路基工作区计算的应用实例

汤锋华，安永福，吴祖德

（常州市交通规划设计院有限公司，江苏 常州 213022）

0 引言

在道路工程中，路基工作区的计算可以帮助我们解决很多的问题，利用BISAR3.0软件，可以计算在不同轴载、不同的沥青混凝土结构下、不同路基深度的轮载的应力分布情况。工作了几十年后，现在能计算出来了，把它比喻成：好像让我们戴上了“x光眼镜”、好像让我们拥有了孙悟空的“火眼金睛”，把地底下的荷载应力，看得一清二楚。下面就把在实际工作中的应用情况作一介绍。

1 按层状体系理论编制的软件BISAR3.0

按层状体系理论编制的软件BISAR3.0计算的路基工作区，基本与实际情况相符，对照原来布辛尼斯克公式计算结果太小、有误。

某高速公路沥青路面，在轴重100 kN、120 kN作用下，两种计算方法的路基工作区位置比较图[2]，见图1。

2 现行《城市道路路基设计规范》（CJJ 194-2013）

揭示现行《城市道路路基设计规范》（CJJ 194-2013）[3]城市次干路支路的挖方路塹路基路床的压实深度0.3 m的规定，存在深度不足的问题。

《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）2.1.5路基工作区汽车荷载通过路面传到路基的应力与路基土自重应力之比大于0.1的应力分布深度范围。

该规范首次提出了新的标准，应该是和挖方路基路床压实深度是有同等含义的。过去都用布辛尼斯克公式计算的路基工作区偏小、有误，现在都用层状体系理论来计算汽车荷载通过路面传到路基的应力，计算的路基工作区要比原来的大，与实际相符[6,7]，见表 1。

路基工作区次干路为91 cm，支路为105 cm。实际上，路基工作区就是要求路床的压实深度，已经大大超出30 cm。实践中也有经验，支路未到设计使用年限，路基沉陷，路面损坏，也是与施工时的压实深度不够有关。

表1 常州市各级沥青路面路基工作区深度（标准轴载100 kN）

结论：城市次干路支路的挖方路基路床压实深度要求，应参照《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）三、四级公路铺筑沥青混凝土路面和水泥混凝土路面时，其压实度应采用二级公路压实度标准。就是轻、中等及重交通路床压实深度为80 cm，特重、极重交通路床压实深度为120 cm。

3 揭示有的路面结构可直接设置在原状土层上的原理

揭示有的路面结构可直接设置在原状土层上的原理，路基不用压实，在当地已经有多年的历史了。

为了加快施工进度，与常规做法不同，做到少挖、不挖，把用在下面翻挖的费用，做水泥混凝土刚性基层，施工快，又方便。上面再加半刚性的水泥稳定碎石增强层，然后铺筑10～12 cm的沥青混凝土路面。此种结构形式属于创新结构，尚无见有文献介绍，也没有见规范有此内容。过去仅是设计、施工单位凭经验进行过工程上的运用，没有理论上的分析和计算。这次分析出，属于零路基工作区的路面结构，路面结构直接放置在原状土上，不需要进行压实处理。是因为路基土只承受自重荷载，其基本不承受车轮荷载应力，或是车轮荷载应力与自重应力之比基本接近小于0.1，可以忽略不计[1]。（注：道路对路基工作区进行压实处理，是因为轮载（活载）要进入该部分，而是无数次的，为了不使其压缩变形，而采取的措施：压实）

零路基工作区的路面结构一般适用范围：

（1）城市里的街道新建或改建，做灰土基层，会影响两边的扬尘卫生；

（2）城市里地下水位较高，挖下去就要见水；

（3）绿化带改造成沥青混凝土路面，狭长地带很难下挖做土基处理；

（4）有时老路改造，地下管线错综复杂，不宜下挖做土基处理，来提高土基回弹模量，也不宜翻挖来达到土基压实度的要求；

（5）路塹路基中，有两边的坡面荷载，路基不宜下挖太深，以免造成路槽塌方。

举例：零路基工作区的路面结构，见表2、图2。

表2 零路基工作区的沥青路面结构组成表

图2 轴重100 kN水泥稳定碎石和水泥混凝土结合组成双层板的沥青路面结构的路基工作区图

所解出的路基工作区为2 cm，接近为0。该种结构的路面可直接修筑在原状土上，路基不需要压实，见表3。

零路基工作区的路面结构，除要满足该路面结构按设计轴载计算的路基工作区接近为零外，还要满足第二个条件：该种路面结构的强度满足设计轴载在设计交通量条件下的计算强度要求[4，5，8，9]。

4 路基工作区深度

对设计轴载超过标准轴载100 kN时，当路面结构厚度确定后，可按需要通过的汽车轴载，计算出其路基工作区深度，就是该路路基要压实的深度。

如：三联轴单轴重140 kN的路基工作区计算示例，见表4及图3、图4。

经计算路基工作区深度在路状顶面下2.21 m处。

5 求出标准轴载在沥青路面结构的土基中的应力分布规律及其应力值

求出标准轴载在沥青路面结构的土基中的应力分布规律及其应力值。

如：求算常州市各类沥青路面在标准轴载100 kN时的路基中的应力分布，见图5～图8。

小结：

图3 三联轴单轴重140 kN的路基工作区图

图4 三联轴荷载分布图（单轴重140 kN计算点为D点）

表4 三联轴单轴重140 kN的路基工作区计算表

（1）有了沥青路面结构层后，荷载应力大部分有路面结构层承担，传到路基中的应力已经很小了，见表5。

图5 沥青支路在轴載100 kN时的应力分布

图6 沥青次干路在轴載100 kN时的应力分布

图7 沥青主干路在轴載100 kN时的应力分布

图8 沥青快速路在轴載100 kN时的应力分布

表5 各级沥青路面路基工作区深度及顶面、底面总应力值

（2）路面结构厚，传到路基中的应力会变小。

（3）路面结构厚，所需路基工作区会变小。当已定路面结构的路基工作区深度不满足要求时，可以用增加路面厚度来减小路基工作区深度，满足要求。

（4）路基工作区内，按规范要求为经过压实的路基土，主要的是满足了变形要求，不使路面损坏。

（5）路基工作区以下的土基，所受土的自重应力和活载附加应力，一般总应力为 35.30 kPa，应力值不高，可以进行天然地基的应力和变形计算，来满足规范要求。经过验算，可以看出路基土为淤泥质粉质粘土：，各级沥青路面的不同深度处的荷载应力值是都能满足。但由于其压缩模量较低：，所以当路堤填土较多及其厚度较大时，要验算沉降量是否满足规范要求。

6 修正的布辛尼斯克公式计算路基工作区

揭示布辛尼斯克公式存在的问题，用修正的布辛尼斯克公式计算路基工作区。

经过试算，发现布辛尼斯克公式在计算无路面时的各级汽车荷载的路基工作区深度与按弹性层状体系理论的软件BISAR3.0计算的完全相同，见表6。

表6 两种方法计算的各级荷载下路基土工作区深度对照表（n=10）

采用修正m=4.85开方次数的布辛尼斯克公式，计算柔性路面工作区深度，比采用BISAR3.0程序计算路基工作区的方法步骤简单，经过验证，可使修正后的布辛尼斯克公式得到实际的应用。

7 路基工作区的深度

采用人造硬壳层处理软土地基时轮载在土基中的应力分布，求出路基工作区的深度。

由于硬壳层的回弹模量比原土基E0=34 MPa大很多，在工作区以上部分，荷载应力比原土基的应力大，也可看出硬的土层会受到的应力大。工作区以下部分，荷载应力比原土基的应力小，约为50%。基本上在硬壳层以下的土基中，荷载应力值很小。有硬壳层时，工作区深度为-89.2 cm，无硬壳层时为-90 cm，小0.8 cm，基本相同（由于硬壳层的存在，使传到硬壳层以下的土基中的应力值很小），见图 9、图 10。

图9 后轴轴重100 kN时主干道在带硬壳层的“荷载应力、自重应力曲线及工作区深度位置图

人造硬壳层厚1.50 m，就可以使标准轴载100 kN的路基工作区包含在内。

人造硬壳层的良好经济效益[10,11]：如对于150 m×36 m的路基，采用水泥土搅拌桩，设计桩长应该穿透淤泥层，这里取15 m，桩径设计为50 cm，桩距1.2 m，造价144.73万元，工期约为20 d；而采用水泥浅层固化构造“人工硬壳层”工艺，造价为58.5万元，工期为10 d，每处理1 000 m2的软土地基，采用水泥掺拌工艺大约可以节约10～15万元，工期节约一半，由此带来的经济效益是显而易见的。

图10 后轴轴重100 kN时主干道原来没有硬壳层的“荷载应力、自重应力曲线及工作区深度位置图

8 结语

通过以上介绍，路基工作区的计算，在实际工作中运用，可以看出是很需要。以上仅为抛砖引玉，希望同行都来交流、介绍。

[1]JTG D30-2015,公路路基设计规范[S].

[2]黄晓明.《路基路面工程》课程的问题讨论[Z].2013.

[3]CJJ 194-2013,城市道路路基设计规范[S].

[4]JTG D50-2006,公路沥青路面设计规范[S].

[5]CJJ 169-2012,城镇道路路面设计规范[S].

[6]李聪,官盛飞.沥青路面路基工作区深度分析[J].交通科学与工程,2011,27(2):11-15.

[7]黄琴龙,凌建明.路基工作区的确定方法研究[J].同济大学学报（自然科学版）,2011,39(4):551-555.

[8]JTG D40-2011,公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[9]陈拴发,杨斌,马庆雷,等.水泥混凝土路面沥青加铺层设计与施工[M].北京:人民交通出版社,2011.

[10]沈学芳,曾惠芬,王子龙.“人造硬壳层”在灌东新材料产业园道路软基处理中的应用研究[J].城市道桥与防洪,2015(5):32-34.

[11]王新.公路路基硬壳层在工程实践中的特性利用研究[J].交通世界（工程·技术）,2014(3):14-15.