公路路基工作區(qū)深度和路基壓實的探討

孔祥峰

(中國土木工程集團有限公司 北京 100038)

1 前言

路基主要受到兩種荷載作用，分別是自重(靜荷載)和汽車荷載(動荷載)[1]，與道路的瀝青混凝土面層、基層、墊層共同承擔汽車的荷載。受靜荷載和動荷載的影響，在一定深度內路基是受壓狀態(tài)[2]。汽車的荷載影響主要位于公路路基的工作區(qū)內，正確的設計、施工應使公路路基在荷載作用下，處于彈性變形狀態(tài)，汽車行駛后，路基土恢復原狀，保證路基相對不變形[3]22，不引起路面的破壞。

路基承載力的不足是導致路面沉陷、結構性車轍等道路病害的主要原因[4]，路基強度、穩(wěn)定性、剛度直接關系行車的安全，因此需確定出路基工作區(qū)深度以及對路基做好相應的壓實處理。

2 路基工作區(qū)深度的計算

2.1 路基工作區(qū)的定義

在路基某一深度處，汽車荷載對路基所產生的影響與路基自重對路基產生的影響相比，顯得比較小，在此界限深度以外，動荷載所產生的應力影響可忽略不計。將此段深度內的區(qū)域作為汽車荷載的影響區(qū)即路基工作區(qū)。根據《公路設計手冊》規(guī)定[3]23:汽車荷載所產生的應力為σ動，路基自重所產生的應力為σ靜，σ動/σ靜＝1/n，在一定深度處當1/n很小時，不超過1/n＝1/10～1/5[5]，即動應力與路基自重應力相比可以忽略不計，由此可以得到動應力分布深度，稱此分布深度為路基工作區(qū)Za。

現(xiàn)行規(guī)范:“汽車荷載通過路面?zhèn)鬟f到路基的應力與路基土自重應力之比大于0.1的應力分布深度范圍稱為路基工作區(qū)”[6]2。

2.2 兩種荷載計算

(1)在路基深度Z處，自重所產生的應力σ靜為:

式中，γ為路基土的容重(kN/m3)；Z為垂直深度(m)。

(2)根據J.Baussinesq的推導公式，視路基土體為彈性半空間體，則汽車荷載在路基中所產生的垂直應力σ動為:

式中，k為系數，k＝3/2π≈0.5；P為車輪荷載(kN)；Z為汽車荷載作用下的豎直深度(m)。

荷載產生的應力在土中的分布見圖1。

由圖1可知，隨路基深度的增大，汽車荷載產生的動載應力逐漸減小，在工作區(qū)范圍以外，動載應力對路基的影響也相應減小。為了確保在反復的動荷載作用下，路基保持穩(wěn)定，應使工作區(qū)路基處于彈性應力狀態(tài)，僅產生較小的累計變形，因此需要對工作區(qū)范圍內的路基施工進行嚴格控制，既保證填料滿足CBR值強度要求，同時施工中也要控制路基壓實度。

圖1 路基土的應力分布

2.3 路基工作區(qū)深度的計算

根據路基工作區(qū)的定義，可得:

由式(3)可得路基工作區(qū)深度Za:

式中，n為系數，根據路基工作區(qū)的定義，取n＝5或n＝10(建議對二級及以上道路取10，以下道路取5)[7]。

由式(4)可見，路基工作區(qū)的深度與汽車荷載的關系為正相關，荷載越大，路基的工作區(qū)深度越大[8]；與路基土容重成負相關，路基的壓實度越大，土的容重越大，路基的工作區(qū)深度相應減小。工作區(qū)范圍內的路基穩(wěn)定性和強度是路面結構強度、穩(wěn)定性的重要保證。工作區(qū)路基應選擇合格的填土，應嚴格控制路基的壓實度。

2.4 路面當量厚度的計算

路面結構由墊層、基層、瀝青混凝土面層組成，材料特性各異，為非均質體，其強度、容重均比填土大。工作區(qū)在土基中深度受結構層影響，隨其強度增大而減小[9]，隨其厚度增大而減小。因此要相對精確地計算工作區(qū)在土基中的深度，需要將各層厚度進行折算，換算成與路基土同性質的當量厚度。

當量厚度計算公式[10]為:

式中，Ze為當量厚度(m)；hi和Ei分別為結構層厚度(m)和回彈模量(MPa)；E0為路基土的回彈模量(MPa)；m為系數，瀝青混凝土路面m＝2.5[3]24。

圖2 工作區(qū)深度

如圖2所示，h為路堤填土高度，動荷載在路基土中的影響深度為Za-Ze，當土Za-(Zeh1)＞h時(h1為結構層厚度)，汽車荷載作用于原地基的上部土層和路堤；對路塹、零填路基而言，汽車荷載全部作用于天然土層之中[11]。

3 示例計算

現(xiàn)舉例說明路基工作區(qū)深度和路面結構層當量厚度的計算，示例采用尼日利亞典型路面結構形式-交通主干道和社區(qū)道路兩種路面結構，荷載采用雙輪組單軸載100 kN[12-13](即車輪荷載P＝100/2＝50 kN)。

3.1 城市交通主干道路基工作區(qū)計算

主干道路面結構模型計算參數見表1。

表1 主干道典型路面結構及力學參數

由式(4)可得路基工作區(qū)深度Za，道路結構屬于尼日利亞交通主干道，建議系數n取10進行計算:

由式(5)可得瀝青路面結構層的當量厚度Ze，計算結果見表2。

表2 路面結構的累計當量厚度結果值

則工作區(qū)作用于路基土中的深度為:

由于尼日利亞的交通運輸以公路運輸為主，且路政部門對道路的管理較為松散，繁忙的主干道普遍存在著交通流量大、超載頻繁的現(xiàn)象，故增加軸載120 kN、軸載130 kN、軸載140 kN作為超載工況進行計算，結果見表3。

表3 各工況下路基工作區(qū)深度

由表3計算可知，當填土高度小于路基工作區(qū)在路基中的深度時，行車荷載將作用于天然路基上。隨著荷載的增大，動應力的影響深度也是逐漸增大，當道路結構確定且施工完成投入使用時，車輛的超載將使路基的設計工作區(qū)深度小于實際深度，未經處理的路基強度不足，從而將會導致路基產生朔性變形積累，破壞道路的穩(wěn)定性，縮短道路的使用壽命。

3.2 社區(qū)道路路基工作區(qū)計算

社區(qū)道路路面結構模型計算參數見表4。

表4 社區(qū)道路典型路面結構及力學參數

由式(4)可得路基工作區(qū)深度Za，道路結構屬于社區(qū)道路，建議系數n取5進行計算:

由式(5)可得瀝青路面結構層的當量厚度Ze，計算結果見表5。

表5 路面結構的累計當量厚度結果值

則工作區(qū)作用于路基土中的深度為:

由以上計算可知，參照《公路路基設計規(guī)范》(JTGD 30-2015)中關于等級道路壓實規(guī)定，在低路堤、零填和路塹地段，僅控制路床范圍(0～80 cm)內的填土壓實，是無法滿足路基的穩(wěn)定性要求的，特別是社區(qū)道路多數情況下排水設施堵塞，又有尼當地雨季時間長雨量大的情況，隨著經濟的發(fā)展，車流量和荷載逐漸增加，尼當地社區(qū)道路損壞嚴重。

4 路基壓實控制的探討

對于填土高度大于工作區(qū)位于路基中深度的路堤，施工時根據設計標高，選擇合格的填料并分層填筑，按照中國規(guī)范規(guī)定的路床(0～0.8 m)和路堤(上路堤0.8～1.5 m，下路堤1.5 m以下)壓實度標準控制進行壓實，在標準軸載下，以此標準填筑的路基用于尼日利亞公路是合理的。

對于路塹、零填路基，汽車荷載的影響作用到天然路基上，按照《公路工程技術標準》規(guī)定，二級及以上等級公路僅對0～80 cm的路床進行處理，控制路床壓實度和基底的壓實度[14]。根據示例的計算結果，在標準軸載下，僅對路床范圍內的填土進行處理，無法滿足路基的穩(wěn)定性要求，考慮到尼日利亞交通流量日益增長和荷載的增大，需要對工作區(qū)內超挖，然后進行分層填筑壓實；考慮到尼日利亞雨季時間長雨量大，排水設施要設置完善并及時疏通清理，使路基免受雨水侵蝕，保持干燥或中濕狀態(tài)。

此外，根據路基基底壓實規(guī)定，“一般土質路基地段，二級及以上公路基底的壓實度(重型)不應小于90%；三四級公路不應小于85%”[6]11，在尼日利亞進行公路的施工，建議根據交通量和行車荷載的不同，合理選用基底壓實標準并滿足當地要求。

半填半挖路基應采取措施(如填方部分提高壓實度標準)使路基工作區(qū)范圍內的挖填土體處于共同受力的狀態(tài)[15]，在強度和穩(wěn)定性方面達到均衡。

當天然土質不適宜做路基填料時，如軟基、雜填土、腐殖土時，應選用合格的填料進行路基換填或采取其他措施進行處置。

5 結束語

(1)路基工作區(qū)在土基中深度與路面結構組成、荷載大小、路基土的回彈模量和容重均有一定關系，針對尼日利亞的道路特點，在道路結構和厚度確定的情況下，選用合格的路基填土，對實際交通荷載情況進行分析，合理確定設計軸載，計算路基工作區(qū)的深度。路堤工作區(qū)深度內的土基分層回填壓實，對于零填和路塹地段需按計算工作區(qū)深度進行超挖，并在道路投標中考慮相應工程量的增加。

(2)根據道路各地段工作區(qū)在天然土層中的深度以及縱斷面的填挖設計，編制壓實度控制表格，指導路基的壓實施工，保證土基的壓實效果，提高施工質量。

(3)對于零填和路塹路基地段，其受行車荷載和水作用的影響明顯，除應按照工作區(qū)深度做壓實度控制外，施工時應提前做好土質和地下水位的調查，采取挖邊溝、盲溝、鋪設防水土工布等方法，使路基處于干燥或中濕狀態(tài)；天然土為軟土或其他不適宜填料時，應采取路基換填或采取改良措施，并以工作區(qū)深度作為換填控制深度。

(4)路基填土前要規(guī)劃好壓實層數和每層壓實厚度，避免路基填筑中貼薄層現(xiàn)象的出現(xiàn)，以保證路基的施工質量。

(5)尼日利亞的道路路面結構和厚度根據道路等級不同已基本確定，缺少必要的路面結構層厚度設計(即結構層厚度應同時滿足以道路彎沉值和瀝青層的疲勞抗裂要求)，其質量控制以對道路填料和彎沉值控制為主，受當地經濟發(fā)展影響，短期內難以對道路結構和厚度有較大的調整，要保證路基的穩(wěn)定性和減少道路病害，除對工作區(qū)深度進行壓實控制及施工中采用正確的施工工藝外，建議開展對瀝青混凝土的研究，即在現(xiàn)行路面結構不變的情況下，開展瀝青混凝土的材料選用和各成分的配比研究，提高路面的抗裂性能，減少瀝青混凝土因疲勞開裂導致雨水侵入路基的情形，防止產生道路病害，延長道路的使用壽命。