典型瀝青路面結(jié)構(gòu)路基工作區(qū)深度分析

唐洪軍，宋 偉

（重慶市市政設(shè)計研究院有限公司，重慶 400020）

路基為路面結(jié)構(gòu)自重和交通荷載的承載體，路基土在一定深度范圍處于受壓狀態(tài)。合理的設(shè)計應(yīng)確保路基土所受的力在彈性限度范圍內(nèi)，當(dāng)車輛駛離后，路基恢復(fù)原狀，以保證路基相對穩(wěn)定，不引起路面破壞。文獻(xiàn)[1]將路基工作區(qū)定義為在路基某一深度Za處，車輪荷載引起的垂直應(yīng)力σZ與路基土自重引起的垂直壓應(yīng)力σB之比n大于0.1 的范圍。在路基工作區(qū)內(nèi)，路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性對保證路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性極其重要，對工作區(qū)深度范圍內(nèi)的土質(zhì)選擇、路基壓實(shí)度應(yīng)提出更高的要求。而路基設(shè)計規(guī)范未給出明確定義，導(dǎo)致工程實(shí)踐中確定路基處理深度缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[2]。

同時，隨著車輛載重能力的提高，在役道路承載軸重超過100 kN 較為普遍，達(dá)到150 kN，甚至更大。本文基于標(biāo)準(zhǔn)軸載和文獻(xiàn)[3]實(shí)測的4 種軸載為基礎(chǔ)，并考慮不同荷載下的輪胎實(shí)際接地面積，分別采用彈性半空間體理論、層彈性體系理論計算其路基工作區(qū)深度，并最終給出城市道路路基工作區(qū)深度推薦值。

1 彈性半空間體理論

根據(jù)彈性半空間體理論，假定車輪荷載為一垂直集中荷載，路基為水平方向和深度方向均無限的彈性均質(zhì)半空間體，根據(jù)布辛奈斯克解，豎向應(yīng)力分量σZ的求解如式（1）

如圖1 所示[4]，中心荷載中心點(diǎn)下式（1）中r=0，z=R，可簡化為式（2）

圖1 豎直集中力作用下土體應(yīng)力示意圖[4]

路基土自重引起的垂直壓應(yīng)力σB=γZ，結(jié)合路基工作區(qū)的定義，計算如式（3）

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)并參考文獻(xiàn)[1][5][6]，對于交通荷載等級為重、極重的道路，路面結(jié)構(gòu)典型及材料參數(shù)取值見表1。基于彈性半空間體理論計算出BBZ-100 kN 和文獻(xiàn)[3]實(shí)測的4 種軸載下的路基工作區(qū)深度，結(jié)果見表2。

表1 路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

表2 彈性半空間體理論下各工況的路基工作區(qū)深度

實(shí)際工程中，由于路基路面不是均質(zhì)體，瀝青路面各結(jié)構(gòu)層剛度顯著大于路基土，將路面各結(jié)構(gòu)層按式（4）換算成當(dāng)量路基土厚度。

分析表3 數(shù)據(jù)可知，采用表1 所述典型路面結(jié)構(gòu)，采用布氏理論簡化公式求解，工況1、2 條件下，路基工作區(qū)位于水泥穩(wěn)定碎石基層，工況3、4、5 則位于級配碎石底基層，均與工程實(shí)際不符。

表3 當(dāng)量厚度計算

2 胎-路界面

實(shí)際工程中，車輛軸重、“胎-路”界面形狀均與規(guī)范取值有所差異。文獻(xiàn)[3]通過改變單軸-雙輪組貨車后軸胎壓、軸載、用毫米網(wǎng)格復(fù)寫紙實(shí)測輪胎接地面積進(jìn)行試驗(yàn)。最終發(fā)現(xiàn)：在一定胎壓下，隨軸載的增加，復(fù)寫紙上的胎印越來越清晰，表明接地壓力隨著軸載的增加而增大；胎印寬度沒發(fā)生明顯變化，而胎印長度增加，表明輪胎接地面積隨軸載增加而增加；胎印中間印跡比外圍明顯，表明輪壓為中間大兩邊小的非均勻分布；軸載增加過程中，輪胎氣壓表的讀數(shù)幾乎沒有變化，表明胎壓對軸載變化不敏感。通過實(shí)測的不同胎壓、軸載下的輪胎接地面積，計算出平均接地壓力，擬合了平均接地壓應(yīng)力與軸向荷載、胎壓的回歸方程。通過平均接地壓應(yīng)力可計算出實(shí)際等效圓半徑。當(dāng)胎壓為0.7 MPa 時，軸載、輪胎平均接地面積、等效圓半徑、輪胎接地壓力見表4。

表4 不同工況下荷載參數(shù)及當(dāng)量圓半徑計算結(jié)果

3 層狀彈性體系理論

根據(jù)CJJ 169—2012《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，瀝青路面設(shè)計以雙輪組單軸重100 kN 為標(biāo)準(zhǔn)軸載，采用雙圓垂直均布荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論進(jìn)行計算，計算模型如圖2 所示。計算荷位為圖示B 點(diǎn)和C點(diǎn)，并取兩者垂直壓應(yīng)力的大值作為代表值與σB進(jìn)行比較。

圖2 路面荷載計算點(diǎn)[5]

SHELL 公司開發(fā)的BISAR3.0 程序可以計算垂直及水平荷載作用下層間完全連續(xù)-絕對光滑條件下多層彈性體系的力學(xué)響應(yīng)。本次研究基于BISAR3.0 計算了表4 各工況下路面各結(jié)構(gòu)層層底，以及路基每20 cm 分層層底B、C 兩點(diǎn)的附加應(yīng)力，計算結(jié)果整理見表5。

表5 各工況下路基1.8 m 范圍各點(diǎn)附加應(yīng)力統(tǒng)計表

4 城市道路路基工作區(qū)深度推薦值

基于表5 的計算結(jié)果，選取各工況下σZ/σB=0.1時的路基深度作為該工況下的路基工作區(qū)深度，經(jīng)插值計算，見表6。標(biāo)準(zhǔn)軸載下，若采用典型路面結(jié)構(gòu)，路基工作區(qū)深度為0.84 m，與CJJ 194—2012《城市道路路基設(shè)計規(guī)范》[7]路床深度相差不大，其余4 種超載工況的路基工作區(qū)深度均超過《規(guī)范》所述的路床高度。當(dāng)軸重為150 kN 時，路基工作區(qū)幾乎達(dá)到了1.2 m。這一結(jié)論與JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》[8]相符。

表6 各工況路基工作區(qū)深度

因此，建議按如下原則根據(jù)軸載標(biāo)準(zhǔn)分級取用。

1）交通軸載小于100 kN 的道路，路基工作區(qū)深度取0.8 m。

2）交通軸載小于130 kN 的道路，路基工作區(qū)深度取1 m。

3）交通軸載小于150 kN 的道路，路基工作區(qū)深度取1.2 m。

4）對于承受特殊交通軸載、超載現(xiàn)象嚴(yán)重的貨運(yùn)通道、港區(qū)道路，路基工作區(qū)深度應(yīng)調(diào)查車輛軸載情況并進(jìn)行專門計算。

5 結(jié)論及建議

1）基于彈性半空間體理論的簡化公式，將整個路基看作均一整體，并將路面結(jié)構(gòu)等效轉(zhuǎn)換，無法準(zhǔn)確考慮路面與路基應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)的差異及多軸多輪荷載的應(yīng)力疊加效應(yīng)[9]，計算結(jié)果與實(shí)際工程相差較大。

2）采用層狀彈性體系理論克服了彈性半空間體理論的缺陷，計算的路基工作區(qū)深度接近于真實(shí)狀態(tài)。

3）應(yīng)結(jié)合道路功能定位、交通組成確定路基工作區(qū)深度。對于以通行小客車為主的輕型交通荷載（小于等于100 kN）情況下，路床高度按CJJ 194—2012《城市道路路基設(shè)計規(guī)范》[7]所述80 cm 是合理的；對于超載現(xiàn)象普遍的貨運(yùn)通道、港區(qū)道路等應(yīng)計算路基工作區(qū)深度來確定路床厚度。

4）應(yīng)嚴(yán)格控制路基工作區(qū)施工質(zhì)量，確保填料CBR 值和施工壓實(shí)度滿足規(guī)范要求。對于低填淺挖路基，需嚴(yán)格處理路基工作區(qū)范圍內(nèi)的天然地基，并完善防排水措施。

5）對于在役道路的路面病害整治，應(yīng)在交通組成調(diào)查及荷載分析的基礎(chǔ)上，追根溯源，判斷路面破壞是否因路基病害造成，再制定處治方案。