路基压实度不足对路基路面结构性能的影响

程 浩

（山西省公路局长治分局,山西 长治 046000）

0 引言

公路是一种重要的基础设施，在经济发展过程中发挥着重要的作用。路基压实度不足会引起不均匀沉降，从而导致道路发生结构性病害，降低道路使用性能，影响行车安全[1]。明确路基压实度不足对路基路面结构性能的影响，采取针对性措施，解决路基压实度不足的问题，是提升道路性能的有效措施。

1 设置试验路段

为了更好地研究、更加清晰地体现路基压实度不足对路基路面结构性能的影响，现以某公路工程为例，设置路基压实度不足区域作为试验区，并选择正常区域作为对照区。具体来讲，试验区施工中，路基填筑时，开挖一个尺寸为1 m×1 m×1 m的区域，铺设防水土工布，然后进行回填作业，分5层回填，路基土厚度为20 cm，使用小型气夯进行夯实，压实度设定为80%。回填完成后，按照设计图对路面各结构层进行正常施工。在路面结构、路基顶面的相应位置埋设测试元件，包括钢筋应变计用于对路面结构底层的动应变进行测定、土压力盒用于对路基顶面与基层顶面的动土压力进行检测[2]。试验区的施工流程如下：第一步，将基层与精加工层清理干净；第二步，开挖作业；第三步，路基土回填作业；第四步，压实度控制；第五步，基层与精加工层铺设；第六步，再次将基层与精加工层清理干净。

2 路面结构底层的动应变测试

2.1 埋设测试元件

为了更好地分析车辆动荷载作用下面层拉应力、拉应变以及荷载之间的关系，将钢筋应变计埋设在试验区、对照区的混凝土路面结构底层。

2.2 试验方法

选择二轴六轮货车作为试验车辆。试验车的前后轴距为4 m，空车、满载、超载状态下的轴重如表1所示。该次试验，是使车辆在超载状态下进行测试，行车速度为20 km/h，通过次数为3次。

表1 试验车辆轴重 /kN

2.3 试验结果

在开展试验的过程中，采集试验区、对照区的相关数据，将因为测试元件损坏而无法收集到有效数据的点位去除，得到了试验车辆超载状态下路面结构底层的动应变测试结果。具体数据见表2。

表2 路面结构底层的动应变测试结果 /με

2.4 结果分析

对表2中的数据进行分析：首先，不同部位路面结构底层所承受的应力状态也有一定差异，1#、2#、5#测试元件测得的数据均为负值，说明该处路面结构底层为受压状态；3#测试元件测得的数据均为正值，说明该处路面结构底层为受拉状态。其次，试验车超载状态下，试验区前轮的动应变不高于105.63 με，后轮的动应变不高于 266.47 με；对照组前轮的动应变不高于38.24 με，后轮的动应变不高于132.15 με。这组数据显示，不管是试验区还是对照区，后轮动应变普遍在前轮动应变的2倍以上。这表明，路基压实度不足，会使路基承载性能降低，进而严重影响路面结构性能。对试验区进行勘查发现，试验区周围裂缝数量要比对照区多，其原因在于路基压实度不足的区域，应力要大于正常区域，从而诱发不均匀沉降现象，进而导致裂缝的出现[3]。最后，试验区2#测试元件与对照区5#测试元件对应。试验区2#测试元件测得的数据显示前轮动应变最大值为105.63 με，对照区5#测试元件测得的数据显示前轮动应变最大值为38.24 με，两者相差67.39 με，试验区动应变最大值约为对照组的2.8倍；试验区2#测试元件测得的数据显示后轮动应变最大值为266.47 με，对照区5#测试元件测得的数据显示后轮动应变最大值为132.15 με，两者相差134.32 με，试验区动应变最大值约为对照组的2倍。试验车辆超载状态下，试验区与对照区路面结构底层动应变数值之间存在着较大差距。这表明，路基压实度不足，会给路面面层底面动应变产生较大的影响。对现场情况进行勘查发现，相较于正常区域，路基压实度不足区域的水泥面板板底脱空现象更加严重，同时伴有唧泥病害，其原因在于在车辆荷载与水的双重作用下，相较于正常区域，路基压实度不足区域的沉降现象更加严重[4]。

3 路基顶面与基层顶面的动土压力测试

3.1 埋设测试元件

将土压力盒埋设在试验区、对照区的路基顶面、基层顶面，以测量动土压力。

3.2 试验方法

选择二轴六轮货车作为试验车辆。试验车的前后轴距为4 m，空车、满载、超载状态下的轴重如表1所示。该次试验，是在车辆处于超载状态下进行测试，行车速度为20 km/h，通过次数为3次，对动土压力数据进行采集。

3.3 试验结果

在开展试验的过程中，采集试验区、对照区的相关数据，将因为测试元件损坏而无法收集到有效数据的点位去除，得到了试验车辆超载状态下路基顶面、基层顶面动土压力测试结果。具体数据见表3。

3.4 结果分析

对表3中的数据进行分析：首先，试验车辆超载状态下，在试验区路基顶面，前轮动土压力不大于7.62 kPa，后轮动土压力不大于21.04 kPa；在试验区基层顶面，前轮动土压力不大于8.14 kPa，后轮动土压力不大于17.424 kPa。后轮动压力均为前轮动压力的2倍以上。这表明，试验车辆超载状态下产生的动土压力与车辆轴重为正相关关系。同时，这便是车辆超载严重的情况下，道路路面结构发生损坏时间较早、损坏程度更严重的原因所在[5]。其次，试验车辆超载状态下，在对照区路基顶面，前轮动土压力不大于1.44 kPa，后轮动土压力不大于6.58 kPa；在对照区基层顶面，前轮动土压力不大于1.32 kPa，后轮动土压力不大于3.45 kPa。后轮动压力均为前轮动压力的3倍以上。这表明，同等荷载状态下，对照区的动土压力远远小于试验区的动土压力。其原因可能是路基压实度较高的情况下，荷载对路基造成的冲击影响相对较小[6]。最后，试验区1#测试元件、2#测试元件、3#测试元件、4#测试元件、7#测试元件、9#测试元件与对照区11#测试元件、13#测试元件、16#测试元件、18#测试元件、19#测试元件、21#测试元件一一对应。路基顶面的动土压力，3#测试元件与16#测试元件之间的差别最大，前轮动土压力的最大值相差7.15 kPa[（7.62-0.47）kPa]，试验区压力动土最大值约为对照区的17倍；后轮动土压力的最大值相差19.16 kPa[（21.04-1.88）kPa]，试验区压力动土最大值约为对照区的11倍。基层顶面的动土压力，9#测试元件与21#测试元件之间的差别最大，前轮动土压力的最大值相差7.82 kPa[（8.14-0.32）kPa]，试验区压力动土最大值约为对照区的25倍；后轮动土压力的最大值相差15.35 kPa[（17.42-2.07）kPa]，试验区压力动土最大值约为对照区的8倍。超载状态下，试验区与对照区路基顶面、基层顶面动土压力最大值均存在8倍及以上差距。提示，路基压实度不足会给路基顶面、基层顶面动土压力产生明显的影响[7]。

表3 路基顶面、基层顶面动土压力测试结果 /kPa

3.5 动土压力与轴重、车辆荷载作用位置的关系

首先，动土压力与轴重的关系。采集对照区的相关数据，以14#测试元件为例开展5次平行试验，并根据得到的数据，分析试验车辆速度相同、轴载不同的情况下，车辆荷载在路基顶面的动应力情况，最终得到路基顶面上后轮的动土压力，如图1所示。并以此为根据，对动土压力与轴重之间的关系进行分析。根据图1可知，轴重与路基顶面的动土压力存在着一定的联系，两者近乎呈线性关系，随着轴重的增加，路基顶面动土压力也会增加。

图1 轴重不同的情况下后轮动土压力

其次，动土压力与车辆荷载作用位置的关系。采集对照区的相关数据，以位于同一横断面上的三个测试元件的测试结果为根据，分析试验车辆速度相同的情况下，车辆荷载在路基顶面不同位置的动应力情况，最终得到路基顶面上的动土压力，如图2所示，并以此为根据，对动土压力与车辆荷载作用位置之间的关系进行分析。根据图3可知，试验车辆超载状态下6次行驶的过程中，不管是前轮还是后轮，在车辆荷载作用位置路基顶面承受的动土压力最大，沿两侧逐渐降低，动土压力最大值约为最小值的3倍。对现场情况进行勘查发现，路面裂缝病害主要集中于轮迹带附近，其原因在于车辆荷载重复作用下路基发生沉陷，进而导致裂缝的出现[8]。

图2 试验车辆超载状态下路基顶面动土压力（上：前轮；下：后轮）

4 结论

综上所述，通过设置试验区、对照区，在路面结构、路基顶面的相应位置埋设测试元件，对路面结构底层的动应变、路基顶面与基层顶面的动土压力进行检测，将试验结果总结如下：

（1）相比较于正常区域，路基压实度不足区域路面结构底层的动应变、路基顶面与基层顶面的动土压力均偏大，最大值均为正常区域的数倍，可见路基压实度不足会在很大程度上影响路基路面结构性能，路基压实度不足周围容易出现板底脱空病害。

（2）后轮动土压力大于前轮，车辆轴重与路基顶面动土压力正相关。

（3）车辆荷载作用位置路基顶面承受的动土压力最大，两侧逐渐下降，导致裂缝病害主要出现在轮迹带位置。