路基工作區(qū)計算的應用實例

路基工作區(qū)計算的應用實例湯鋒華;安永福;吳祖德【摘要】自從《公路路基設計規(guī)范》(JTGD30-2015)[1]定義了路基工作區(qū)以后，再加上利用按層狀體系理論編制的殼牌瀝青路面設計軟件BISAR3.0,代替原來布辛尼斯克公式計算路基工作區(qū)(該公式計算的路基工作區(qū)太小,有誤)，在實踐中有了較多的應用,有關經驗可供相關專業(yè)人員參考.【期刊名稱】《城市道橋與防洪》【年(卷)，期】2018(000)001【總頁數】5頁(P163-167)【關鍵詞】路基工作區(qū)計算;軟件BISAR3.0;應用實例【作者】湯鋒華;安永福;吳祖德【作者單位】常州市交通規(guī)劃設計院有限公司，江蘇常州213022;常州市交通規(guī)劃設計院有限公司，江蘇常州213022;常州市交通規(guī)劃設計院有限公司，江蘇常州213022【正文語種】中文【中圖分類】U416.10引言在道路工程中，路基工作區(qū)的計算可以幫助我們解決很多的問題，利用BISAR3.0軟件，可以計算在不同軸載、不同的瀝青混凝土結構下、不同路基深度的輪載的應力分布情況。工作了幾十年后，現在能計算出來了，把它比喻成：好像讓我們戴上了“X光眼鏡”、好像讓我們擁有了孫悟空的“火眼金睛”，把地底下的荷載應力，看得一清二楚。下面就把在實際工作中的應用情況作一介紹。1按層狀體系理論編制的軟件BISAR3.0按層狀體系理論編制的軟件BISAR3.0計算的路基工作區(qū)，基本與實際情況相符，對照原來布辛尼斯克公式計算結果太小、有誤。某高速公路瀝青路面，在軸重100kN、120kN作用下，兩種計算方法的路基工作區(qū)位置比較圖［2］，見圖1。2現行《城市道路路基設計規(guī)范》(CJJ194-2013)揭示現行《城市道路路基設計規(guī)范》(CJJ194-2013)［3］城市次干路支路的挖方路塹路基路床的壓實深度0.3m的規(guī)定，存在深度不足的問題。《公路路基設計規(guī)范》(JTGD30-2015)2.1.5路基工作區(qū)汽車荷載通過路面?zhèn)鞯铰坊膽εc路基土自重應力之比大于0.1的應力分布深度范圍。圖1某高速公路軸重100kN、120kN兩種方法計算路基工作區(qū)位置比較圖該規(guī)范首次提出了新的標準，應該是和挖方路基路床壓實深度是有同等含義的。過去都用布辛尼斯克公式計算的路基工作區(qū)偏小、有誤，現在都用層狀體系理論來計算汽車荷載通過路面?zhèn)鞯铰坊膽?，計算的路基工作區(qū)要比原來的大，與實際相符［6,7］，見表1。路基工作區(qū)次干路為91cm，支路為105cm。實際上，路基工作區(qū)就是要求路床的壓實深度，已經大大超出30cm。實踐中也有經驗，支路未到設計使用年限，路基沉陷，路面損壞，也是與施工時的壓實深度不夠有關。表1常州市各級瀝青路面路基工作區(qū)深度(標準軸載100kN)注：詳見圖5瀝青支路在軸載100kN時的應力分布、圖6瀝青次干路在軸載100kN時的應力分布。瀝青路面級別支路次干路主干路1快速路路基回彈模量/MPa262630348=0.10路基工作區(qū)深度/cm-105-91-80-82結論：城市次干路支路的挖方路基路床壓實深度要求，應參照《公路路基設計規(guī)范》(JTGD30-2015)三、四級公路鋪筑瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面時，其壓實度應采用二級公路壓實度標準。就是輕、中等及重交通路床壓實深度為80cm,特重、極重交通路床壓實深度為120cm。3揭示有的路面結構可直接設置在原狀土層上的原理揭示有的路面結構可直接設置在原狀土層上的原理，路基不用壓實，在當地已經有多年的歷史了。為了加快施工進度，與常規(guī)做法不同，做到少挖、不挖，把用在下面翻挖的費用，做水泥混凝土剛性基層，施工快，又方便。上面再加半剛性的水泥穩(wěn)定碎石增強層，然后鋪筑10~12cm的瀝青混凝土路面。此種結構形式屬于創(chuàng)新結構，尚無見有文獻介紹，也沒有見規(guī)范有此內容。過去僅是設計、施工單位憑經驗進行過工程上的運用，沒有理論上的分析和計算。這次分析出，屬于零路基工作區(qū)的路面結構，路面結構直接放置在原狀土上，不需要進行壓實處理。是因為路基土只承受自重荷載，其基本不承受車輪荷載應力，或是車輪荷載應力與自重應力之比基本接近小于0.1，可以忽略不計［1］。(注：道路對路基工作區(qū)進行壓實處理，是因為輪載(活載)要進入該部分，而是無數次的，為了不使其壓縮變形，而采取的措施：壓實)零路基工作區(qū)的路面結構一般適用范圍：城市里的街道新建或改建，做灰土基層，會影響兩邊的揚塵衛(wèi)生；城市里地下水位較高，挖下去就要見水；綠化帶改造成瀝青混凝土路面，狹長地帶很難下挖做土基處理；有時老路改造，地下管線錯綜復雜，不宜下挖做土基處理，來提高土基回彈模量，也不宜翻挖來達到土基壓實度的要求；路塹路基中，有兩邊的坡面荷載，路基不宜下挖太深，以免造成路槽塌方。舉例：零路基工作區(qū)的路面結構，見表2、圖2。表2零路基工作區(qū)的瀝青路面結構組成表注：設計使用年限20a,累計交通量Ne=5x106次。序號路面材料及路基土材料厚度/m材料名抗壓回彈模量/MPa泊松比AC-13C14000.350.042AC-20C12000.350.063水泥穩(wěn)定碎石15000.200.364水泥混凝土C30（彎拉強度4.0MPa）270000.150.2551路基土150.35-圖2軸重100kN水泥穩(wěn)定碎石和水泥混凝土結合組成雙層板的瀝青路面結構的路基工作區(qū)圖所解出的路基工作區(qū)為2cm，接近為0。該種結構的路面可直接修筑在原狀土上，路基不需要壓實，見表3。零路基工作區(qū)的路面結構，除要滿足該路面結構按設計軸載計算的路基工作區(qū)接近為零外，還要滿足第二個條件：該種路面結構的強度滿足設計軸載在設計交通量條件下的計算強度要求［4,5,8,9］。4路基工作區(qū)深度對設計軸載超過標準軸載100kN時，當路面結構厚度確定后，可按需要通過的汽車軸載，計算出其路基工作區(qū)深度，就是該路路基要壓實的深度。如：三聯軸單軸重140kN的路基工作區(qū)計算示例，見表4及圖3、圖4。表3零路基工作區(qū)的四個算例（按標準設計軸載100kN）算例1：全部為水泥混凝土剛性基層的瀝青路面算例2:由水泥穩(wěn)定碎石和水泥混凝土結合組成雙層板的瀝青路面算例3：全部為水泥混凝土剛性基層的水泥混凝土路面算例4:全部為水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層的瀝青路面4cmAC-13C4cmAC-13C22cm水泥混凝土（彎拉強度5.0MPa）4cmAC-13C6cmAC-20C6cmAC-20C25cm水泥混凝土（彎拉強度4.0MPa）6cmAC-20C45cm水泥混凝土（彎拉強度4.0MPa)36cm水泥穩(wěn)定碎石85cm水泥穩(wěn)定碎石土基回彈模量E0=15E0MPa25cm水泥混凝土(彎拉強度4.0MPa)土基回彈模量E0=15MPa土基回彈模量E0=15MPa土基回彈模量E0=15MPa經計算路基工作區(qū)深度在路狀頂面下2.21m處。5求出標準軸載在瀝青路面結構的土基中的應力分布規(guī)律及其應力值求出標準軸載在瀝青路面結構的土基中的應力分布規(guī)律及其應力值。如：求算常州市各類瀝青路面在標準軸載100kN時的路基中的應力分布，見圖5~圖8。小結：圖3三聯軸單軸重140kN的路基工作區(qū)圖圖4三聯軸荷載分布圖(單軸重140kN計算點為D點)表4三聯軸單軸重140kN的路基工作區(qū)計算表路基點號oz/oB(8)材料名抗壓回彈模量/MPa泊松比路面材料及路基土材料厚度/m路面頂面下深度/m路床頂面下深度/m層狀體系荷載應力oz/kPa自重應力oB/kPa自重應力計算公式1809.7002AC-13C14000.350.040.04789.30.9223x0.043AC-20C12000.350.080.12528.02.76+23x0.084水穩(wěn)碎石15000.200.360.48533.010.68+22x0.365低標水穩(wěn)13000.200.200.6816.115.08+22x0.206路基土400.35(0.32)1.00-0.3212.720.84+18x0.32(0.50)1.50-0.829.829.84+18x0.50(0.50)2.00-1.327.838.84+18x0.50(0.50)2.50-1.826.347.84+18x0.500.1316(0.50)3.00-2.325.256.84+18x0.500.09140(1)有了瀝青路面結構層后，荷載應力大部分有路面結構層承擔，傳到路基中的應力已經很小了，見表5。圖5瀝青支路在軸戴100kN時的應力分布圖6瀝青次干路在軸戴100kN時的應力分布圖7瀝青主干路在軸戴100kN時的應力分布圖8瀝青快速路在軸戴100kN時的應力分布表5各級瀝青路面路基工作區(qū)深度及頂面、底面總應力值瀝青路面級別支路次干路主干路1快速路路基回彈模量/MPa262630348=0.10路基工作區(qū)深度/cm-105-91-80-82頂面總應力/kPa21.6221.0822.3323.10底面總應力/kPa35.3030.0233.1434.24路面結構厚，傳到路基中的應力會變小。路面結構厚，所需路基工作區(qū)會變小。當已定路面結構的路基工作區(qū)深度不滿足要求時，可以用增加路面厚度來減小路基工作區(qū)深度，滿足要求。路基工作區(qū)內，按規(guī)范要求為經過壓實的路基土，主要的是滿足了變形要求，不使路面損壞。路基工作區(qū)以下的土基，所受土的自重應力和活載附加應力，一般總應力為35.30kPa，應力值不高，可以進行天然地基的應力和變形計算，來滿足規(guī)范要求。經過驗算，可以看出路基土為淤泥質粉質粘土：，各級瀝青路面的不同深度處的荷載應力值是都能滿足。但由于其壓縮模量較低：，所以當路堤填土較多及其厚度較大時，要驗算沉降量是否滿足規(guī)范要求。6修正的布辛尼斯克公式計算路基工作區(qū)揭示布辛尼斯克公式存在的問題，用修正的布辛尼斯克公式計算路基工作區(qū)。經過試算，發(fā)現布辛尼斯克公式在計算無路面時的各級汽車荷載的路基工作區(qū)深度與按彈性層狀體系理論的軟件BISAR3.0計算的完全相同，見表6。表6兩種方法計算的各級荷載下路基土工作區(qū)深度對照表(n=10)注：兩種方法計算的結果是幾乎完全相同。荷載/kN100120130140160200220按布辛尼斯克公式計算237252262265281298313按BISAR3.0程序計算237253262269281297311采用修正m=4.85開方次數的布辛尼斯克公式，計算柔性路面工作區(qū)深度，比采用BISAR3.0程序計算路基工作區(qū)的方法步驟簡單，經過驗證，可使修正后的布辛尼斯克公式得到實際的應用。7路基工作區(qū)的深度采用人造硬殼層處理軟土地基時輪載在土基中的應力分布，求出路基工作區(qū)的深度。由于硬殼層的回彈模量比原土基E0=34MPa大很多，在工作區(qū)以上部分，荷載應力比原土基的應力大，也可看出硬的土層會受到的應力大。工作區(qū)以下部分，荷載應力比原土基的應力小，約為50%?；旧显谟矚右韵碌耐粱?，荷載應力值很小。有硬殼層時，工作區(qū)深度為-89.2cm，無硬殼層時為-90cm，小0.8cm，基本相同（由于硬殼層的存在，使傳到硬殼層以下的土基中的應力值很小），見圖9、圖10。圖9后軸軸重100kN時主干道在帶硬殼層的〃荷載應力、自重應力曲線及工作區(qū)深度位置圖人造硬殼層厚1.50m，就可以使標準軸載100kN的路基工作區(qū)包含在內。人造硬殼層的良好經濟效益[10,11]:如對于150mx36m的路基，采用水泥土攪拌樁，設計樁長應該穿透淤泥層，這里取15m，樁徑設計為50cm，樁距1.2m,造價144.73萬元，工期約為20d；而采用水泥淺層固化構造〃人工硬殼層”工藝，造價為58.5萬元，工期為10d，每處理1000m2的軟土地基，采用水泥摻拌工藝大約可以節(jié)約10~15萬元，工期節(jié)約一半，由此帶來的經濟效益是顯而易見的。圖10后軸軸重100kN時主干道原來沒有硬殼層的〃荷載應力、自重應力曲線及工作區(qū)深度位置圖8結語通過以上介紹，路基工作區(qū)的計算，在實際工作中運用，可以看出是很需要。以上僅為拋磚引玉，希望同行都來交流、介紹。參考文獻：JTGD30-2015,公路路基設計規(guī)范[S].黃曉明.《路基路面工程》課程的問題討論[Z].2013.CJJ194-2013,城市道路路基設計規(guī)范[S].JTGD50-2006,公路瀝青路面設計規(guī)范[S].CJJ169-2012,城鎮(zhèn)道路路面設計規(guī)范[S].李聰,官盛飛.瀝青路面路基工作區(qū)深度分析[J].交通科學與工程,20