公路路基工作区深度和路基压实的探讨

孔祥峰

(中国土木工程集团有限公司 北京 100038)

1 前言

路基主要受到两种荷载作用，分别是自重(静荷载)和汽车荷载(动荷载)[1]，与道路的沥青混凝土面层、基层、垫层共同承担汽车的荷载。受静荷载和动荷载的影响，在一定深度内路基是受压状态[2]。汽车的荷载影响主要位于公路路基的工作区内，正确的设计、施工应使公路路基在荷载作用下，处于弹性变形状态，汽车行驶后，路基土恢复原状，保证路基相对不变形[3]22，不引起路面的破坏。

路基承载力的不足是导致路面沉陷、结构性车辙等道路病害的主要原因[4]，路基强度、稳定性、刚度直接关系行车的安全，因此需确定出路基工作区深度以及对路基做好相应的压实处理。

2 路基工作区深度的计算

2.1 路基工作区的定义

在路基某一深度处，汽车荷载对路基所产生的影响与路基自重对路基产生的影响相比，显得比较小，在此界限深度以外，动荷载所产生的应力影响可忽略不计。将此段深度内的区域作为汽车荷载的影响区即路基工作区。根据《公路设计手册》规定[3]23:汽车荷载所产生的应力为σ动，路基自重所产生的应力为σ静，σ动/σ静＝1/n，在一定深度处当1/n很小时，不超过1/n＝1/10～1/5[5]，即动应力与路基自重应力相比可以忽略不计，由此可以得到动应力分布深度，称此分布深度为路基工作区Za。

现行规范:“汽车荷载通过路面传递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称为路基工作区”[6]2。

2.2 两种荷载计算

(1)在路基深度Z处，自重所产生的应力σ静为:

式中，γ为路基土的容重(kN/m3)；Z为垂直深度(m)。

(2)根据J.Baussinesq的推导公式，视路基土体为弹性半空间体，则汽车荷载在路基中所产生的垂直应力σ动为:

式中，k为系数，k＝3/2π≈0.5；P为车轮荷载(kN)；Z为汽车荷载作用下的竖直深度(m)。

荷载产生的应力在土中的分布见图1。

由图1可知，随路基深度的增大，汽车荷载产生的动载应力逐渐减小，在工作区范围以外，动载应力对路基的影响也相应减小。为了确保在反复的动荷载作用下，路基保持稳定，应使工作区路基处于弹性应力状态，仅产生较小的累计变形，因此需要对工作区范围内的路基施工进行严格控制，既保证填料满足CBR值强度要求，同时施工中也要控制路基压实度。

图1 路基土的应力分布

2.3 路基工作区深度的计算

根据路基工作区的定义，可得:

由式(3)可得路基工作区深度Za:

式中，n为系数，根据路基工作区的定义，取n＝5或n＝10(建议对二级及以上道路取10，以下道路取5)[7]。

由式(4)可见，路基工作区的深度与汽车荷载的关系为正相关，荷载越大，路基的工作区深度越大[8]；与路基土容重成负相关，路基的压实度越大，土的容重越大，路基的工作区深度相应减小。工作区范围内的路基稳定性和强度是路面结构强度、稳定性的重要保证。工作区路基应选择合格的填土，应严格控制路基的压实度。

2.4 路面当量厚度的计算

路面结构由垫层、基层、沥青混凝土面层组成，材料特性各异，为非均质体，其强度、容重均比填土大。工作区在土基中深度受结构层影响，随其强度增大而减小[9]，随其厚度增大而减小。因此要相对精确地计算工作区在土基中的深度，需要将各层厚度进行折算，换算成与路基土同性质的当量厚度。

当量厚度计算公式[10]为:

式中，Ze为当量厚度(m)；hi和Ei分别为结构层厚度(m)和回弹模量(MPa)；E0为路基土的回弹模量(MPa)；m为系数，沥青混凝土路面m＝2.5[3]24。

图2 工作区深度

如图2所示，h为路堤填土高度，动荷载在路基土中的影响深度为Za-Ze，当土Za-(Zeh1)＞h时(h1为结构层厚度)，汽车荷载作用于原地基的上部土层和路堤；对路堑、零填路基而言，汽车荷载全部作用于天然土层之中[11]。

3 示例计算

现举例说明路基工作区深度和路面结构层当量厚度的计算，示例采用尼日利亚典型路面结构形式-交通主干道和社区道路两种路面结构，荷载采用双轮组单轴载100 kN[12-13](即车轮荷载P＝100/2＝50 kN)。

3.1 城市交通主干道路基工作区计算

主干道路面结构模型计算参数见表1。

表1 主干道典型路面结构及力学参数

由式(4)可得路基工作区深度Za，道路结构属于尼日利亚交通主干道，建议系数n取10进行计算:

由式(5)可得沥青路面结构层的当量厚度Ze，计算结果见表2。

表2 路面结构的累计当量厚度结果值

则工作区作用于路基土中的深度为:

由于尼日利亚的交通运输以公路运输为主，且路政部门对道路的管理较为松散，繁忙的主干道普遍存在着交通流量大、超载频繁的现象，故增加轴载120 kN、轴载130 kN、轴载140 kN作为超载工况进行计算，结果见表3。

表3 各工况下路基工作区深度

由表3计算可知，当填土高度小于路基工作区在路基中的深度时，行车荷载将作用于天然路基上。随着荷载的增大，动应力的影响深度也是逐渐增大，当道路结构确定且施工完成投入使用时，车辆的超载将使路基的设计工作区深度小于实际深度，未经处理的路基强度不足，从而将会导致路基产生朔性变形积累，破坏道路的稳定性，缩短道路的使用寿命。

3.2 社区道路路基工作区计算

社区道路路面结构模型计算参数见表4。

表4 社区道路典型路面结构及力学参数

由式(4)可得路基工作区深度Za，道路结构属于社区道路，建议系数n取5进行计算:

由式(5)可得沥青路面结构层的当量厚度Ze，计算结果见表5。

表5 路面结构的累计当量厚度结果值

则工作区作用于路基土中的深度为:

由以上计算可知，参照《公路路基设计规范》(JTGD 30-2015)中关于等级道路压实规定，在低路堤、零填和路堑地段，仅控制路床范围(0～80 cm)内的填土压实，是无法满足路基的稳定性要求的，特别是社区道路多数情况下排水设施堵塞，又有尼当地雨季时间长雨量大的情况，随着经济的发展，车流量和荷载逐渐增加，尼当地社区道路损坏严重。

4 路基压实控制的探讨

对于填土高度大于工作区位于路基中深度的路堤，施工时根据设计标高，选择合格的填料并分层填筑，按照中国规范规定的路床(0～0.8 m)和路堤(上路堤0.8～1.5 m，下路堤1.5 m以下)压实度标准控制进行压实，在标准轴载下，以此标准填筑的路基用于尼日利亚公路是合理的。

对于路堑、零填路基，汽车荷载的影响作用到天然路基上，按照《公路工程技术标准》规定，二级及以上等级公路仅对0～80 cm的路床进行处理，控制路床压实度和基底的压实度[14]。根据示例的计算结果，在标准轴载下，仅对路床范围内的填土进行处理，无法满足路基的稳定性要求，考虑到尼日利亚交通流量日益增长和荷载的增大，需要对工作区内超挖，然后进行分层填筑压实；考虑到尼日利亚雨季时间长雨量大，排水设施要设置完善并及时疏通清理，使路基免受雨水侵蚀，保持干燥或中湿状态。

此外，根据路基基底压实规定，“一般土质路基地段，二级及以上公路基底的压实度(重型)不应小于90%；三四级公路不应小于85%”[6]11，在尼日利亚进行公路的施工，建议根据交通量和行车荷载的不同，合理选用基底压实标准并满足当地要求。

半填半挖路基应采取措施(如填方部分提高压实度标准)使路基工作区范围内的挖填土体处于共同受力的状态[15]，在强度和稳定性方面达到均衡。

当天然土质不适宜做路基填料时，如软基、杂填土、腐殖土时，应选用合格的填料进行路基换填或采取其他措施进行处置。

5 结束语

(1)路基工作区在土基中深度与路面结构组成、荷载大小、路基土的回弹模量和容重均有一定关系，针对尼日利亚的道路特点，在道路结构和厚度确定的情况下，选用合格的路基填土，对实际交通荷载情况进行分析，合理确定设计轴载，计算路基工作区的深度。路堤工作区深度内的土基分层回填压实，对于零填和路堑地段需按计算工作区深度进行超挖，并在道路投标中考虑相应工程量的增加。

(2)根据道路各地段工作区在天然土层中的深度以及纵断面的填挖设计，编制压实度控制表格，指导路基的压实施工，保证土基的压实效果，提高施工质量。

(3)对于零填和路堑路基地段，其受行车荷载和水作用的影响明显，除应按照工作区深度做压实度控制外，施工时应提前做好土质和地下水位的调查，采取挖边沟、盲沟、铺设防水土工布等方法，使路基处于干燥或中湿状态；天然土为软土或其他不适宜填料时，应采取路基换填或采取改良措施，并以工作区深度作为换填控制深度。

(4)路基填土前要规划好压实层数和每层压实厚度，避免路基填筑中贴薄层现象的出现，以保证路基的施工质量。

(5)尼日利亚的道路路面结构和厚度根据道路等级不同已基本确定，缺少必要的路面结构层厚度设计(即结构层厚度应同时满足以道路弯沉值和沥青层的疲劳抗裂要求)，其质量控制以对道路填料和弯沉值控制为主，受当地经济发展影响，短期内难以对道路结构和厚度有较大的调整，要保证路基的稳定性和减少道路病害，除对工作区深度进行压实控制及施工中采用正确的施工工艺外，建议开展对沥青混凝土的研究，即在现行路面结构不变的情况下，开展沥青混凝土的材料选用和各成分的配比研究，提高路面的抗裂性能，减少沥青混凝土因疲劳开裂导致雨水侵入路基的情形，防止产生道路病害，延长道路的使用寿命。