公路路基工作區(qū)深度的研究

趙 秋 林

(西安公路研究院，陜西 西安 710065)

公路路基工作區(qū)深度的研究

趙 秋 林

(西安公路研究院，陜西 西安 710065)

通過對路基工作區(qū)的討論，計算了純土基和考慮路面結(jié)構(gòu)的路基工作區(qū)深度，對比傳統(tǒng)公式和Bisar軟件的計算結(jié)果，討論了純土基情況下的路基工作區(qū)深度，而對考慮路面結(jié)構(gòu)的路基工作區(qū)深度，通過考慮半剛性基層的作用，采用不同的開放系數(shù)進(jìn)行換算，得到了更加符合實(shí)際情況的工作區(qū)深度，從而為提高道路整體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性奠定了良好的基礎(chǔ)。

路基工作區(qū)，強(qiáng)度，穩(wěn)定性，路面結(jié)構(gòu)，開放系數(shù)

0 引言

路基和路面是公路中的主要工程結(jié)構(gòu)物，路基是路面的基礎(chǔ)，路基的堅固及穩(wěn)定是保障路面能夠長期承受行車荷載的前提。當(dāng)車輛行駛在路面上時，通過輪胎將荷載傳遞作用于路面之上，然后自上而下傳遞給路基，從而在路基和路面各個結(jié)構(gòu)層內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變、應(yīng)力以及位移。如果路基的強(qiáng)度及穩(wěn)定性不足，那么路面就會產(chǎn)生相應(yīng)的病害，從而使整個道路結(jié)構(gòu)失去足夠的承載能力和服務(wù)水平。因此，保證路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是提高道路通行質(zhì)量的重中之重。車輛荷載對路基的作用隨深度的增加而呈現(xiàn)遞減趨勢，在一定范圍內(nèi)，在路基內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力會對路基造成不利影響，而超過了一定深度這種影響就會很弱，因此在路基設(shè)計的過程中，應(yīng)當(dāng)保證這一深度范圍內(nèi)路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，而路基工作區(qū)恰好是衡量這一問題的關(guān)鍵指標(biāo)。

1 路基工作區(qū)的概念

現(xiàn)行路基工作區(qū)的定義是：在路基的某一深度處，車輛荷載引起的垂直應(yīng)力與路基土自重力引起的垂直應(yīng)力之比僅為1/10～1/5，那么該深度范圍內(nèi)的路基就稱為路基工作區(qū)[1]。在路基工作區(qū)深度內(nèi)，路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性對保障路面結(jié)構(gòu)正常使用有著很大的作用，因此對該部分的路基應(yīng)當(dāng)保證足夠的壓實(shí)度。對于路基工作區(qū)深度的確定方法，計算公式如下式所示：

σ靜=γZ

(1)

其中，γ為路基土容重，kN/m3；Z為車輛荷載作用下的垂直深度，m。

(2)

(3)

由式(1)～式(3)得到下式：

(4)

其中，n為系數(shù)，取0.1～0.2；Za為路基工作區(qū)深度，m。

2 不考慮路面結(jié)構(gòu)的路基工作區(qū)深度的確定

以典型路面結(jié)構(gòu)為例，利用公式計算單軸雙輪組標(biāo)準(zhǔn)軸載為100 kN下的路基工作區(qū)深度，所選路面結(jié)構(gòu)和計算結(jié)果如表1和表2所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 路基內(nèi)部不同深度處應(yīng)力計算結(jié)果

由表2可以看出，當(dāng)σv/σ靜=0.2時，路基工作區(qū)深度為1.8 m，當(dāng)σv/σ靜=0.1時，路基工作區(qū)深度為2.27 m。

采用有限元軟件Bisar3.0對上述路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，其結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，當(dāng)σv/σ靜=0.2時，路基工作區(qū)深度為1.78 m，當(dāng)σv/σ靜=0.1時，路基工作區(qū)深度為2.25 m。

車輛荷載所產(chǎn)生的豎向應(yīng)力隨著深度的增加而呈現(xiàn)遞減趨勢，且在0.8 m范圍內(nèi)衰減幅度較大，當(dāng)超過0.8 m時，衰減的幅度逐漸減小。由公式計算出來的車輛荷載應(yīng)力在0.8 m范圍內(nèi)均小于理論公式計算所得的結(jié)果，但隨著深度的增加，兩者之間的差異逐漸變得微小。路基土的自重應(yīng)力隨著深度的增加而成線性增加，只要按照規(guī)范上的要求分層填筑路基，并保證足夠的壓實(shí)度，符合容許的彎沉值，從這些方面考慮，路基自重對于保持其強(qiáng)度與穩(wěn)定性是有利的。當(dāng)車輛荷載直接作用于土基之上時，采用公式計算出來的路基工作區(qū)與Bisar軟件計算出來的結(jié)果相差不大，說明對于沒有鋪面結(jié)構(gòu)的路基工作區(qū)應(yīng)力的計算，兩種方法所得到的結(jié)果是一致的[2]。

表3 路基內(nèi)部不同深度處應(yīng)力計算結(jié)果(Bisar)

3 考慮路面結(jié)構(gòu)的路基工作區(qū)深度的確定

路基路面是一個不均勻的整體，各結(jié)構(gòu)層的材料都不相同，路面的容重和剛度與路基相比一般較大，路基工作區(qū)隨著路面強(qiáng)度和厚度的增加而減小，且路面對于車輛荷載的應(yīng)力有一定的消散作用。對于考慮路面結(jié)構(gòu)的路基工作區(qū)深度的確定，一般采用將路面各結(jié)構(gòu)層換算成當(dāng)量路基厚度之后進(jìn)行計算，具體換算公式如式(5)所示[3]：

(5)

其中，hi為路面各結(jié)構(gòu)層厚度，cm；Ze為換算后當(dāng)量厚度，cm；Ei為路面各結(jié)構(gòu)層抗壓材料模量，MPa；E0為土基回彈模量，MPa。

路面結(jié)構(gòu)層當(dāng)量換算見表4。

表4 路面結(jié)構(gòu)層當(dāng)量換算(開放系數(shù)2.5)

通過對以上路面結(jié)構(gòu)層的換算，總換算厚度為150.16 cm，因此對含路面結(jié)構(gòu)的路基工作區(qū)深度如表5所示。

從表5可以看出，路面結(jié)構(gòu)對于應(yīng)力有一定消散作用，從而導(dǎo)致路基工作區(qū)變小[4]。車輛荷載作用所產(chǎn)生的路基工作區(qū)深度在考慮路面結(jié)構(gòu)時大于路面結(jié)構(gòu)的總厚度，因此導(dǎo)致路基頂面以下0.35 m～0.77 m仍處于路基工作區(qū)范圍之內(nèi)，因此在進(jìn)行路基設(shè)計時，應(yīng)保證路基的填筑高度至少要高于天然地基0.35 m～0.77 m，這樣才能承受來自路面?zhèn)鬟f下來的車輛荷載應(yīng)力。

表5 路基工作區(qū)深度(開放系數(shù)2.5) m

以上的關(guān)于多層柔性路面的換算公式是林宗元在《巖土工程勘察設(shè)計手冊》中提出的，其開放系數(shù)取值為2.5，但這種取值方式是針對柔性基層進(jìn)行的換算，而我國大部分瀝青路面采用的是半剛性基層，因此對于半剛性基層的換算公式應(yīng)取不同的開放系數(shù)[5]?？杉俣ń?jīng)過壓實(shí)后的路基為半剛性的結(jié)構(gòu)，根據(jù)《公路路基基層施工技術(shù)規(guī)范》中底基層與基層之間的當(dāng)量換算公式，將開放系數(shù)取值為3.0更符合實(shí)際的情況，再次對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行當(dāng)量換算，經(jīng)換算后路面結(jié)構(gòu)層的當(dāng)量總厚度為129.75 cm，比之前采用開放系數(shù)2.5時減少了20.41 cm。其路基工作區(qū)深度也有相應(yīng)的改變。

4 結(jié)語

1)路基工作區(qū)是保證路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性的一個十分關(guān)鍵的指標(biāo)，對于處在路基工作區(qū)深度的土基，必須要保證其具有充足的壓實(shí)度，路基填料也要達(dá)到相應(yīng)的模量要求。

2)對于純土基的路基工作區(qū)，采用傳統(tǒng)公式和Bisar軟件計算所得的結(jié)果相差不大，說明傳統(tǒng)公式在計算純土基的路基工作區(qū)時，接近實(shí)際的真實(shí)情況。

3)對于含有鋪面結(jié)構(gòu)的路基工作區(qū)，采用當(dāng)量換算的公式計算時，要考慮基層的類型，對于半剛性基層，采用開放指數(shù)為3.0進(jìn)行計算更符合實(shí)際情況。

4)路面結(jié)構(gòu)的組合和材料的模量對應(yīng)力有一定的消散作用，因此會造成路基工作區(qū)深度減小，因此從路基路面的整體結(jié)構(gòu)來考慮，提高路面結(jié)構(gòu)材料性能，合理組合各結(jié)構(gòu)層，保證路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，才能延長道路的使用壽命，從而更好的發(fā)揮其服務(wù)水平。

[1] 鄧學(xué)鈞，張登良.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2009:40-41.

[2] 李 聰.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):11-14.

[3] 方左英.路基工程[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4] 肖 鵬.道路路基工作區(qū)與路基路面結(jié)構(gòu)分析[J].華東公路，1996(102):39-41.

[5] 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，2011(5)：67- 68.

Study on the depth of highway subgrade working section

Zhao Qiulin

(Xi’anAcademyofHighway,Xi’an710065,China)

Through discussing subgrade working area, the paper calculates subgrade working depth of pure soil base and pavement structure discusses subgrade working depth under pure subgrade conditions, explores subgrade working depth by taking pavement structure into consideration. Through considering the role of semi-rigid base, it adopts various opening coefficients for computation, and obtains suitable working region depth, so as to lay a good foundation for improving integral rod strength and stability.

subgrade working area, strength, stability, pavement structure, opening coefficient

1009-6825(2015)07-0141-02

2014-12-25

趙秋林(1982- )，男，工程師

U416.1

A