路基工作区深度与路基换填深度关系分析

朱杰

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司　广东　深圳　518000）

路基工作区深度与路基换填深度关系分析

朱杰

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司广东深圳518000）

简单介绍路基工作区的概念、判定方法、影响因素及计算模型。同时，分析路基换填深度与路基工作区深度之间的关系，提出根据路基工作区深度计算路基换填处理深度的方法，为合理确定非高压缩性土层（α1-2≥0.5MPa-1）路基换填深度提供了理论依据。

路基工作区；路基换填深度

前言

路基是路面的基础，它与路面共同承担行车的作用。路基承载力不足，是路面沉陷、车辙及开裂的主要原因之一。实践证明，没有坚固、稳定的路基，就没有稳固的路面。路基质量的好坏，关系到整个道路的质量及汽车的正常行驶。

一般情况下，路基承受两种荷载：路基路面自重引起的静力荷载和车辆的轮载引起的动力荷载。在这两种荷载的共同作用下，使路基土处于应力状态。由于路基路面材料的弹塑性特征，材料受到的荷载应力越低，其本构关系越接近于弹性状态。道路设计就是通过合理的结构组合设计来控制道路路基的受力情况，使路基材料尽可能处于弹性状态，以保证在行车的反复作用下不产生过多的形变累计。

在路基的某一深度处，车辆荷载引起的应力与路基自重引起的应力相比只占一小部分（1/5～1/10），在此深度以下，车辆荷载对土基的作用影响很小，可以忽略不计。将此深度Za范围内的路基称为路基工作区。

1　路基工作区深度的判定方法

结合以往的研究成果，路基工作区深度的判定方法主要有以下几种：

（1）路基土只产生弹性变形，不产生塑性变形。

（2）车辆轮载引起的附加应力与路基的自重应力的比值（不超过1/10～1/5）。

（3）路基土所受到的垂直应力小于土的屈服强度。

目前，我国大多采用第二种方法作为评判标准，计算附加应力和自重应力所采用的弹性层状体系理论，计算简便，可操作性强，是一种最简单有效的方法。

2　路基工作区深度的影响因素

影响路基工作区深度的主要因素有：路面结构的强度和厚度、车型及车辆轴载和路基回弹模量。

3　附加应力计算模型

利用弹性层状体系理论的BISAR 3.0软件，计算车辆荷载反复作用下路基深度方向的附加应力，计算模型如图1所示。

图1　附加应力计算模型

其中x为车轴方向，y为行车方向，z为路基深度方向。参照规范要求，轮载采用双圆均布荷载，单轮传压面当量圆半径按下式计算：

式中：δ为单轮传压面当量圆半径；P为单轮轮重；p为轮胎接地压力。

视路面结构为多层弹性体系，hi、μi、Ei（其中i为路面结构层数）分别为第i层结构的厚度、泊松比和抗压回弹模量，通过试算，路基竖向附加应力最大位置在原点处。

4　路基换填深度与路基工作区深度之间的关系

软土地基上道路路基的设计主要包括沉降计算、稳定验算。对于非高压缩性土层（α1-2≥0.5MPa-1）而言，路面设计使用年限内的残余沉降（工后沉降）基本都满足规范要求。故对于高填路堤，地基为非高压缩性土层（α1-2≥0.5MPa-1）而言，地基处理的深度可由路基工作区的深度参考确定。对于低填浅挖路基，更是如此。

（1）路基工作区与换填深度的关系示意图

图2　

其中Za为路基工作区的厚度（包含路面厚度）；h为路基高度；Ze为路面结构换算为路基土的当量厚度；hc为路基换填深度；h1为路面结构厚度。

则路基换填深度：hc=Za-h-（Ze-h1）

（2）路基工作区的计算公式为：

式中：Za为路基工作区的厚度（包含路面厚度）；P为车轮荷载；n为系数（建议一级及一级以上等级的道路，n取0.1，二级及二级以下等级的道路，n取0.2）；γ为土的容重。

从上式可以看出，P越重，Za越深。同时考虑到车辆在实际运行中，超载的现象普遍存在，因此应考虑车辆超载对路基工作区的影响。

对于一级及一级以上等级的道路（n取0.1），选取单轴双轮与标准轴载100kN、130kN和160kN四种轴载，取γ=18kN/m3，分别可算出不同的路基工作区深度，且轴载越重，路基工作区深度越深。当取P=100kN时，Za=3.02m。

（3）路面结构换算为路基土的当量厚度的确定

选取典型的半刚性沥青路面结构，以一级及一级以上等级的道路为例，路面结构采用4cm细粒式改性沥青混凝土AC-13C+ 6cm中粒式沥青混凝土AC-20C+8cm粗粒式沥青混凝土AC-25C+16cm 5％水泥稳定碎石（弯拉强度4.5MPa）+16cm 5％水泥稳定碎石（弯拉强度4.0MPa）+20cm 4％水泥稳定碎石（弯拉强度3.0MPa）。

半刚性路面的当量厚度换算公式为：

表1　

故h1=0.7m；1=1300MPa；E0=30MPa；Ze=2.19m。

由上式可以看出，当路面结构的平均回弹模量越大，半刚性路面的当量厚度就越大，则路基工作区在路床以下土基中的深度就越小，路基换填深度就越小。

（4）路基换填深度的计算

取一级及一级以上等级道路，重交通等级，标准轴载100kN典型半刚性路面结构为例，路基换填深度hc=Za-h-（Ze-h1）=Za-Ze-h+h1=0.83-h+0.7=1.53-h（h为路基高度，h1为路面结构厚度）。由此可得，当路基填高越高，路基换填深度越小。

5　结论

在进行软基换填处理时，对于非高压缩性土层（α1-2≥0.5MPa-1）而言，同一等级道路在相同土基模量下，路基换填深度可由路基工作区深度计算而得，当路基填高越高，路基换填深度可相应减小，同时要尽量保证路基工作区各土层的压实度要求。

[1]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.

[2]刘丽.上海重载道路路基工作区深度的计算分析.路基工程，2012，6.

[3]肖鹏.道路路基工作区与路基路面结构分析[J].华东公路，1996，5：39～ 41.

[4]交通部第二公路勘察设计院.公路设计手册路基（第二版）[M].北京：人民交通出版社，1996.

[5]《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）[S].北京：人民交通出版社，2004.

[6]《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2006）[S].北京：人民交通出版社，2006.

[7]毛爱民.路基换填深度的计算与探讨.山西建筑，2009.

[8]牛录彩.路基工作区深度与路基压实控制的分析.路基工程，2010（6）.

U416.1

A

1673-0038（2015）29-0313-02

2015-4-25

朱杰（1983-），女，工程师，本科，主要从事道路设计工作。