路基壓實度不足對路基路面結構性能的影響

程 浩

（山西省公路局長治分局,山西 長治 046000）

0 引言

公路是一種重要的基礎設施，在經濟發展過程中發揮著重要的作用。路基壓實度不足會引起不均勻沉降，從而導致道路發生結構性病害，降低道路使用性能，影響行車安全[1]。明確路基壓實度不足對路基路面結構性能的影響，采取針對性措施，解決路基壓實度不足的問題，是提升道路性能的有效措施。

1 設置試驗路段

為了更好地研究、更加清晰地體現路基壓實度不足對路基路面結構性能的影響，現以某公路工程為例，設置路基壓實度不足區域作為試驗區，并選擇正常區域作為對照區。具體來講，試驗區施工中，路基填筑時，開挖一個尺寸為1 m×1 m×1 m的區域，鋪設防水土工布，然后進行回填作業，分5層回填，路基土厚度為20 cm，使用小型氣夯進行夯實，壓實度設定為80%。回填完成后，按照設計圖對路面各結構層進行正常施工。在路面結構、路基頂面的相應位置埋設測試元件，包括鋼筋應變計用于對路面結構底層的動應變進行測定、土壓力盒用于對路基頂面與基層頂面的動土壓力進行檢測[2]。試驗區的施工流程如下：第一步，將基層與精加工層清理干凈；第二步，開挖作業；第三步，路基土回填作業；第四步，壓實度控制；第五步，基層與精加工層鋪設；第六步，再次將基層與精加工層清理干凈。

2 路面結構底層的動應變測試

2.1 埋設測試元件

為了更好地分析車輛動荷載作用下面層拉應力、拉應變以及荷載之間的關系，將鋼筋應變計埋設在試驗區、對照區的混凝土路面結構底層。

2.2 試驗方法

選擇二軸六輪貨車作為試驗車輛。試驗車的前后軸距為4 m，空車、滿載、超載狀態下的軸重如表1所示。該次試驗，是使車輛在超載狀態下進行測試，行車速度為20 km/h，通過次數為3次。

表1 試驗車輛軸重 /kN

2.3 試驗結果

在開展試驗的過程中，采集試驗區、對照區的相關數據，將因為測試元件損壞而無法收集到有效數據的點位去除，得到了試驗車輛超載狀態下路面結構底層的動應變測試結果。具體數據見表2。

表2 路面結構底層的動應變測試結果 /με

2.4 結果分析

對表2中的數據進行分析：首先，不同部位路面結構底層所承受的應力狀態也有一定差異，1#、2#、5#測試元件測得的數據均為負值，說明該處路面結構底層為受壓狀態；3#測試元件測得的數據均為正值，說明該處路面結構底層為受拉狀態。其次，試驗車超載狀態下，試驗區前輪的動應變不高于105.63 με，后輪的動應變不高于 266.47 με；對照組前輪的動應變不高于38.24 με，后輪的動應變不高于132.15 με。這組數據顯示，不管是試驗區還是對照區，后輪動應變普遍在前輪動應變的2倍以上。這表明，路基壓實度不足，會使路基承載性能降低，進而嚴重影響路面結構性能。對試驗區進行勘查發現，試驗區周圍裂縫數量要比對照區多，其原因在于路基壓實度不足的區域，應力要大于正常區域，從而誘發不均勻沉降現象，進而導致裂縫的出現[3]。最后，試驗區2#測試元件與對照區5#測試元件對應。試驗區2#測試元件測得的數據顯示前輪動應變最大值為105.63 με，對照區5#測試元件測得的數據顯示前輪動應變最大值為38.24 με，兩者相差67.39 με，試驗區動應變最大值約為對照組的2.8倍；試驗區2#測試元件測得的數據顯示后輪動應變最大值為266.47 με，對照區5#測試元件測得的數據顯示后輪動應變最大值為132.15 με，兩者相差134.32 με，試驗區動應變最大值約為對照組的2倍。試驗車輛超載狀態下，試驗區與對照區路面結構底層動應變數值之間存在著較大差距。這表明，路基壓實度不足，會給路面面層底面動應變產生較大的影響。對現場情況進行勘查發現，相較于正常區域，路基壓實度不足區域的水泥面板板底脫空現象更加嚴重，同時伴有唧泥病害，其原因在于在車輛荷載與水的雙重作用下，相較于正常區域，路基壓實度不足區域的沉降現象更加嚴重[4]。

3 路基頂面與基層頂面的動土壓力測試

3.1 埋設測試元件

將土壓力盒埋設在試驗區、對照區的路基頂面、基層頂面，以測量動土壓力。

3.2 試驗方法

選擇二軸六輪貨車作為試驗車輛。試驗車的前后軸距為4 m，空車、滿載、超載狀態下的軸重如表1所示。該次試驗，是在車輛處于超載狀態下進行測試，行車速度為20 km/h，通過次數為3次，對動土壓力數據進行采集。

3.3 試驗結果

在開展試驗的過程中，采集試驗區、對照區的相關數據，將因為測試元件損壞而無法收集到有效數據的點位去除，得到了試驗車輛超載狀態下路基頂面、基層頂面動土壓力測試結果。具體數據見表3。

3.4 結果分析

對表3中的數據進行分析：首先，試驗車輛超載狀態下，在試驗區路基頂面，前輪動土壓力不大于7.62 kPa，后輪動土壓力不大于21.04 kPa；在試驗區基層頂面，前輪動土壓力不大于8.14 kPa，后輪動土壓力不大于17.424 kPa。后輪動壓力均為前輪動壓力的2倍以上。這表明，試驗車輛超載狀態下產生的動土壓力與車輛軸重為正相關關系。同時，這便是車輛超載嚴重的情況下，道路路面結構發生損壞時間較早、損壞程度更嚴重的原因所在[5]。其次，試驗車輛超載狀態下，在對照區路基頂面，前輪動土壓力不大于1.44 kPa，后輪動土壓力不大于6.58 kPa；在對照區基層頂面，前輪動土壓力不大于1.32 kPa，后輪動土壓力不大于3.45 kPa。后輪動壓力均為前輪動壓力的3倍以上。這表明，同等荷載狀態下，對照區的動土壓力遠遠小于試驗區的動土壓力。其原因可能是路基壓實度較高的情況下，荷載對路基造成的沖擊影響相對較小[6]。最后，試驗區1#測試元件、2#測試元件、3#測試元件、4#測試元件、7#測試元件、9#測試元件與對照區11#測試元件、13#測試元件、16#測試元件、18#測試元件、19#測試元件、21#測試元件一一對應。路基頂面的動土壓力，3#測試元件與16#測試元件之間的差別最大，前輪動土壓力的最大值相差7.15 kPa[（7.62-0.47）kPa]，試驗區壓力動土最大值約為對照區的17倍；后輪動土壓力的最大值相差19.16 kPa[（21.04-1.88）kPa]，試驗區壓力動土最大值約為對照區的11倍。基層頂面的動土壓力，9#測試元件與21#測試元件之間的差別最大，前輪動土壓力的最大值相差7.82 kPa[（8.14-0.32）kPa]，試驗區壓力動土最大值約為對照區的25倍；后輪動土壓力的最大值相差15.35 kPa[（17.42-2.07）kPa]，試驗區壓力動土最大值約為對照區的8倍。超載狀態下，試驗區與對照區路基頂面、基層頂面動土壓力最大值均存在8倍及以上差距。提示，路基壓實度不足會給路基頂面、基層頂面動土壓力產生明顯的影響[7]。

表3 路基頂面、基層頂面動土壓力測試結果 /kPa

3.5 動土壓力與軸重、車輛荷載作用位置的關系

首先，動土壓力與軸重的關系。采集對照區的相關數據，以14#測試元件為例開展5次平行試驗，并根據得到的數據，分析試驗車輛速度相同、軸載不同的情況下，車輛荷載在路基頂面的動應力情況，最終得到路基頂面上后輪的動土壓力，如圖1所示。并以此為根據，對動土壓力與軸重之間的關系進行分析。根據圖1可知，軸重與路基頂面的動土壓力存在著一定的聯系，兩者近乎呈線性關系，隨著軸重的增加，路基頂面動土壓力也會增加。

圖1 軸重不同的情況下后輪動土壓力

其次，動土壓力與車輛荷載作用位置的關系。采集對照區的相關數據，以位于同一橫斷面上的三個測試元件的測試結果為根據，分析試驗車輛速度相同的情況下，車輛荷載在路基頂面不同位置的動應力情況，最終得到路基頂面上的動土壓力，如圖2所示，并以此為根據，對動土壓力與車輛荷載作用位置之間的關系進行分析。根據圖3可知，試驗車輛超載狀態下6次行駛的過程中，不管是前輪還是后輪，在車輛荷載作用位置路基頂面承受的動土壓力最大，沿兩側逐漸降低，動土壓力最大值約為最小值的3倍。對現場情況進行勘查發現，路面裂縫病害主要集中于輪跡帶附近，其原因在于車輛荷載重復作用下路基發生沉陷，進而導致裂縫的出現[8]。

圖2 試驗車輛超載狀態下路基頂面動土壓力（上：前輪；下：后輪）

4 結論

綜上所述，通過設置試驗區、對照區，在路面結構、路基頂面的相應位置埋設測試元件，對路面結構底層的動應變、路基頂面與基層頂面的動土壓力進行檢測，將試驗結果總結如下：

（1）相比較于正常區域，路基壓實度不足區域路面結構底層的動應變、路基頂面與基層頂面的動土壓力均偏大，最大值均為正常區域的數倍，可見路基壓實度不足會在很大程度上影響路基路面結構性能，路基壓實度不足周圍容易出現板底脫空病害。

（2）后輪動土壓力大于前輪，車輛軸重與路基頂面動土壓力正相關。

（3）車輛荷載作用位置路基頂面承受的動土壓力最大，兩側逐漸下降，導致裂縫病害主要出現在輪跡帶位置。