路基工作區(qū)計(jì)算的應(yīng)用實(shí)例

路基工作區(qū)計(jì)算的應(yīng)用實(shí)例湯鋒華;安永福;吳祖德【摘要】自從《公路路基設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)軟件BISAR3.0,代替原來布辛尼斯克公式計(jì)算路基工作區(qū)(該公式計(jì)算的路基工作區(qū)太小,有誤)，在實(shí)踐中有了較多的應(yīng)用,有關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)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(shù)】5頁(P163-167)【關(guān)鍵詞】路基工作區(qū)計(jì)算;軟件BISAR3.0;應(yīng)用實(shí)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(shè)計(jì)院有限公司，江蘇常州213022;常州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇常州213022;常州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)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(jì)算可以幫助我們解決很多的問題，利用BISAR3.0軟件，可以計(jì)算在不同軸載、不同的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)下、不同路基深度的輪載的應(yīng)力分布情況。工作了幾十年后，現(xiàn)在能計(jì)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(yīng)力，看得一清二楚。下面就把在實(shí)際工作中的應(yīng)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(jì)算的路基工作區(qū)，基本與實(shí)際情況相符，對(duì)照原來布辛尼斯克公式計(jì)算結(jié)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(jì)算方法的路基工作區(qū)位置比較圖［2］，見圖1。2現(xiàn)行《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ194-2013)揭示現(xiàn)行《城市道路路基設(shè)計(jì)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(shí)深度0.3m的規(guī)定，存在深度不足的問題?！豆仿坊O(shè)計(jì)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?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。圖1某高速公路軸重100kN、120kN兩種方法計(jì)算路基工作區(qū)位置比較圖該規(guī)范首次提出了新的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該是和挖方路基路床壓實(shí)深度是有同等含義的。過去都用布辛尼斯克公式計(jì)算的路基工作區(qū)偏小、有誤，現(xiàn)在都用層狀體系理論來計(jì)算汽車荷載通過路面?zhèn)鞯铰坊膽?yīng)力，計(jì)算的路基工作區(qū)要比原來的大，與實(shí)際相符［6,7］，見表1。路基工作區(qū)次干路為91cm，支路為105cm。實(shí)際上，路基工作區(qū)就是要求路床的壓實(shí)深度，已經(jīng)大大超出30cm。實(shí)踐中也有經(jīng)驗(yàn)，支路未到設(shè)計(jì)使用年限，路基沉陷，路面損壞，也是與施工時(shí)的壓實(shí)深度不夠有關(guān)。表1常州市各級(jí)瀝青路面路基工作區(qū)深度(標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN)注：詳見圖5瀝青支路在軸載100kN時(shí)的應(yīng)力分布、圖6瀝青次干路在軸載100kN時(shí)的應(yīng)力分布。瀝青路面級(jí)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(jié)論：城市次干路支路的挖方路基路床壓實(shí)深度要求，應(yīng)參照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30-2015)三、四級(jí)公路鋪筑瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面時(shí)，其壓實(shí)度應(yīng)采用二級(jí)公路壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)。就是輕、中等及重交通路床壓實(shí)深度為80cm,特重、極重交通路床壓實(shí)深度為120cm。3揭示有的路面結(jié)構(gòu)可直接設(shè)置在原狀土層上的原理揭示有的路面結(jié)構(gòu)可直接設(shè)置在原狀土層上的原理，路基不用壓實(shí)，在當(dāng)?shù)匾呀?jīng)有多年的歷史了。為了加快施工進(jìn)度，與常規(guī)做法不同，做到少挖、不挖，把用在下面翻挖的費(fèi)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(qiáng)層，然后鋪筑10~12cm的瀝青混凝土路面。此種結(jié)構(gòu)形式屬于創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，尚無見有文獻(xiàn)介紹，也沒有見規(guī)范有此內(nèi)容。過去僅是設(shè)計(jì)、施工單位憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行過工程上的運(yùn)用，沒有理論上的分析和計(jì)算。這次分析出，屬于零路基工作區(qū)的路面結(jié)構(gòu)，路面結(jié)構(gòu)直接放置在原狀土上，不需要進(jìn)行壓實(shí)處理。是因?yàn)槁坊林怀惺茏灾睾奢d，其基本不承受車輪荷載應(yīng)力，或是車輪荷載應(yīng)力與自重應(yīng)力之比基本接近小于0.1，可以忽略不計(jì)［1］。(注：道路對(duì)路基工作區(qū)進(jìn)行壓實(shí)處理，是因?yàn)檩嗇d(活載)要進(jìn)入該部分，而是無數(shù)次的，為了不使其壓縮變形，而采取的措施：壓實(shí))零路基工作區(qū)的路面結(jié)構(gòu)一般適用范圍：城市里的街道新建或改建，做灰土基層，會(huì)影響兩邊的揚(yáng)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(zhǎng)地帶很難下挖做土基處理；有時(shí)老路改造，地下管線錯(cuò)綜復(fù)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(dá)到土基壓實(shí)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(jié)構(gòu)，見表2、圖2。表2零路基工作區(qū)的瀝青路面結(jié)構(gòu)組成表注：設(shè)計(jì)使用年限20a,累計(jì)交通量Ne=5x106次。序號(hào)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(qiáng)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(jié)合組成雙層板的瀝青路面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的路面可直接修筑在原狀土上，路基不需要壓實(shí)，見表3。零路基工作區(qū)的路面結(jié)構(gòu)，除要滿足該路面結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)軸載計(jì)算的路基工作區(qū)接近為零外，還要滿足第二個(gè)條件：該種路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)軸載在設(shè)計(jì)交通量條件下的計(jì)算強(qiáng)度要求［4,5,8,9］。4路基工作區(qū)深度對(duì)設(shè)計(jì)軸載超過標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN時(shí)，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)厚度確定后，可按需要通過的汽車軸載，計(jì)算出其路基工作區(qū)深度，就是該路路基要壓實(shí)的深度。如：三聯(lián)軸單軸重140kN的路基工作區(qū)計(jì)算示例，見表4及圖3、圖4。表3零路基工作區(qū)的四個(gè)算例（按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(jié)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(qiáng)度5.0MPa）4cmAC-13C6cmAC-20C6cmAC-20C25cm水泥混凝土（彎拉強(qiáng)度4.0MPa）6cmAC-20C45cm水泥混凝土（彎拉強(qiáng)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(qiáng)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(jīng)計(jì)算路基工作區(qū)深度在路狀頂面下2.21m處。5求出標(biāo)準(zhǔn)軸載在瀝青路面結(jié)構(gòu)的土基中的應(yīng)力分布規(guī)律及其應(yīng)力值求出標(biāo)準(zhǔn)軸載在瀝青路面結(jié)構(gòu)的土基中的應(yīng)力分布規(guī)律及其應(yīng)力值。如：求算常州市各類瀝青路面在標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN時(shí)的路基中的應(yīng)力分布，見圖5~圖8。小結(jié)：圖3三聯(lián)軸單軸重140kN的路基工作區(qū)圖圖4三聯(lián)軸荷載分布圖(單軸重140kN計(jì)算點(diǎn)為D點(diǎn))表4三聯(lián)軸單軸重140kN的路基工作區(qū)計(jì)算表路基點(diǎn)號(hào)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(yīng)力oz/kPa自重應(yīng)力oB/kPa自重應(yīng)力計(jì)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(biāo)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(jié)構(gòu)層后，荷載應(yīng)力大部分有路面結(jié)構(gòu)層承擔(dān)，傳到路基中的應(yīng)力已經(jīng)很小了，見表5。圖5瀝青支路在軸戴100kN時(shí)的應(yīng)力分布圖6瀝青次干路在軸戴100kN時(shí)的應(yīng)力分布圖7瀝青主干路在軸戴100kN時(shí)的應(yīng)力分布圖8瀝青快速路在軸戴100kN時(shí)的應(yīng)力分布表5各級(jí)瀝青路面路基工作區(qū)深度及頂面、底面總應(yīng)力值瀝青路面級(jí)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(yīng)力/kPa21.6221.0822.3323.10底面總應(yīng)力/kPa35.3030.0233.1434.24路面結(jié)構(gòu)厚，傳到路基中的應(yīng)力會(huì)變小。路面結(jié)構(gòu)厚，所需路基工作區(qū)會(huì)變小。當(dāng)已定路面結(jié)構(gòu)的路基工作區(qū)深度不滿足要求時(shí)，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(nèi)，按規(guī)范要求為經(jīng)過壓實(shí)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(yīng)力和活載附加應(yīng)力，一般總應(yīng)力為35.30kPa，應(yīng)力值不高，可以進(jìn)行天然地基的應(yīng)力和變形計(jì)算，來滿足規(guī)范要求。經(jīng)過驗(yàn)算，可以看出路基土為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：，各級(jí)瀝青路面的不同深度處的荷載應(yīng)力值是都能滿足。但由于其壓縮模量較低：，所以當(dāng)路堤填土較多及其厚度較大時(shí)，要驗(yàn)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(jì)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(jì)算路基工作區(qū)。經(jīng)過試算，發(fā)現(xiàn)布辛尼斯克公式在計(jì)算無路面時(shí)的各級(jí)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(jì)算的完全相同，見表6。表6兩種方法計(jì)算的各級(jí)荷載下路基土工作區(qū)深度對(duì)照表(n=10)注：兩種方法計(jì)算的結(jié)果是幾乎完全相同。荷載/kN100120130140160200220按布辛尼斯克公式計(jì)算237252262265281298313按BISAR3.0程序計(jì)算237253262269281297311采用修正m=4.85開方次數(shù)的布辛尼斯克公式，計(jì)算柔性路面工作區(qū)深度，比采用BISAR3.0程序計(jì)算路基工作區(qū)的方法步驟簡(jiǎn)單，經(jīng)過驗(yàn)證，可使修正后的布辛尼斯克公式得到實(shí)際的應(yīng)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(shí)輪載在土基中的應(yīng)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(yīng)力比原土基的應(yīng)力大，也可看出硬的土層會(huì)受到的應(yīng)力大。工作區(qū)以下部分，荷載應(yīng)力比原土基的應(yīng)力小，約為50%?；旧显谟矚右韵碌耐粱?，荷載應(yīng)力值很小。有硬殼層時(shí)，工作區(qū)深度為-89.2cm，無硬殼層時(shí)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(yīng)力值很?。?，見圖9、圖10。圖9后軸軸重100kN時(shí)主干道在帶硬殼層的〃荷載應(yīng)力、自重應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)軸載100kN的路基工作區(qū)包含在內(nèi)。人造硬殼層的良好經(jīng)濟(jì)效益[10,11]:如對(duì)于150mx36m的路基，采用水泥土攪拌樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)應(yīng)該穿透淤泥層，這里取15m，樁徑設(shè)計(jì)為50cm，樁距1.2m,造價(jià)144.73萬元，工期約為20d；而采用水泥淺層固化構(gòu)造〃人工硬殼層”工藝，造價(jià)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(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的。圖10后軸軸重100kN時(shí)主干道原來沒有硬殼層的〃荷載應(yīng)力、自重應(yīng)力曲線及工作區(qū)深度位置圖8結(jié)語通過以上介紹，路基工作區(qū)的計(jì)算，在實(shí)際工作中運(yùn)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(xiàn)：JTGD30-2015,公路路基設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范[S].JTGD50-2006,公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].CJJ169-2012,城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)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(xué)與工程,20