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摘 要:随着经济建设的快速发展,我国高速公路的建设也得到了迅猛发展,但是近年来发现一些高速公路通车1～2年内就出现了龟裂、断裂、车辙、沉陷等损坏,严重的影响到交通安全和高速公路的使用寿命。本文将重点分析高速公路路基长期沉降变形预测技术,研究交通荷载作用下路基路面结构动力特性问题,以供同仁们参考。
【关键词】:高速公路 路基沉降 动力特性
中图分类号:U44 文献标识码:A 文章编号:1 12-3191(2011)09(a)-0058-01
随着经济建设的快速发展,我国高速公路的建设也得到了迅猛发展,高速公路网络已经建设成为覆盖全国、横贯东西、纵贯南北、便捷高效的网络系统。我国高速公路的路面结构主要包括柔性沥青混凝土和刚性水泥混凝土两种,其中柔性沥青混凝土路面的设计年限不低于15年,刚性水泥混凝土路面的设计年限为30年。但是近年来发现一些高速公路通车1～2年内就出现了龟裂、断裂、车辙、沉陷等损坏,严重的影响到交通安全和高速公路的使用寿命。根据分析,路基长期出现不均匀沉降和车辆长期动荷载作用是加速路面结构损坏的主要原因。本文将以广泛收集资料为手段,以理论分析为基础,分析高速公路路基长期沉降变形预测技术,研究交通荷载作用下路基路面结构动力特性问题。
1 高速公路路基长期沉降变形预测技术
高速公路路基长期沉降由于涉及的因素众多,且各个因素间又相互联系、相互影响,因此这是一个比较复杂的研究内容。路基长期沉降既有排水固结沉降等宏观方面的影响,又有土粒蠕动等微观方面的变化。因此,如何对这些影响路基沉降的因素科学预测一直受到设计人员和研究者的广泛关注。
1.1 路基沉降预测方法介绍
路基沉降预测方法众多,例如有理论公式法、灰色系统法、数值分析法、人工神经网络法等,本文将重点解释以下三种方法。
(1)灰色系统法。灰色系统理论自从20世纪80年代创立以来得到了普遍应用,该方法的基本思想是:把随时间变化的一系列随机正数据,通过对数据进行累加处理,使之变成非负递增的数据列,通过提高观测数据序列的内在规律,来完成对路基沉降系统的预测。
(2)曲线拟合法。曲线拟合法是采用和沉降预测曲线相似的曲线进行拟合,然后计算出后期的沉降量,该方法的准确性和预测人员的经验有很大关系,常用的有三点法、双曲线法、图解法和对数曲线法。
(3)人工神经网络法。人工神经网络法是把传统的显式数学公式转换成非线性映射,该方法由于具有很高的平行处理能力,因此在处理非线性问题时具有明显的优越性。在对高速公路做地基沉降预测时,首先建立沉降影响因素参数和沉降之间的非线性关系,然后将需要预测地基点的实际测量沉降影响因素放进训练好的人工神经网络当中,这样就可以得到预测的沉降量。
在所有的沉降预测方法中,为了得到准确的沉降量推算结果,首先应该从路堤开始填筑时就对路基的沉降进行观测,在实际的沉降预测时,往往要依据路基的实际情况,灵活选择多种方法进行综合预测。
1.2 已经运营道路路基的沉降控制
由于高速公路对路基沉降的要求较高,在设计年限内一般对路面施工后的沉降量有一定的要求,所以对路基施工后的沉降控制非常重要。由于影响路基沉降速率的因素众多,我国目前还没有建立起统一的沉降速率标准,在实际工作中常用实测工后沉降法和实测沉降速率法作为路基沉降稳定性的判断依据。
2 交通荷载作用下路基路面结构动力分析
如前文所述,高速公路路面结构的破坏一般是由车辆超载超限和车辆动态荷载两个原因引起的,由于高速公路动态荷载的不可避免性、多变性和不确定性,相对于静力荷载而言,动态荷载的问题分析更加复杂和重要。
2.1 路面表面激励特性分析
由于高速公路路基所处环境和施工因素的影响,无论是运营多年的老路还是新建的道路都存在不同程度的不平整性,路面的不平整性会引起车辆的震动,车辆的震动会增加路面的附加动载荷,从而使路面的损坏加剧。因此只有正确的分析判断高速公路表面激励特性才能设计出更加合理的道路。
高速公路路面不平整度一般包括路面相对于理想平面的竖向偏差和该偏差的频谱。对路面不平整度的测量也是一个复杂的过程,这是由于不同的测量者、选用的测量工具和确定的不平整性参照系都会对测量结果带来影响。目前比较常用的高公路路面不平整性测测方法主要有静态法和动态反应法两种。静态法是根据断面类平整度仪测量路表纵断面的测量结果来分析道路的不平整性,目前常用的是3m直尺法。动态反应法是一种间接式量测方法,该方法是通过车辆的反应来判断道路的不平整性。
2.2 路面不平度的分析
使用3m直尺法只能反映高速公路路面的不平整度,如果要反映路面不平整度的高低起伏和幅度变化情况,就应该用统计模型来分析路面不平整度的综合特性。由于对随机场作大量测量的困难,在构造随机振源统计模型时往往要假设振源在时间变化上是平稳的、在空间变化上是均匀的。由于路面不平度分析的技术水平有限,目前对高速公路道路表面沿纵向作一维测量分析。
2.3 车辆随机动荷载特性分析
由于车辆动荷载是一个随机荷载,该荷载和诸多因素有关,例如路面的不平整度、路面的材料特性、车辆的型号、车辆的速度和车辆的固有频率等。在这些影响因素中,路面的不平整度是最关键的。路面的不平整度使行驶中的车辆产生振动,车辆的振动产生的附加荷载又施加给路面结构,这样就形成了车辆、路面和路面激励振动系统,该系统中每个参数都是相互影响的。对于车辆随机振动状态的统计规律一般用随机过程论来描述,随机过程的描述一般包括幅域描述、时域描述和频域分析三个方面。
2.4 车辆动载的参数影响规律分析
由于不同的车型、车辆的大小、车辆的质量、悬挂系统、轮胎类型、轴的分配结构等因素变化时对高速公路路面造成的损坏程度是不同的,因此,进行一定控制条件下车辆对高速公路路面的影响规律研究是非常必要的。一般情况下,车辆动载随轴距的增加而增加、随车速的增加而增加、随载荷的增加而减少,而轮距的改变对车辆动载的影响没有明显的规律。
3 结语
本文在高速公路路基长期沉降变形预测技术和交通荷载作用下路基路面结构动力分析两个方面进行了相关研究,并且取得了一定的研究成果。但是由于高速公路路基的不均匀沉降是受很多因素影响的复杂问题,并且行驶在高速公路上的车辆施加给路面的荷载也是一个非对称的复杂的随机变量,因此,要想进行更深层次的研究还需做很多努力。
参考文献
[1] 赵维炳.排水固结加固高速公路深厚软基工后沉降[J].水利水运工程学报,2003(1).
[2] 陶向华,黄晓明.车辆动载荷的频域模拟计算与分析[J].华中科技大学学报(城市科学版),2003(4).
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发表于 2020-5-31 00:01:54
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