、基于路基结构组合的拟定方案：土基+厚度为70cm的4％水泥改善土+ 厚度为70cm的6％水泥改善土+厚度为80cm的乳化沥青改善土，应用有限元软件ABAQUS 模拟分析，模拟路基结构组合在设计年限内路基的沉降量，判断其是否满足路基顶面沉降要求，若不满足，则进一步调整路基结构组合方案，直至满足要求。
实施例二：
以沾临高速公路为例。沾临高速公路，简称沾临高速，是《山东省高速公路网中长期规划(2014-2030年)调整方案》中“九纵五横一环七连”的重要一段，全线采用双向六车道高速公路标准，设计速度120km/h，总长约292公里，投资总金额348.2 亿元。其中，路基总工程量为15000余万方，分为四个标段进行。沾临高速主线路基土以粉质粘土为主，具有较松散、承载力低，固结困难等工程问题，且沾临高速存在部分盐渍土土基，如和充分利用既有路基填料进行路基填筑，并减小工后沉降，成为沾临高速建设过程中亟待解决的工程技术问题。
本实施例提出一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法，其实现内容包括：
步骤S1、沾临高速的路基设计中，路基结构组合包括土基、下路堤、上路堤、路床，根据《公路路基设计规范》JTGD30-2015，确定土基回弹模量E0＝28Mpa，土基承载力偏弱。按照高承载力路基设计要求，路基顶部回弹模量应达到140MPa，需要对路基进行综合设计。
步骤S2、基于路面设计对路基顶面回弹模量提出的力学指标要求，拟定路基顶部综合回弹模量E0C应达到140MPa。
按照由下至上模量逐级递增的原则，拟定路基结构组合包括：土基+6％水泥改善土+0.4％SRX固化剂改善土+级配碎石，如下表4：
表4初拟路基结构组合
Figure RE-GDA0003457726940000081
基于拟定的路基结构组合，参考《公路路基设计规范》JTGD30-2015附录A，计算填料层的动态回弹模量，具体过程如下：
(1)通过现场取土或室内重塑土进行试样制备，得到直径150mm±2mm、高300mm ±2mm或直径100mm±2mm、高200mm±2mm的试样；
(2)试样套橡皮膜，装在仪器底座上，上下放置透水石；
安装位移传感器：在试样底部和顶部安装LVDT或位移传感器，用于测量位移；
(3)打开排水阀，在试样周围施加一定的围压，然后进行预加载，再施加脉冲荷载，取最后五次的荷载和位移作为计算动态回弹模量；
(4)按照下式计算动态回弹模量，
Figure RE-GDA0003457726940000091
式中，MR表示路基土动态回弹模量，σ0-轴向应力幅值，ε0-轴向应变幅值。
基于拟定的路基结构组合，填料层的动态回弹模量如下表5：
表5沾临高速路基填料参数试验结果
Figure RE-GDA0003457726940000092
步骤S3、基于多层弹性层状体系理论，按照路基顶部压应变等效的原则，计算路基顶部回弹模量E0C满足要求的填料层厚度，具体操作如下：
步骤S3.1、根据拟定的路基结构组合和填料层的动态回弹模量，获取填料层的力学参数；随后按照多层弹性层状体系理论和路基顶部压应变等效的原则，设计路基结构组合的层数及层厚度，并基于填料层的动态回弹模量计算所有填料层的综合回弹模量，即路基顶部回弹模量E0C。此时，层厚度应当满足《路基施工技术规范》 JTG/T3610-2019对路基结构组合中填料层的厚度要求，若不满足，则应调整设计的路基结构组合层数及层厚度，直至同时满足应变和厚度要求。
步骤S3.2、在路床包含的填料层中选择结构设计层，同时，计算所拟定路基结构组合的顶部压应变。
步骤S3.3、将计算得到的路基结构组合顶部压应变与综合回弹模量E0C下压应变做比较：
(a)若路基结构组合顶部压应变大于综合回弹模量E0C下压应变，则选择的结构设计层减薄，且每次减薄1cm，依次迭代，直到路基结构组合顶部压应变恰好接近并大于综合回弹模量E0C下应变，
(b)若路基结构组合顶部压应变小于综合回弹模量E0C下压应变，则选择的结构设计层增厚，每次增厚1cm，依次迭代，直到路基结构组合顶部压应变恰好接近并大于综合回弹模量E0C下应变。
基于步骤S3，路基结构组合的最终拟定结果如下表6：
表6最终拟定路基结构组合
Figure RE-GDA0003457726940000101
步骤S4、基于路基结构组合的拟定方案：土基+厚度为70cm的4％水泥改善土+ 厚度为70cm的6％水泥改善土+厚度为80cm的乳化沥青改善土，应用有限元软件ABAQUS 模拟分析，模拟路基结构组合在设计年限内路基的沉降量，判断其是否满足路基顶面沉降要求，若不满足，则进一步调整路基结构组合方案，直至满足要求。
执行实施例一和实施例二过程中，需要注意的是：拟定路基结构组合时，路基结构组合中各层填料的模量应经过湿度调整，并考虑干湿循环及冻融循环对模量的折减；进行湿度调整时，具体参考《公路路基设计规范》JTGD30-2015给出的不同填料的湿度调整系数。
综上可知，采用本发明的一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法，实现了路基高承载化，可显著减少路基工后沉降量，解决了路面设计时路基模量取值不合理的问题；本发明还显著提升了路基设计水平与变形量，可显著提升路基承载力和稳定性，为耐久性沥青路面提供坚实支撑，极大提高了路基建设质量和服役水平。
以上应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了详细阐述，这些实施例只是用于帮助理解本发明的核心技术内容。基于本发明的上述具体实施例，本技术领域的技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对本发明所作出的任何改进和修饰，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法，其特征在于,其实现内容包括：
步骤S1、路基结构组合包括土基、下路堤、上路堤、路床，根据《公路路基设计规范》JTGD30-2015，确定土基回弹模量E0；
步骤S2、基于路面设计对路基顶面回弹模量提出的力学指标要求，拟定路基顶部综合回弹模量E0C，并按照由下至上模量逐级递增的原则，拟定路基结构组合的土基、下路堤、上路堤、路床分别选用素土、乳化沥青固化土、乳化沥青改善土、水泥改善土、固化剂改善土、级配碎石、低剂量水泥稳定碎石中的至少一种填料；
步骤S3、基于多层弹性层状体系理论，按照路基顶部压应变等效的原则，计算路基顶部回弹模量E0C满足要求的填料层厚度；
步骤S4、应用有限元软件ABAQUS模拟分析，模拟路基结构组合在设计年限内路基的沉降量，判断其是否满足路基顶面沉降要求，若不满足，则应调整路基结构组合，直至满足要求。
2.根据权利要求1所述的一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法，其特征在于，所述路基结构组合中路床的厚度为0.5m-1.5m。
3.根据权利要求2所述的一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法，其特征在于，所述路基结构组合中，土基、下路堤、上路堤、路床分别包含1-4层填料，且单层填料的厚度为15cm-30cm。
4.根据权利要求3所述的一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法，其特征在于，所述路基结构组合中，处于上层填料的模量与相邻下层填料的模量之比为1.5-2。
5.根据权利要求3所述的一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法，其特征在于，所述路基结构组合中，路床选用级配碎石或低剂量水泥稳定碎石时，单层填料的厚度为15cm-25m。
6.根据权利要求3所述的一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法，其特征在于，执行步骤S2拟定路基顶部综合回弹模量E0C后，首先按照由下至上模量逐级递增的原则，拟定路基结构组合中土基、下路堤、上路堤、路床选用的填料，随后参考《公路路基设计规范》JTGD30-2015附录A，计算填料层的动态回弹模量，具体过程如下：
(1)通过现场取土或室内重塑土进行试样制备，得到直径150mm±2mm、高300mm±2mm或直径100mm±2mm、高200mm±2mm的试样；
(2)试样套橡皮膜，装在仪器底座上，上下放置透水石；
安装位移传感器：在试样底部和顶部安装LVDT或位移传感器，用于测量位移；
(3)打开排水阀，在试样周围施加一定的围压，然后进行预加载，再施加脉冲荷载，取最后五次的荷载和位移作为计算动态回弹模量；
(4)按照下式计算动态回弹模量，
Figure FDA0003335131000000021
式中，MR表示路基土动态回弹模量，σ0-轴向应力幅值，ε0-轴向应变幅值。
7.根据权利要求6所述的一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法，其特征在于，执行步骤S3计算填料层厚度，具体操作如下：
步骤S3.1、根据拟定的路基结构组合和填料层的动态回弹模量，获取填料层的力学参数；随后按照多层弹性层状体系理论和路基顶部压应变等效的原则，设计路基结构组合的层数及层厚度，并基于填料层的动态回弹模量计算所有填料层的综合回弹模量，即路基顶部回弹模量E0C；
步骤S3.2、在路床包含的填料层中选择结构设计层，同时，计算所拟定路基结构组合的顶部压应变；
步骤S3.3、将计算得到的路基结构组合顶部压应变与综合回弹模量E0C下压应变做比较：
(a)若路基结构组合顶部压应变大于综合回弹模量E0C下压应变，则选择的结构设计层减薄，且每次减薄1cm，依次迭代，直到路基结构组合顶部压应变恰好接近并大于综合回弹模量E0C下应变，
(b)若路基结构组合顶部压应变小于综合回弹模量E0C下压应变，则选择的结构设计层增厚，每次增厚1cm，依次迭代，直到路基结构组合顶部压应变恰好接近并大于综合回弹模量E0C下应变。
8.根据权利要求7所述的一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法，其特征在于，执行步骤S3.1设计路基结构组合的层厚度时，层厚度应当满足《路基施工技术规范》JTG/T3610-2019对路基结构组合中填料层的厚度要求，若不满足，则应调整设计的路基结构组合层数及层厚度，直至同时满足应变和厚度要求。
9.根据权利要求1所述的一种模量逐级递增的高承载力路基设计方法，其特征在于，拟定路基结构组合时，路基结构组合中各层填料的模量应经过湿度调整，并考虑干湿循环及冻融循环对模量的折减；进行湿度调整时，具体参考《公路路基设计规范》JTGD30-2015给出的不同填料的湿度调整系数。
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