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摘要：本文对高速公路路基结构分析及动变形设计方法研究中，结合汽车运行荷载，参考路面不平整有关数据，对影响动荷载的因素详细分析，进而计算动力计算荷载参数数值。
关键词：路基分析；路面不平整；相互作用；动变形
前言：现阶段，我国高速公路路面在规划设计时，都将汽车荷载设定为静态荷载，进而对路基拉应力、底部拉应力等指标计算。这种设计方式适合在荷载较小路面上。但是汽车荷载在位置及大小上始终属于运动状态，进而路面在应用之后会出现不平整情况，并且对伴随着时间延长不平整逐渐增加。这种路面设计方式会造成路面作用力差异逐渐提升，尤其是超载车辆在路面上行驶过程中，对路面结构造成的影响更大。
1、汽车动荷载及路基动变形计算
1.1汽车动荷载
路基动变形在设计之前，设计人员需要先确定汽车动荷载。假设，汽车在均匀速度在平整路面上行驶，所产生的振动主要由轮胎及发动机造成，属于周期性振动。由于这种振动较小，进而可以忽略不计。除此之外，根据现阶段研究成果表明，汽车在对地基动力响应时，和地基表面波速较为相似情况下，地基动力响应才会明显变化。在汽车一般运行状态下，地基动力响应几乎不会受到任何影响。由此可知，在完全平整路面上，可以暂时忽略速度及振动所造成的影响，将汽车看做静态荷载计算。但是高速公路路面不可能处于完全平整状态下，如图一所示为我国某高速公路实际检测路形示意图。
1.2路基动变形计算
高速公路结构属于典型分层结构体系，主要由六层构成，分别为面层、基层、底基层、路床、路堤、天然地基。要是高速公路结构层数较多，整个设计难度将大幅度提升。由于一般情况下，高速公路主要由六层构成，进而本文主要对这六层之间力学性质分析。假设厚度及模量属于确定量，不同面层及基层厚度可以转换为底基层等效厚度。
通过位移场分解理论及变换方法，除于高速公路不同层次之间连续，进而在计算汽车动荷载下路基动力响应的数值时，可以通过矩阵传递法所实现。高速公路路基动变形在经过推导之后，最终方程式为：
上述方程式中v表示汽车行驶速度，w表示汽车行驶振动频率，r属于积分变换参数。
2、高速公路路基动变形设计方法与控制标准
高速公路路基动力设计主要目的就是控制交通荷载所造成的路基变形，进而延长路面应用时间，保证路面结构完整性。按照控制参数及设计重点所存在的差别，高速公路路基动力设计所应用到的方法也存在一定差别。高速公路路基动力设计方法主要分为三种，分别为动应变控制法、动应力控制法及动变形控制法。
2.1动应变控制法
动应变控制法主要对路基填土过程中的交通轴载频率进行控制，保证路基所积累的塑性控制在合理范围内。该塑性控制范围也就是路基应变控制标准。按照高速公路应用品质影响因素可知，高速公路路基出现变形主要受到自身结构破坏、路基变形超过数值所造成。所以，高速公路路基应变破坏标准可以分为两种类别，第一种是以工程稳定性作为切入点，高速公路所能够承受的破坏应变；第二种是以土性结构变化作为切入点，高速公路路基破坏应变。
确定动强度时，需要以应变破坏作为标准，并以此作为基础。从这个角度可以发现，在应用相同应变控制标准之后，高速公路动应力设计及动应变设计可以保持一致。但是，现阶段研究人员并未对路基土破坏应变制定统一标准[1]。
图二：填土高度与路基模量之间关系
2.2动变形控制法
动变形控制法是以交通荷载作为基础条件，控制路基顶面变形情况，保证路基顶面变形低于允许变形量。该允许变形量就是路基动变形控制主要标准。高速公路路基动变形控制法主要作用就是为车辆提供舒适安全行驶环境，并且造成路基顶面不会出现开裂情况，保证高速公路可以在额定使用时间内应用。在我国《公路路面基层施工技术》及《公路沥青路面设计规范》等规定内，都对路基顶面都应该允许变性值回归公式进行了规定，进而判断路基质量是否符合高速公路建设标准。而这些规定都是以路面施工作为核心，并未考虑荷载传输及分散情况，进而允许变形值设定较大，无法作为路基动力设计主要标准。所以，本文按照路基弯沉控制理念，结合高速公路路基变形问题，提出了路基顶面允许动变性值，具体方程式为：
上述方程式中u表示路基允许动变形数值，n表示高速公路设计应用时间内路基轴次数，a表示高速公路等级。经过实践计算发现，路基顶面允许动变形受到路面结构组合影响较大，受到地基参数影响较小。路面顶面允许动变形在确认之后，就可以对路基动变形进行设计。
2.3动变形控制
动变形控制设计流程为：
（1）确认汽车动荷载参数按照高速公路设计要求，对高速公路车道在规定设计年限内轴次，进而预测高速公路交通数量，科学判断高速公路等级，确定基层类别；（2）将待设计公路转变为三层结构，计算高速公路路基允许动变形数值，然后借助有关规章制度，确定路基弯沉标准；（3）按照路基动变形控制标准，梳理路基填土高度及动模量之间关联；（4）通过室内试验分析方式，结合本地区高速公路设计经验，了解路基压实度及动模量之间关系，最终获取动变形数值；（5）通过经济对比手段，保证路基压实度及填土高度设定科学合理。
3、路基动变形设计实际案例
本文对代表性沥青高速公路结构作为设计案例，对路基动变形控制进行了解。按照上述高速公路参数计算形式，结合高速公路荷载等级，可以了解不同级别高速公路路基顶面动变形允许数值。
由图二可知，路基模量在小于80MPa情况下，适当增加路基模量，可以减小路基填土高度；但是路基模量在大于80MPs情况下，适当增加路基模量，路基填土高度变化并不显著。所以，路基的动变形控制设计之前，应该先设定地基参数及路基结构，并且确定路基模量。一般情况下，动态模量和路基填土高度初始数值都不同，进而其关系可以通过动三轴实验了解[2]。
结论：动力设计方法作为高速公路今后设计必然趋势。本文对路面不平整下汽车出现的附加荷载分析之后，对荷载设计参数提供了一定意见，并且按照目前有关规定，对路面弯沉控制标准提出意见，了解路基顶面动变形设计方法。
参考文献：
[1]刘钢，罗强，张良，蒋良潍，阮红风.基于累积变形演化状态控制的高速铁路基床结构设计计算方法[J].中国科学：技术科学，2014，07：744-754.
[2]武林，李昌虎.高速公路路基段声屏障结构验算分析及优化设计[J].工程与建设，2016，05：640+703.
论文作者:马演宾,江紫鹏
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/10
标签：路基论文; 高速公路论文; 荷载论文; 路面论文; 应变论文; 结构论文; 汽车论文; 《基层建设》2017年第23期论文;