公路路基工作區深度的研究

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)

通過對路基工作區的討論，計算了純土基和考慮路面結構的路基工作區深度，對比傳統公式和Bisar軟件的計算結果，討論了純土基情況下的路基工作區深度，而對考慮路面結構的路基工作區深度，通過考慮半剛性基層的作用，采用不同的開放系數進行換算，得到了更加符合實際情況的工作區深度，從而為提高道路整體的強度和穩定性奠定了良好的基礎。

路基工作區，強度，穩定性，路面結構，開放系數

0 引言

路基和路面是公路中的主要工程結構物，路基是路面的基礎，路基的堅固及穩定是保障路面能夠長期承受行車荷載的前提。當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構層內部產生應變、應力以及位移。如果路基的強度及穩定性不足，那么路面就會產生相應的病害，從而使整個道路結構失去足夠的承載能力和服務水平。因此，保證路基的強度和穩定性是提高道路通行質量的重中之重。車輛荷載對路基的作用隨深度的增加而呈現遞減趨勢，在一定范圍內，在路基內部產生的應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，因此在路基設計的過程中，應當保證這一深度范圍內路基的強度和穩定性，而路基工作區恰好是衡量這一問題的關鍵指標。

1 路基工作區的概念

現行路基工作區的定義是：在路基的某一深度處，車輛荷載引起的垂直應力與路基土自重力引起的垂直應力之比僅為1/10～1/5，那么該深度范圍內的路基就稱為路基工作區[1]。在路基工作區深度內，路基的強度和穩定性對保障路面結構正常使用有著很大的作用，因此對該部分的路基應當保證足夠的壓實度。對于路基工作區深度的確定方法，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，取0.1～0.2；Za為路基工作區深度，m。

2 不考慮路面結構的路基工作區深度的確定

以典型路面結構為例，利用公式計算單軸雙輪組標準軸載為100 kN下的路基工作區深度，所選路面結構和計算結果如表1和表2所示。

表1 路面結構參數

表2 路基內部不同深度處應力計算結果

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

采用有限元軟件Bisar3.0對上述路面結構進行計算，其結果如表3所示。

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

車輛荷載所產生的豎向應力隨著深度的增加而呈現遞減趨勢，且在0.8 m范圍內衰減幅度較大，當超過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力在0.8 m范圍內均小于理論公式計算所得的結果，但隨著深度的增加，兩者之間的差異逐漸變得微小。路基土的自重應力隨著深度的增加而成線性增加，只要按照規范上的要求分層填筑路基，并保證足夠的壓實度，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度與穩定性是有利的。當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與Bisar軟件計算出來的結果相差不大，說明對于沒有鋪面結構的路基工作區應力的計算，兩種方法所得到的結果是一致的[2]。

表3 路基內部不同深度處應力計算結果(Bisar)

3 考慮路面結構的路基工作區深度的確定

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

(5)

其中，hi為路面各結構層厚度，cm；Ze為換算后當量厚度，cm；Ei為路面各結構層抗壓材料模量，MPa；E0為土基回彈模量，MPa。

路面結構層當量換算見表4。

表4 路面結構層當量換算(開放系數2.5)

通過對以上路面結構層的換算，總換算厚度為150.16 cm，因此對含路面結構的路基工作區深度如表5所示。

從表5可以看出，路面結構對于應力有一定消散作用，從而導致路基工作區變小[4]。車輛荷載作用所產生的路基工作區深度在考慮路面結構時大于路面結構的總厚度，因此導致路基頂面以下0.35 m～0.77 m仍處于路基工作區范圍之內，因此在進行路基設計時，應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傳遞下來的車輛荷載應力。

表5 路基工作區深度(開放系數2.5) m

以上的關于多層柔性路面的換算公式是林宗元在《巖土工程勘察設計手冊》中提出的，其開放系數取值為2.5，但這種取值方式是針對柔性基層進行的換算，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取不同的開放系數[5]?？杉俣ń涍^壓實后的路基為半剛性的結構，根據《公路路基基層施工技術規范》中底基層與基層之間的當量換算公式，將開放系數取值為3.0更符合實際的情況，再次對路面結構進行當量換算，經換算后路面結構層的當量總厚度為129.75 cm，比之前采用開放系數2.5時減少了20.41 cm。其路基工作區深度也有相應的改變。

4 結語

1)路基工作區是保證路基強度和穩定性的一個十分關鍵的指標，對于處在路基工作區深度的土基，必須要保證其具有充足的壓實度，路基填料也要達到相應的模量要求。

2)對于純土基的路基工作區，采用傳統公式和Bisar軟件計算所得的結果相差不大，說明傳統公式在計算純土基的路基工作區時，接近實際的真實情況。

3)對于含有鋪面結構的路基工作區，采用當量換算的公式計算時，要考慮基層的類型，對于半剛性基層，采用開放指數為3.0進行計算更符合實際情況。

4)路面結構的組合和材料的模量對應力有一定的消散作用，因此會造成路基工作區深度減小，因此從路基路面的整體結構來考慮，提高路面結構材料性能，合理組合各結構層，保證路基的強度和穩定性，才能延長道路的使用壽命，從而更好的發揮其服務水平。

[1] 鄧學鈞，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深度分析[J].交通科學與工程，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.道路路基工作區與路基路面結構分析[J].華東公路，1996(102):39-41.

[5] 黃琴龍，凌建明.路基工作區的確定方法研究[J].同濟大學學報，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