HPDS 路面計算軟件在結構物基底換填深度中的應用

王禮榮

（中交路橋建設有限公司，北京 100024）

HPDS2017 是根據(jù)現(xiàn)行JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規(guī)范》和JTG D40—2011《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》的有關內(nèi)容編制的路面計算程序[1]，HPDS 程序已在全國400 多個設計院和高校推廣應用，得到一致好評。公路勘察設計項目中，經(jīng)常會遇到很多結構物基礎地基承載力不足的情況，對于淺層（小于3 m）處理大部分采用換填[2]，換填材料一般為透水性好，強度高的材料，但在換填深度方面并沒有統(tǒng)一的一個標準。本文結合HPDS 路面計算程序、路基荷載工作區(qū)應力分析方法以及結構物基底承載力法這三方面對結構物基底換填深度進行比較，并詳細闡述HPDS路面計算軟件在計算換填深度方面的合理性。

1 結構物換填深度一般方法

結構物基底換填一般采用淺層換填處理，并采用級配碎石等透水性好，強度高的材料，但在確定換填具體深度時，由于影響因素較多，往往以經(jīng)驗法為主，缺少量化的計算依據(jù)。一般在設計結構物時會根據(jù)結構物所承受的荷載和基底應力要求，在設計時會首先提出基底應力具體要求。

2 HPDS 路面計算程序

本文利用HPDS 程序把換填土層當成路面結構層進行計算，既把換填土層定位不定厚度層，先確定基底承載力要求，然后進行確定頂面回彈模量和疲勞開裂是否滿足其荷載要求[3]。

3 路基荷載工作區(qū)法

路基工作區(qū)是用來表征荷載對路基的影響范圍的一個指標，通常隨著深度的逐漸變深，路基逐漸不受車輪荷載影響，在路基的某一深度Za處，當車輪荷載引起的垂直應力αz與路基土自重引起的垂直應力αb相比所占比例很小，僅為1/10~1/5 時，該深度Za范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū)。在工作區(qū)范圍內(nèi)的路基，對于支承路面結構和車輪荷載影響較大，在工作范圍以外的路基，影響逐漸減小，路基荷載工作區(qū)深度Za（包含路面厚度），由于路基和路面不是均質體，路面的剛度和重度較路基大，路基工作區(qū)的實際深度隨路面剛度和厚度的增加而減小。為了便于計算，引入瀝青路面當量厚度He[4]，則換填深度H0為

式中：H0為結構物換填深度；Za為路基荷載工作區(qū)深度；He為便于路基工作區(qū)厚度后續(xù)計算將路面折算為與路基同一性質的整體的路面當量厚度；H為結構物凈高或高度；h1為路面結構層厚度。

式中：K為系數(shù)，一般可取0.5；n為系數(shù)，高速公路、一級公路取10，二級公路及以下為5；P為側輪重荷載（kN）；γ 為路基土的重度。

式中：Hi為瀝青路面各結構層厚度（cm）；Ei為瀝青路面結構模量（MPa）；E0為路基頂面綜合模量（MPa）

4 地基承載力特征值法

修正后的地基承載力特征值fa應基于地基承載力特征值fa0，根據(jù)基礎基底埋深、寬度及地基土的類別規(guī)定修正確定。地基承載力特征值fa0宜由載荷試驗或其他原位測試方法實測取得，其值不應大于地基極限承載力的1/2[5]。

式中：fa為修正后的地基承載力特征值（kPa）；b為基礎底面的最小邊寬（m），當b＜2 m 時，取b=2 m，當b＞10 m時，取b=10 m；h-基底埋置深度（m），從自然地面起算，有水流沖刷時自一般沖刷線起算；當h＜3 m 時，取h=3 m；當h/b＞4 時，取h=4b；k1，k2為基底寬度、深度修正系數(shù)，根據(jù)基底持力層土的類別確定；γ1為基底持力層土的天然重度（kN/m3）；γ2為基底以上土層的加權平均重度（kN/m3）。

要求的地基承載力一般在結構物設計時就會給出；結構物基礎尺寸也會確定，包含基礎最小邊寬度和基礎長度；地基土容重和換填材料容重一般會在地勘報告中給出；對于擋墻構造物來說，基礎埋深一般為地面線以下1.5 m 深范圍內(nèi)；地基抗力系數(shù)根據(jù)JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》規(guī)定可取1.25；地基承載力深度修正系數(shù)根據(jù)JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》一般可取1；總體思路是在要求的地基承載力的基礎上扣除到埋深位置的地基土的自重，從而得出墊層底面處附加應力和墊層底面處土的自重應力及墊層底面處承載力特征值，墊層底面處附加應力和墊層底面處土的自重應力兩值之和小于墊層底面處承載力特征值與地基承載力抗力系數(shù)乘積，則說明該換填厚度滿足地基承載力要求，否則應考慮加深換填方案和考慮其他方案，比如擴大基礎和樁基托梁方案。

5 以平招高速項目K3+950—K4+010 段擋墻為例

項目位于桂林市平樂縣、賀州市昭平縣境內(nèi)，路線總體呈南北走向，項目起點位于平樂縣城東側既有平樂服務區(qū)附近，與既有的包茂高速公路銜接，終點位于昭平縣文竹鎮(zhèn)西側，與“橫3 線”賀巴高速公路銜接，同時順接“橫5 線”廣寧經(jīng)蒼梧至昭平段。路線全長53.248 km。

本項目主線采用設計速度100 km/h 的四車道高速公路標準，整體式路基寬度26.0 m，分離式路基寬度2 m×13 m，擋墻典型橫斷面圖如圖1 所示。

圖1 該段擋墻典型橫斷面圖

K3+950—K4+010 段擋墻墻高平均為5 m，擋墻下基底情況坡體主要由粉質黏土與強、中風化粉砂巖組成，產(chǎn)狀NE35°∠29°，節(jié)理裂隙較發(fā)育。粉質黏土層厚0.5~3 m，強風化粉砂巖為2~3.6 m，中風化粉砂巖4~6.3 m，擋墻基底基本坐落在粉質黏土上，粉質黏土承載力基本容許值fa0=130 kPa，擋墻基底承載力要求為250 kPa，基底應采用換填處理。

5.1 土質回彈模量

根據(jù)JTJ 003—86《公路自然區(qū)劃標準》劃分，本項目區(qū)屬中國公路自然區(qū)劃三西、貴州山地過濕區(qū)（Ⅴ3）。根據(jù)瀝青路面使用性能氣候分區(qū)，本項目屬于1-4-1，即夏炎熱冬溫潮濕地區(qū)。根據(jù)本項目交通量及公路的使用要求、性質，并結合氣候、水文、土質、材料，遵循因地制宜、合理選材、方便施工、利于養(yǎng)護的原則進行本路面設計。本項目全線采用瀝青砼路面，設計標準軸載為BZZ－100，路面設計使用年限15 a。路面設計按彎沉和彎拉應力雙控指標進行控制。設計使用年限內(nèi)設計車道累計大型客車和貨車交通量（輛）1.23×107，設計交通荷載等級為重交通等級，土基回彈模量E0≥60 MPa。

5.2 路面結構層

上面層為AC-13C 細粒式（改性）瀝青混凝土4 cm，中面層為AC-20C 中粒式（改性）瀝青混凝土6 cm，下面層AC-25C 粗粒式瀝青混凝土8 cm，基層為水泥穩(wěn)定碎石33 cm，底基層為低劑量水泥穩(wěn)定碎石20 cm，墊層級配碎石20 cm，總厚度為92.0 cm。采用HPDS 路面計算軟件進行路面結構層計算，HPDS 軟件計算窗口如圖2 所示。

圖2 HPDS 計算截圖

通過對設計層厚度取整，最后得到路面結構設計結果見表1。

表1 平招高速路面結構層一覽表

6 利用荷載工作區(qū)法

細粒式瀝青混凝土回彈模量取值1 100 MPa，中粒式瀝青混凝土回彈模量取值1 050 MPa，粗粒式瀝青混凝土回彈模量取值1 000 MPa，水穩(wěn)碎石回彈模量取值750 MPa，低劑量水穩(wěn)碎石回彈模量取值為700 MPa，級配碎石回彈模量取值20 MPa，路基填料碎石土回彈模量取值13 MPa，側輪重荷載取標準軸載100 kN，路基土容重為19 kN/m3。

7 利用地基承載力法

從擋墻基底土層來看，根據(jù)JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》，k1為0，k2為2.5，γ1為19 kN/m3，γ2為18.5 kN/m3，b=3，h=3 修正后地基承載力特征值為

擋墻基底承載力Pk要求為250 kPa，基底粉質黏土地基承載力特征值fa0為130 kPa，基礎矩形基礎寬度b為3 m，矩形基礎長度L=10 m，換填材料重度γa=20 kN/m3，地基土抗力系數(shù)rR=1.25，級配碎石應力擴散角θ=23.3°，地基土平均容重γb為18 kN/m3，基礎埋深h為1.5 m，地基承載力深度修正系數(shù)ηd為1，基底附加應力[6]為

基底以上土層自重為

假設換填厚度H0為1 m，墊層底面處附加應力為

墊層底面處土的自重應力為

墊層底面處承載力特征值為

8 結論

構造物基底承載力不足是現(xiàn)場施工中經(jīng)常遇到的問題。以HPDS 路面計算軟件為主，將換填級配碎石當成最底面的一種路面結構層，以平招高速為例，確定其路基頂面60 MPa 回彈模量，先假設0.95 m 換填深度，計算出設計彎沉值和容許拉應力均能滿足其荷載要求，路基荷載工作區(qū)計算得到的是0.99 m 厚度以及地基承載力特征值法計算得到的厚度是1 m，三者相比較，采用HPDS 程序計算的換填厚度與其他辦法在數(shù)值上相差不大，為工程實踐中提供了既快速又簡便的方法，為其他項目提供借鑒并可以推廣使用。