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        公路路基工作區(qū)深度和路基壓實的探討

        2020-07-28 11:48:54孔祥峰
        鐵道建筑技術(shù) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)層路堤壓實

        孔祥峰

        (中國土木工程集團有限公司 北京 100038)

        1 前言

        路基主要受到兩種荷載作用,分別是自重(靜荷載)和汽車荷載(動荷載)[1],與道路的瀝青混凝土面層、基層、墊層共同承擔汽車的荷載。受靜荷載和動荷載的影響,在一定深度內(nèi)路基是受壓狀態(tài)[2]。汽車的荷載影響主要位于公路路基的工作區(qū)內(nèi),正確的設(shè)計、施工應(yīng)使公路路基在荷載作用下,處于彈性變形狀態(tài),汽車行駛后,路基土恢復(fù)原狀,保證路基相對不變形[3]22,不引起路面的破壞。

        路基承載力的不足是導(dǎo)致路面沉陷、結(jié)構(gòu)性車轍等道路病害的主要原因[4],路基強度、穩(wěn)定性、剛度直接關(guān)系行車的安全,因此需確定出路基工作區(qū)深度以及對路基做好相應(yīng)的壓實處理。

        2 路基工作區(qū)深度的計算

        2.1 路基工作區(qū)的定義

        在路基某一深度處,汽車荷載對路基所產(chǎn)生的影響與路基自重對路基產(chǎn)生的影響相比,顯得比較小,在此界限深度以外,動荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力影響可忽略不計。將此段深度內(nèi)的區(qū)域作為汽車荷載的影響區(qū)即路基工作區(qū)。根據(jù)《公路設(shè)計手冊》規(guī)定[3]23:汽車荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力為σ動,路基自重所產(chǎn)生的應(yīng)力為σ靜,σ動/σ靜=1/n,在一定深度處當1/n很小時,不超過1/n=1/10~1/5[5],即動應(yīng)力與路基自重應(yīng)力相比可以忽略不計,由此可以得到動應(yīng)力分布深度,稱此分布深度為路基工作區(qū)Za。

        現(xiàn)行規(guī)范:“汽車荷載通過路面?zhèn)鬟f到路基的應(yīng)力與路基土自重應(yīng)力之比大于0.1的應(yīng)力分布深度范圍稱為路基工作區(qū)”[6]2。

        2.2 兩種荷載計算

        (1)在路基深度Z處,自重所產(chǎn)生的應(yīng)力σ靜為:

        式中,γ為路基土的容重(kN/m3);Z為垂直深度(m)。

        (2)根據(jù)J.Baussinesq的推導(dǎo)公式,視路基土體為彈性半空間體,則汽車荷載在路基中所產(chǎn)生的垂直應(yīng)力σ動為:

        式中,k為系數(shù),k=3/2π≈0.5;P為車輪荷載(kN);Z為汽車荷載作用下的豎直深度(m)。

        荷載產(chǎn)生的應(yīng)力在土中的分布見圖1。

        由圖1可知,隨路基深度的增大,汽車荷載產(chǎn)生的動載應(yīng)力逐漸減小,在工作區(qū)范圍以外,動載應(yīng)力對路基的影響也相應(yīng)減小。為了確保在反復(fù)的動荷載作用下,路基保持穩(wěn)定,應(yīng)使工作區(qū)路基處于彈性應(yīng)力狀態(tài),僅產(chǎn)生較小的累計變形,因此需要對工作區(qū)范圍內(nèi)的路基施工進行嚴格控制,既保證填料滿足CBR值強度要求,同時施工中也要控制路基壓實度。

        圖1 路基土的應(yīng)力分布

        2.3 路基工作區(qū)深度的計算

        根據(jù)路基工作區(qū)的定義,可得:

        由式(3)可得路基工作區(qū)深度Za:

        式中,n為系數(shù),根據(jù)路基工作區(qū)的定義,取n=5或n=10(建議對二級及以上道路取10,以下道路取5)[7]。

        由式(4)可見,路基工作區(qū)的深度與汽車荷載的關(guān)系為正相關(guān),荷載越大,路基的工作區(qū)深度越大[8];與路基土容重成負相關(guān),路基的壓實度越大,土的容重越大,路基的工作區(qū)深度相應(yīng)減小。工作區(qū)范圍內(nèi)的路基穩(wěn)定性和強度是路面結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定性的重要保證。工作區(qū)路基應(yīng)選擇合格的填土,應(yīng)嚴格控制路基的壓實度。

        2.4 路面當量厚度的計算

        路面結(jié)構(gòu)由墊層、基層、瀝青混凝土面層組成,材料特性各異,為非均質(zhì)體,其強度、容重均比填土大。工作區(qū)在土基中深度受結(jié)構(gòu)層影響,隨其強度增大而減小[9],隨其厚度增大而減小。因此要相對精確地計算工作區(qū)在土基中的深度,需要將各層厚度進行折算,換算成與路基土同性質(zhì)的當量厚度。

        當量厚度計算公式[10]為:

        式中,Ze為當量厚度(m);hi和Ei分別為結(jié)構(gòu)層厚度(m)和回彈模量(MPa);E0為路基土的回彈模量(MPa);m為系數(shù),瀝青混凝土路面m=2.5[3]24。

        圖2 工作區(qū)深度

        如圖2所示,h為路堤填土高度,動荷載在路基土中的影響深度為Za-Ze,當土Za-(Zeh1)>h時(h1為結(jié)構(gòu)層厚度),汽車荷載作用于原地基的上部土層和路堤;對路塹、零填路基而言,汽車荷載全部作用于天然土層之中[11]。

        3 示例計算

        現(xiàn)舉例說明路基工作區(qū)深度和路面結(jié)構(gòu)層當量厚度的計算,示例采用尼日利亞典型路面結(jié)構(gòu)形式-交通主干道和社區(qū)道路兩種路面結(jié)構(gòu),荷載采用雙輪組單軸載100 kN[12-13](即車輪荷載P=100/2=50 kN)。

        3.1 城市交通主干道路基工作區(qū)計算

        主干道路面結(jié)構(gòu)模型計算參數(shù)見表1。

        表1 主干道典型路面結(jié)構(gòu)及力學(xué)參數(shù)

        由式(4)可得路基工作區(qū)深度Za,道路結(jié)構(gòu)屬于尼日利亞交通主干道,建議系數(shù)n取10進行計算:

        由式(5)可得瀝青路面結(jié)構(gòu)層的當量厚度Ze,計算結(jié)果見表2。

        表2 路面結(jié)構(gòu)的累計當量厚度結(jié)果值

        則工作區(qū)作用于路基土中的深度為:

        由于尼日利亞的交通運輸以公路運輸為主,且路政部門對道路的管理較為松散,繁忙的主干道普遍存在著交通流量大、超載頻繁的現(xiàn)象,故增加軸載120 kN、軸載130 kN、軸載140 kN作為超載工況進行計算,結(jié)果見表3。

        表3 各工況下路基工作區(qū)深度

        由表3計算可知,當填土高度小于路基工作區(qū)在路基中的深度時,行車荷載將作用于天然路基上。隨著荷載的增大,動應(yīng)力的影響深度也是逐漸增大,當?shù)缆方Y(jié)構(gòu)確定且施工完成投入使用時,車輛的超載將使路基的設(shè)計工作區(qū)深度小于實際深度,未經(jīng)處理的路基強度不足,從而將會導(dǎo)致路基產(chǎn)生朔性變形積累,破壞道路的穩(wěn)定性,縮短道路的使用壽命。

        3.2 社區(qū)道路路基工作區(qū)計算

        社區(qū)道路路面結(jié)構(gòu)模型計算參數(shù)見表4。

        表4 社區(qū)道路典型路面結(jié)構(gòu)及力學(xué)參數(shù)

        由式(4)可得路基工作區(qū)深度Za,道路結(jié)構(gòu)屬于社區(qū)道路,建議系數(shù)n取5進行計算:

        由式(5)可得瀝青路面結(jié)構(gòu)層的當量厚度Ze,計算結(jié)果見表5。

        表5 路面結(jié)構(gòu)的累計當量厚度結(jié)果值

        則工作區(qū)作用于路基土中的深度為:

        由以上計算可知,參照《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTGD 30-2015)中關(guān)于等級道路壓實規(guī)定,在低路堤、零填和路塹地段,僅控制路床范圍(0~80 cm)內(nèi)的填土壓實,是無法滿足路基的穩(wěn)定性要求的,特別是社區(qū)道路多數(shù)情況下排水設(shè)施堵塞,又有尼當?shù)赜昙緯r間長雨量大的情況,隨著經(jīng)濟的發(fā)展,車流量和荷載逐漸增加,尼當?shù)厣鐓^(qū)道路損壞嚴重。

        4 路基壓實控制的探討

        對于填土高度大于工作區(qū)位于路基中深度的路堤,施工時根據(jù)設(shè)計標高,選擇合格的填料并分層填筑,按照中國規(guī)范規(guī)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)壓實度標準控制進行壓實,在標準軸載下,以此標準填筑的路基用于尼日利亞公路是合理的。

        對于路塹、零填路基,汽車荷載的影響作用到天然路基上,按照《公路工程技術(shù)標準》規(guī)定,二級及以上等級公路僅對0~80 cm的路床進行處理,控制路床壓實度和基底的壓實度[14]。根據(jù)示例的計算結(jié)果,在標準軸載下,僅對路床范圍內(nèi)的填土進行處理,無法滿足路基的穩(wěn)定性要求,考慮到尼日利亞交通流量日益增長和荷載的增大,需要對工作區(qū)內(nèi)超挖,然后進行分層填筑壓實;考慮到尼日利亞雨季時間長雨量大,排水設(shè)施要設(shè)置完善并及時疏通清理,使路基免受雨水侵蝕,保持干燥或中濕狀態(tài)。

        此外,根據(jù)路基基底壓實規(guī)定,“一般土質(zhì)路基地段,二級及以上公路基底的壓實度(重型)不應(yīng)小于90%;三四級公路不應(yīng)小于85%”[6]11,在尼日利亞進行公路的施工,建議根據(jù)交通量和行車荷載的不同,合理選用基底壓實標準并滿足當?shù)匾蟆?/p>

        半填半挖路基應(yīng)采取措施(如填方部分提高壓實度標準)使路基工作區(qū)范圍內(nèi)的挖填土體處于共同受力的狀態(tài)[15],在強度和穩(wěn)定性方面達到均衡。

        當天然土質(zhì)不適宜做路基填料時,如軟基、雜填土、腐殖土?xí)r,應(yīng)選用合格的填料進行路基換填或采取其他措施進行處置。

        5 結(jié)束語

        (1)路基工作區(qū)在土基中深度與路面結(jié)構(gòu)組成、荷載大小、路基土的回彈模量和容重均有一定關(guān)系,針對尼日利亞的道路特點,在道路結(jié)構(gòu)和厚度確定的情況下,選用合格的路基填土,對實際交通荷載情況進行分析,合理確定設(shè)計軸載,計算路基工作區(qū)的深度。路堤工作區(qū)深度內(nèi)的土基分層回填壓實,對于零填和路塹地段需按計算工作區(qū)深度進行超挖,并在道路投標中考慮相應(yīng)工程量的增加。

        (2)根據(jù)道路各地段工作區(qū)在天然土層中的深度以及縱斷面的填挖設(shè)計,編制壓實度控制表格,指導(dǎo)路基的壓實施工,保證土基的壓實效果,提高施工質(zhì)量。

        (3)對于零填和路塹路基地段,其受行車荷載和水作用的影響明顯,除應(yīng)按照工作區(qū)深度做壓實度控制外,施工時應(yīng)提前做好土質(zhì)和地下水位的調(diào)查,采取挖邊溝、盲溝、鋪設(shè)防水土工布等方法,使路基處于干燥或中濕狀態(tài);天然土為軟土或其他不適宜填料時,應(yīng)采取路基換填或采取改良措施,并以工作區(qū)深度作為換填控制深度。

        (4)路基填土前要規(guī)劃好壓實層數(shù)和每層壓實厚度,避免路基填筑中貼薄層現(xiàn)象的出現(xiàn),以保證路基的施工質(zhì)量。

        (5)尼日利亞的道路路面結(jié)構(gòu)和厚度根據(jù)道路等級不同已基本確定,缺少必要的路面結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計(即結(jié)構(gòu)層厚度應(yīng)同時滿足以道路彎沉值和瀝青層的疲勞抗裂要求),其質(zhì)量控制以對道路填料和彎沉值控制為主,受當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展影響,短期內(nèi)難以對道路結(jié)構(gòu)和厚度有較大的調(diào)整,要保證路基的穩(wěn)定性和減少道路病害,除對工作區(qū)深度進行壓實控制及施工中采用正確的施工工藝外,建議開展對瀝青混凝土的研究,即在現(xiàn)行路面結(jié)構(gòu)不變的情況下,開展瀝青混凝土的材料選用和各成分的配比研究,提高路面的抗裂性能,減少瀝青混凝土因疲勞開裂導(dǎo)致雨水侵入路基的情形,防止產(chǎn)生道路病害,延長道路的使用壽命。

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