路基壓實度不足對路基路面結(jié)構(gòu)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(chǔ)設(shè)施，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中發(fā)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(dǎo)致道路發(fā)生結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)置試驗路段

為了更好地研究、更加清晰地體現(xiàn)路基壓實度不足對路基路面結(jié)構(gòu)性能的影響，現(xiàn)以某公路工程為例，設(shè)置路基壓實度不足區(qū)域作為試驗區(qū)，并選擇正常區(qū)域作為對照區(qū)。具體來講，試驗區(qū)施工中，路基填筑時，開挖一個尺寸為1 m×1 m×1 m的區(qū)域，鋪設(shè)防水土工布，然后進(jìn)行回填作業(yè)，分5層回填，路基土厚度為20 cm，使用小型氣夯進(jìn)行夯實，壓實度設(shè)定為80%。回填完成后，按照設(shè)計圖對路面各結(jié)構(gòu)層進(jìn)行正常施工。在路面結(jié)構(gòu)、路基頂面的相應(yīng)位置埋設(shè)測試元件，包括鋼筋應(yīng)變計用于對路面結(jié)構(gòu)底層的動應(yīng)變進(jìn)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(jìn)行檢測[2]。試驗區(qū)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(yè)；第三步，路基土回填作業(yè)；第四步，壓實度控制；第五步，基層與精加工層鋪設(shè)；第六步，再次將基層與精加工層清理干凈。

2 路面結(jié)構(gòu)底層的動應(yīng)變測試

2.1 埋設(shè)測試元件

為了更好地分析車輛動荷載作用下面層拉應(yīng)力、拉應(yīng)變以及荷載之間的關(guān)系，將鋼筋應(yīng)變計埋設(shè)在試驗區(qū)、對照區(qū)的混凝土路面結(jié)構(gòu)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(tài)下的軸重如表1所示。該次試驗，是使車輛在超載狀態(tài)下進(jìn)行測試，行車速度為20 km/h，通過次數(shù)為3次。

表1 試驗車輛軸重 /kN

2.3 試驗結(jié)果

在開展試驗的過程中，采集試驗區(qū)、對照區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)，將因為測試元件損壞而無法收集到有效數(shù)據(jù)的點(diǎn)位去除，得到了試驗車輛超載狀態(tài)下路面結(jié)構(gòu)底層的動應(yīng)變測試結(jié)果。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 路面結(jié)構(gòu)底層的動應(yīng)變測試結(jié)果 /με

2.4 結(jié)果分析

對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：首先，不同部位路面結(jié)構(gòu)底層所承受的應(yīng)力狀態(tài)也有一定差異，1#、2#、5#測試元件測得的數(shù)據(jù)均為負(fù)值，說明該處路面結(jié)構(gòu)底層為受壓狀態(tài)；3#測試元件測得的數(shù)據(jù)均為正值，說明該處路面結(jié)構(gòu)底層為受拉狀態(tài)。其次，試驗車超載狀態(tài)下，試驗區(qū)前輪的動應(yīng)變不高于105.63 με，后輪的動應(yīng)變不高于 266.47 με；對照組前輪的動應(yīng)變不高于38.24 με，后輪的動應(yīng)變不高于132.15 με。這組數(shù)據(jù)顯示，不管是試驗區(qū)還是對照區(qū)，后輪動應(yīng)變普遍在前輪動應(yīng)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(jìn)而嚴(yán)重影響路面結(jié)構(gòu)性能。對試驗區(qū)進(jìn)行勘查發(fā)現(xiàn)，試驗區(qū)周圍裂縫數(shù)量要比對照區(qū)多，其原因在于路基壓實度不足的區(qū)域，應(yīng)力要大于正常區(qū)域，從而誘發(fā)不均勻沉降現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)[3]。最后，試驗區(qū)2#測試元件與對照區(qū)5#測試元件對應(yīng)。試驗區(qū)2#測試元件測得的數(shù)據(jù)顯示前輪動應(yīng)變最大值為105.63 με，對照區(qū)5#測試元件測得的數(shù)據(jù)顯示前輪動應(yīng)變最大值為38.24 με，兩者相差67.39 με，試驗區(qū)動應(yīng)變最大值約為對照組的2.8倍；試驗區(qū)2#測試元件測得的數(shù)據(jù)顯示后輪動應(yīng)變最大值為266.47 με，對照區(qū)5#測試元件測得的數(shù)據(jù)顯示后輪動應(yīng)變最大值為132.15 με，兩者相差134.32 με，試驗區(qū)動應(yīng)變最大值約為對照組的2倍。試驗車輛超載狀態(tài)下，試驗區(qū)與對照區(qū)路面結(jié)構(gòu)底層動應(yīng)變數(shù)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(yīng)變產(chǎn)生較大的影響。對現(xiàn)場情況進(jìn)行勘查發(fā)現(xiàn)，相較于正常區(qū)域，路基壓實度不足區(qū)域的水泥面板板底脫空現(xiàn)象更加嚴(yán)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(qū)域，路基壓實度不足區(qū)域的沉降現(xiàn)象更加嚴(yán)重[4]。

3 路基頂面與基層頂面的動土壓力測試

3.1 埋設(shè)測試元件

將土壓力盒埋設(shè)在試驗區(qū)、對照區(qū)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(tài)下的軸重如表1所示。該次試驗，是在車輛處于超載狀態(tài)下進(jìn)行測試，行車速度為20 km/h，通過次數(shù)為3次，對動土壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

3.3 試驗結(jié)果

在開展試驗的過程中，采集試驗區(qū)、對照區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)，將因為測試元件損壞而無法收集到有效數(shù)據(jù)的點(diǎn)位去除，得到了試驗車輛超載狀態(tài)下路基頂面、基層頂面動土壓力測試結(jié)果。具體數(shù)據(jù)見表3。

3.4 結(jié)果分析

對表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：首先，試驗車輛超載狀態(tài)下，在試驗區(qū)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(qū)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(tài)下產(chǎn)生的動土壓力與車輛軸重為正相關(guān)關(guān)系。同時，這便是車輛超載嚴(yán)重的情況下，道路路面結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞時間較早、損壞程度更嚴(yán)重的原因所在[5]。其次，試驗車輛超載狀態(tài)下，在對照區(qū)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(qū)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(tài)下，對照區(qū)的動土壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于試驗區(qū)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(qū)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(qū)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(yīng)。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(qū)壓力動土最大值約為對照區(qū)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(qū)壓力動土最大值約為對照區(qū)的11倍?；鶎禹斆娴膭油翂毫?，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(qū)壓力動土最大值約為對照區(qū)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(qū)壓力動土最大值約為對照區(qū)的8倍。超載狀態(tài)下，試驗區(qū)與對照區(qū)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(chǎn)生明顯的影響[7]。

表3 路基頂面、基層頂面動土壓力測試結(jié)果 /kPa

3.5 動土壓力與軸重、車輛荷載作用位置的關(guān)系

首先，動土壓力與軸重的關(guān)系。采集對照區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)，以14#測試元件為例開展5次平行試驗，并根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，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(yīng)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(jù)，對動土壓力與軸重之間的關(guān)系進(jìn)行分析。根據(jù)圖1可知，軸重與路基頂面的動土壓力存在著一定的聯(lián)系，兩者近乎呈線性關(guān)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(guān)系。采集對照區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)，以位于同一橫斷面上的三個測試元件的測試結(jié)果為根據(jù)，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(yīng)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(jù)，對動土壓力與車輛荷載作用位置之間的關(guān)系進(jìn)行分析。根據(jù)圖3可知，試驗車輛超載狀態(tài)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(cè)逐漸降低，動土壓力最大值約為最小值的3倍。對現(xiàn)場情況進(jìn)行勘查發(fā)現(xiàn)，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(fù)作用下路基發(fā)生沉陷，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)[8]。

圖2 試驗車輛超載狀態(tài)下路基頂面動土壓力（上：前輪；下：后輪）

4 結(jié)論

綜上所述，通過設(shè)置試驗區(qū)、對照區(qū)，在路面結(jié)構(gòu)、路基頂面的相應(yīng)位置埋設(shè)測試元件，對路面結(jié)構(gòu)底層的動應(yīng)變、路基頂面與基層頂面的動土壓力進(jìn)行檢測，將試驗結(jié)果總結(jié)如下：

（1）相比較于正常區(qū)域，路基壓實度不足區(qū)域路面結(jié)構(gòu)底層的動應(yīng)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(qū)域的數(shù)倍，可見路基壓實度不足會在很大程度上影響路基路面結(jié)構(gòu)性能，路基壓實度不足周圍容易出現(xiàn)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(guān)。

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