路基工作區(qū)深度與路基換填深度關(guān)系分析

朱杰

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司　廣東　深圳　518000）

路基工作區(qū)深度與路基換填深度關(guān)系分析

朱杰

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司廣東深圳518000）

簡(jiǎn)單介紹路基工作區(qū)的概念、判定方法、影響因素及計(jì)算模型。同時(shí)，分析路基換填深度與路基工作區(qū)深度之間的關(guān)系，提出根據(jù)路基工作區(qū)深度計(jì)算路基換填處理深度的方法，為合理確定非高壓縮性土層（α1-2≥0.5MPa-1）路基換填深度提供了理論依據(jù)。

路基工作區(qū)；路基換填深度

前言

路基是路面的基礎(chǔ)，它與路面共同承擔(dān)行車的作用。路基承載力不足，是路面沉陷、車轍及開裂的主要原因之一。實(shí)踐證明，沒有堅(jiān)固、穩(wěn)定的路基，就沒有穩(wěn)固的路面。路基質(zhì)量的好壞，關(guān)系到整個(gè)道路的質(zhì)量及汽車的正常行駛。

一般情況下，路基承受兩種荷載：路基路面自重引起的靜力荷載和車輛的輪載引起的動(dòng)力荷載。在這兩種荷載的共同作用下，使路基土處于應(yīng)力狀態(tài)。由于路基路面材料的彈塑性特征，材料受到的荷載應(yīng)力越低，其本構(gòu)關(guān)系越接近于彈性狀態(tài)。道路設(shè)計(jì)就是通過合理的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)來(lái)控制道路路基的受力情況，使路基材料盡可能處于彈性狀態(tài)，以保證在行車的反復(fù)作用下不產(chǎn)生過多的形變累計(jì)。

在路基的某一深度處，車輛荷載引起的應(yīng)力與路基自重引起的應(yīng)力相比只占一小部分（1/5～1/10），在此深度以下，車輛荷載對(duì)土基的作用影響很小，可以忽略不計(jì)。將此深度Za范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū)。

1　路基工作區(qū)深度的判定方法

結(jié)合以往的研究成果，路基工作區(qū)深度的判定方法主要有以下幾種：

（1）路基土只產(chǎn)生彈性變形，不產(chǎn)生塑性變形。

（2）車輛輪載引起的附加應(yīng)力與路基的自重應(yīng)力的比值（不超過1/10～1/5）。

（3）路基土所受到的垂直應(yīng)力小于土的屈服強(qiáng)度。

目前，我國(guó)大多采用第二種方法作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算附加應(yīng)力和自重應(yīng)力所采用的彈性層狀體系理論，計(jì)算簡(jiǎn)便，可操作性強(qiáng)，是一種最簡(jiǎn)單有效的方法。

2　路基工作區(qū)深度的影響因素

影響路基工作區(qū)深度的主要因素有：路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和厚度、車型及車輛軸載和路基回彈模量。

3　附加應(yīng)力計(jì)算模型

利用彈性層狀體系理論的BISAR 3.0軟件，計(jì)算車輛荷載反復(fù)作用下路基深度方向的附加應(yīng)力，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1　附加應(yīng)力計(jì)算模型

其中x為車軸方向，y為行車方向，z為路基深度方向。參照規(guī)范要求，輪載采用雙圓均布荷載，單輪傳壓面當(dāng)量圓半徑按下式計(jì)算：

式中：δ為單輪傳壓面當(dāng)量圓半徑；P為單輪輪重；p為輪胎接地壓力。

視路面結(jié)構(gòu)為多層彈性體系，hi、μi、Ei（其中i為路面結(jié)構(gòu)層數(shù)）分別為第i層結(jié)構(gòu)的厚度、泊松比和抗壓回彈模量，通過試算，路基豎向附加應(yīng)力最大位置在原點(diǎn)處。

4　路基換填深度與路基工作區(qū)深度之間的關(guān)系

軟土地基上道路路基的設(shè)計(jì)主要包括沉降計(jì)算、穩(wěn)定驗(yàn)算。對(duì)于非高壓縮性土層（α1-2≥0.5MPa-1）而言，路面設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的殘余沉降（工后沉降）基本都滿足規(guī)范要求。故對(duì)于高填路堤，地基為非高壓縮性土層（α1-2≥0.5MPa-1）而言，地基處理的深度可由路基工作區(qū)的深度參考確定。對(duì)于低填淺挖路基，更是如此。

（1）路基工作區(qū)與換填深度的關(guān)系示意圖

圖2　

其中Za為路基工作區(qū)的厚度（包含路面厚度）；h為路基高度；Ze為路面結(jié)構(gòu)換算為路基土的當(dāng)量厚度；hc為路基換填深度；h1為路面結(jié)構(gòu)厚度。

則路基換填深度：hc=Za-h-（Ze-h1）

（2）路基工作區(qū)的計(jì)算公式為：

式中：Za為路基工作區(qū)的厚度（包含路面厚度）；P為車輪荷載；n為系數(shù)（建議一級(jí)及一級(jí)以上等級(jí)的道路，n取0.1，二級(jí)及二級(jí)以下等級(jí)的道路，n取0.2）；γ為土的容重。

從上式可以看出，P越重，Za越深。同時(shí)考慮到車輛在實(shí)際運(yùn)行中，超載的現(xiàn)象普遍存在，因此應(yīng)考慮車輛超載對(duì)路基工作區(qū)的影響。

對(duì)于一級(jí)及一級(jí)以上等級(jí)的道路（n取0.1），選取單軸雙輪與標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN、130kN和160kN四種軸載，取γ=18kN/m3，分別可算出不同的路基工作區(qū)深度，且軸載越重，路基工作區(qū)深度越深。當(dāng)取P=100kN時(shí)，Za=3.02m。

（3）路面結(jié)構(gòu)換算為路基土的當(dāng)量厚度的確定

選取典型的半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)，以一級(jí)及一級(jí)以上等級(jí)的道路為例，路面結(jié)構(gòu)采用4cm細(xì)粒式改性瀝青混凝土AC-13C+ 6cm中粒式瀝青混凝土AC-20C+8cm粗粒式瀝青混凝土AC-25C+16cm 5％水泥穩(wěn)定碎石（彎拉強(qiáng)度4.5MPa）+16cm 5％水泥穩(wěn)定碎石（彎拉強(qiáng)度4.0MPa）+20cm 4％水泥穩(wěn)定碎石（彎拉強(qiáng)度3.0MPa）。

半剛性路面的當(dāng)量厚度換算公式為：

表1　

故h1=0.7m；1=1300MPa；E0=30MPa；Ze=2.19m。

由上式可以看出，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)的平均回彈模量越大，半剛性路面的當(dāng)量厚度就越大，則路基工作區(qū)在路床以下土基中的深度就越小，路基換填深度就越小。

（4）路基換填深度的計(jì)算

取一級(jí)及一級(jí)以上等級(jí)道路，重交通等級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN典型半剛性路面結(jié)構(gòu)為例，路基換填深度hc=Za-h-（Ze-h1）=Za-Ze-h+h1=0.83-h+0.7=1.53-h（h為路基高度，h1為路面結(jié)構(gòu)厚度）。由此可得，當(dāng)路基填高越高，路基換填深度越小。

5　結(jié)論

在進(jìn)行軟基換填處理時(shí)，對(duì)于非高壓縮性土層（α1-2≥0.5MPa-1）而言，同一等級(jí)道路在相同土基模量下，路基換填深度可由路基工作區(qū)深度計(jì)算而得，當(dāng)路基填高越高，路基換填深度可相應(yīng)減小，同時(shí)要盡量保證路基工作區(qū)各土層的壓實(shí)度要求。

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U416.1

A

1673-0038（2015）29-0313-02

2015-4-25

朱杰（1983-），女，工程師，本科，主要從事道路設(shè)計(jì)工作。