路基工作區(qū)計(jì)算的應(yīng)用實(shí)例

湯鋒華，安永福，吳祖德

（常州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 常州 213022）

0 引言

在道路工程中，路基工作區(qū)的計(jì)算可以幫助我們解決很多的問題，利用BISAR3.0軟件，可以計(jì)算在不同軸載、不同的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)下、不同路基深度的輪載的應(yīng)力分布情況。工作了幾十年后，現(xiàn)在能計(jì)算出來了，把它比喻成：好像讓我們戴上了“x光眼鏡”、好像讓我們擁有了孫悟空的“火眼金睛”，把地底下的荷載應(yīng)力，看得一清二楚。下面就把在實(shí)際工作中的應(yīng)用情況作一介紹。

1 按層狀體系理論編制的軟件BISAR3.0

按層狀體系理論編制的軟件BISAR3.0計(jì)算的路基工作區(qū)，基本與實(shí)際情況相符，對照原來布辛尼斯克公式計(jì)算結(jié)果太小、有誤。

某高速公路瀝青路面，在軸重100 kN、120 kN作用下，兩種計(jì)算方法的路基工作區(qū)位置比較圖[2]，見圖1。

2 現(xiàn)行《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 194-2013）

揭示現(xiàn)行《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 194-2013）[3]城市次干路支路的挖方路塹路基路床的壓實(shí)深度0.3 m的規(guī)定，存在深度不足的問題。

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）2.1.5路基工作區(qū)汽車荷載通過路面?zhèn)鞯铰坊膽?yīng)力與路基土自重應(yīng)力之比大于0.1的應(yīng)力分布深度范圍。

該規(guī)范首次提出了新的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該是和挖方路基路床壓實(shí)深度是有同等含義的。過去都用布辛尼斯克公式計(jì)算的路基工作區(qū)偏小、有誤，現(xiàn)在都用層狀體系理論來計(jì)算汽車荷載通過路面?zhèn)鞯铰坊膽?yīng)力，計(jì)算的路基工作區(qū)要比原來的大，與實(shí)際相符[6,7]，見表 1。

路基工作區(qū)次干路為91 cm，支路為105 cm。實(shí)際上，路基工作區(qū)就是要求路床的壓實(shí)深度，已經(jīng)大大超出30 cm。實(shí)踐中也有經(jīng)驗(yàn)，支路未到設(shè)計(jì)使用年限，路基沉陷，路面損壞，也是與施工時(shí)的壓實(shí)深度不夠有關(guān)。

表1 常州市各級瀝青路面路基工作區(qū)深度（標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN）

結(jié)論：城市次干路支路的挖方路基路床壓實(shí)深度要求，應(yīng)參照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）三、四級公路鋪筑瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面時(shí)，其壓實(shí)度應(yīng)采用二級公路壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)。就是輕、中等及重交通路床壓實(shí)深度為80 cm，特重、極重交通路床壓實(shí)深度為120 cm。

3 揭示有的路面結(jié)構(gòu)可直接設(shè)置在原狀土層上的原理

揭示有的路面結(jié)構(gòu)可直接設(shè)置在原狀土層上的原理，路基不用壓實(shí)，在當(dāng)?shù)匾呀?jīng)有多年的歷史了。

為了加快施工進(jìn)度，與常規(guī)做法不同，做到少挖、不挖，把用在下面翻挖的費(fèi)用，做水泥混凝土剛性基層，施工快，又方便。上面再加半剛性的水泥穩(wěn)定碎石增強(qiáng)層，然后鋪筑10～12 cm的瀝青混凝土路面。此種結(jié)構(gòu)形式屬于創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，尚無見有文獻(xiàn)介紹，也沒有見規(guī)范有此內(nèi)容。過去僅是設(shè)計(jì)、施工單位憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行過工程上的運(yùn)用，沒有理論上的分析和計(jì)算。這次分析出，屬于零路基工作區(qū)的路面結(jié)構(gòu)，路面結(jié)構(gòu)直接放置在原狀土上，不需要進(jìn)行壓實(shí)處理。是因?yàn)槁坊林怀惺茏灾睾奢d，其基本不承受車輪荷載應(yīng)力，或是車輪荷載應(yīng)力與自重應(yīng)力之比基本接近小于0.1，可以忽略不計(jì)[1]。（注：道路對路基工作區(qū)進(jìn)行壓實(shí)處理，是因?yàn)檩嗇d（活載）要進(jìn)入該部分，而是無數(shù)次的，為了不使其壓縮變形，而采取的措施：壓實(shí)）

零路基工作區(qū)的路面結(jié)構(gòu)一般適用范圍：

（1）城市里的街道新建或改建，做灰土基層，會影響兩邊的揚(yáng)塵衛(wèi)生；

（2）城市里地下水位較高，挖下去就要見水；

（3）綠化帶改造成瀝青混凝土路面，狹長地帶很難下挖做土基處理；

（4）有時(shí)老路改造，地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，不宜下挖做土基處理，來提高土基回彈模量，也不宜翻挖來達(dá)到土基壓實(shí)度的要求；

（5）路塹路基中，有兩邊的坡面荷載，路基不宜下挖太深，以免造成路槽塌方。

舉例：零路基工作區(qū)的路面結(jié)構(gòu)，見表2、圖2。

表2 零路基工作區(qū)的瀝青路面結(jié)構(gòu)組成表

圖2 軸重100 kN水泥穩(wěn)定碎石和水泥混凝土結(jié)合組成雙層板的瀝青路面結(jié)構(gòu)的路基工作區(qū)圖

所解出的路基工作區(qū)為2 cm，接近為0。該種結(jié)構(gòu)的路面可直接修筑在原狀土上，路基不需要壓實(shí)，見表3。

零路基工作區(qū)的路面結(jié)構(gòu)，除要滿足該路面結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)軸載計(jì)算的路基工作區(qū)接近為零外，還要滿足第二個(gè)條件：該種路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)軸載在設(shè)計(jì)交通量條件下的計(jì)算強(qiáng)度要求[4，5，8，9]。

4 路基工作區(qū)深度

對設(shè)計(jì)軸載超過標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN時(shí)，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)厚度確定后，可按需要通過的汽車軸載，計(jì)算出其路基工作區(qū)深度，就是該路路基要壓實(shí)的深度。

如：三聯(lián)軸單軸重140 kN的路基工作區(qū)計(jì)算示例，見表4及圖3、圖4。

經(jīng)計(jì)算路基工作區(qū)深度在路狀頂面下2.21 m處。

5 求出標(biāo)準(zhǔn)軸載在瀝青路面結(jié)構(gòu)的土基中的應(yīng)力分布規(guī)律及其應(yīng)力值

求出標(biāo)準(zhǔn)軸載在瀝青路面結(jié)構(gòu)的土基中的應(yīng)力分布規(guī)律及其應(yīng)力值。

如：求算常州市各類瀝青路面在標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN時(shí)的路基中的應(yīng)力分布，見圖5～圖8。

小結(jié)：

圖3 三聯(lián)軸單軸重140 kN的路基工作區(qū)圖

圖4 三聯(lián)軸荷載分布圖（單軸重140 kN計(jì)算點(diǎn)為D點(diǎn)）

表4 三聯(lián)軸單軸重140 kN的路基工作區(qū)計(jì)算表

（1）有了瀝青路面結(jié)構(gòu)層后，荷載應(yīng)力大部分有路面結(jié)構(gòu)層承擔(dān)，傳到路基中的應(yīng)力已經(jīng)很小了，見表5。

圖5 瀝青支路在軸載100 kN時(shí)的應(yīng)力分布

圖6 瀝青次干路在軸載100 kN時(shí)的應(yīng)力分布

圖7 瀝青主干路在軸載100 kN時(shí)的應(yīng)力分布

圖8 瀝青快速路在軸載100 kN時(shí)的應(yīng)力分布

表5 各級瀝青路面路基工作區(qū)深度及頂面、底面總應(yīng)力值

（2）路面結(jié)構(gòu)厚，傳到路基中的應(yīng)力會變小。

（3）路面結(jié)構(gòu)厚，所需路基工作區(qū)會變小。當(dāng)已定路面結(jié)構(gòu)的路基工作區(qū)深度不滿足要求時(shí)，可以用增加路面厚度來減小路基工作區(qū)深度，滿足要求。

（4）路基工作區(qū)內(nèi)，按規(guī)范要求為經(jīng)過壓實(shí)的路基土，主要的是滿足了變形要求，不使路面損壞。

（5）路基工作區(qū)以下的土基，所受土的自重應(yīng)力和活載附加應(yīng)力，一般總應(yīng)力為 35.30 kPa，應(yīng)力值不高，可以進(jìn)行天然地基的應(yīng)力和變形計(jì)算，來滿足規(guī)范要求。經(jīng)過驗(yàn)算，可以看出路基土為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：，各級瀝青路面的不同深度處的荷載應(yīng)力值是都能滿足。但由于其壓縮模量較低：，所以當(dāng)路堤填土較多及其厚度較大時(shí)，要驗(yàn)算沉降量是否滿足規(guī)范要求。

6 修正的布辛尼斯克公式計(jì)算路基工作區(qū)

揭示布辛尼斯克公式存在的問題，用修正的布辛尼斯克公式計(jì)算路基工作區(qū)。

經(jīng)過試算，發(fā)現(xiàn)布辛尼斯克公式在計(jì)算無路面時(shí)的各級汽車荷載的路基工作區(qū)深度與按彈性層狀體系理論的軟件BISAR3.0計(jì)算的完全相同，見表6。

表6 兩種方法計(jì)算的各級荷載下路基土工作區(qū)深度對照表（n=10）

采用修正m=4.85開方次數(shù)的布辛尼斯克公式，計(jì)算柔性路面工作區(qū)深度，比采用BISAR3.0程序計(jì)算路基工作區(qū)的方法步驟簡單，經(jīng)過驗(yàn)證，可使修正后的布辛尼斯克公式得到實(shí)際的應(yīng)用。

7 路基工作區(qū)的深度

采用人造硬殼層處理軟土地基時(shí)輪載在土基中的應(yīng)力分布，求出路基工作區(qū)的深度。

由于硬殼層的回彈模量比原土基E0=34 MPa大很多，在工作區(qū)以上部分，荷載應(yīng)力比原土基的應(yīng)力大，也可看出硬的土層會受到的應(yīng)力大。工作區(qū)以下部分，荷載應(yīng)力比原土基的應(yīng)力小，約為50%。基本上在硬殼層以下的土基中，荷載應(yīng)力值很小。有硬殼層時(shí)，工作區(qū)深度為-89.2 cm，無硬殼層時(shí)為-90 cm，小0.8 cm，基本相同（由于硬殼層的存在，使傳到硬殼層以下的土基中的應(yīng)力值很小），見圖 9、圖 10。

圖9 后軸軸重100 kN時(shí)主干道在帶硬殼層的“荷載應(yīng)力、自重應(yīng)力曲線及工作區(qū)深度位置圖

人造硬殼層厚1.50 m，就可以使標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN的路基工作區(qū)包含在內(nèi)。

人造硬殼層的良好經(jīng)濟(jì)效益[10,11]：如對于150 m×36 m的路基，采用水泥土攪拌樁，設(shè)計(jì)樁長應(yīng)該穿透淤泥層，這里取15 m，樁徑設(shè)計(jì)為50 cm，樁距1.2 m，造價(jià)144.73萬元，工期約為20 d；而采用水泥淺層固化構(gòu)造“人工硬殼層”工藝，造價(jià)為58.5萬元，工期為10 d，每處理1 000 m2的軟土地基，采用水泥摻拌工藝大約可以節(jié)約10～15萬元，工期節(jié)約一半，由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的。

圖10 后軸軸重100 kN時(shí)主干道原來沒有硬殼層的“荷載應(yīng)力、自重應(yīng)力曲線及工作區(qū)深度位置圖

8 結(jié)語

通過以上介紹，路基工作區(qū)的計(jì)算，在實(shí)際工作中運(yùn)用，可以看出是很需要。以上僅為拋磚引玉，希望同行都來交流、介紹。

[1]JTG D30-2015,公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]黃曉明.《路基路面工程》課程的問題討論[Z].2013.

[3]CJJ 194-2013,城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]JTG D50-2006,公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]CJJ 169-2012,城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]李聰,官盛飛.瀝青路面路基工作區(qū)深度分析[J].交通科學(xué)與工程,2011,27(2):11-15.

[7]黃琴龍,凌建明.路基工作區(qū)的確定方法研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2011,39(4):551-555.

[8]JTG D40-2011,公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9]陳拴發(fā),楊斌,馬慶雷,等.水泥混凝土路面瀝青加鋪層設(shè)計(jì)與施工[M].北京:人民交通出版社,2011.

[10]沈?qū)W芳,曾惠芬,王子龍.“人造硬殼層”在灌東新材料產(chǎn)業(yè)園道路軟基處理中的應(yīng)用研究[J].城市道橋與防洪,2015(5):32-34.

[11]王新.公路路基硬殼層在工程實(shí)踐中的特性利用研究[J].交通世界（工程·技術(shù)）,2014(3):14-15.