高速公路改擴(kuò)建道路舊路基處治深度研究

蔣志琳， 王崇淦， 王思偉

(湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

經(jīng)過多年運(yùn)營(yíng)，舊路基在運(yùn)營(yíng)期間受到環(huán)境水、熱交換等影響，路基含水率逐漸向與當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境平衡的含水率轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致含水率增大，進(jìn)而引起土體整體性逐漸減弱，表現(xiàn)為壓實(shí)度降低、回彈模量下降，導(dǎo)致承載性能不足。針對(duì)上述問題，在新舊路基拼接前，舊路基常采用石灰、水泥等進(jìn)行改良處理。但目前改擴(kuò)建路基處治研究一般偏向于新舊路基拼接時(shí)拼接工藝及減小新舊路基差異沉降等，對(duì)舊路基性能恢復(fù)的處治深度研究較少。舊路基處治一般采用路床全厚范圍處治或只處治上路床30 cm的處理方案。處治深度過小會(huì)達(dá)不到設(shè)計(jì)承載要求，而過大則會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)，如何有效確定改擴(kuò)建道路舊路基處治深度對(duì)即將到來的高速公路改擴(kuò)建大潮具有較大現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)意義。該文以某高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目為依托，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)選取兩種類型土路基，采用貝克曼梁與便攜式落錘彎沉儀(PFWD)進(jìn)行改良前路基頂與改良后不同處治層路基彎沉-回彈模量相關(guān)關(guān)系分析，根據(jù)不同改良層對(duì)彎沉的減小效果確定舊路基處治深度控制標(biāo)準(zhǔn)，并依據(jù)控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)路段處治來驗(yàn)證其可行性。

1 依托工程概況

某改擴(kuò)建高速公路，擬將原單向雙車道擴(kuò)建為單向四車道。原路基為填土路基，土類主要分為黏土質(zhì)砂、含砂低液限黏土兩種。設(shè)計(jì)路床厚度120 cm，將全厚層土路基120 cm均進(jìn)行水泥改良處治，水泥摻量5%。經(jīng)過多年運(yùn)營(yíng)，舊路基壓實(shí)度、回彈模量等指標(biāo)顯著降低，檢測(cè)顯示舊路基表層20 cm壓實(shí)度為70%～90%(采用施工時(shí)最大干密度為標(biāo)準(zhǔn)密度)，遠(yuǎn)小于96%設(shè)計(jì)要求；回彈模量為35～50 MPa，小于60 MPa設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 彎沉和回彈模量檢測(cè)

彎沉檢測(cè)采用傳統(tǒng)貝克曼梁法進(jìn)行，貝克曼梁長(zhǎng)度5.4 m。貝克曼梁法為目前路基彎沉檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法，檢測(cè)彎沉為靜態(tài)彎沉。需配備后軸載重100 kN、胎壓0.7 MPa檢測(cè)車，所需檢測(cè)輔助人員多，檢測(cè)速度慢。目前新修規(guī)范均鼓勵(lì)有條件的情況下優(yōu)先采用自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備換算后進(jìn)行彎沉評(píng)價(jià)，但鑒于各地路基填料原材料、結(jié)構(gòu)層工況等存在較大差異，規(guī)范并未給出統(tǒng)一的換算公式。

回彈模量采用PFWD進(jìn)行測(cè)試，其原理為采用一定質(zhì)量落錘從設(shè)定高度落下，通過直徑30 cm承載板對(duì)檢測(cè)路基路面產(chǎn)生設(shè)定沖擊壓力(一般為0.7 MPa)模擬行車荷載對(duì)路基路面的作用，通過采集路基路面垂直變形，采用設(shè)備內(nèi)置處理軟件換算得出回彈模量。該方法方便快捷、測(cè)值精準(zhǔn)，且所需檢測(cè)人員較少。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 結(jié)合依托工程項(xiàng)目特征，選取兩種土基類型段落各100 m，銑刨原路面結(jié)構(gòu)層至舊路基路床頂面。各段落在兩車道上共布置測(cè)點(diǎn)40個(gè)，分別采用貝克曼梁與PFWD測(cè)試舊路基彎沉與土基回彈模量，建立不同路基土基回彈模量與彎沉的相關(guān)關(guān)系。

(2) 根據(jù)JTG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，改擴(kuò)建項(xiàng)目路基路床厚度設(shè)計(jì)為120 cm。為方便試驗(yàn)研究，各層碾壓厚度取24 cm，共分5層。采用貝克曼梁與PFWD分別測(cè)試每層改良舊路基彎沉與土基回彈模量，建立二者相關(guān)關(guān)系，并對(duì)比研究每層填筑對(duì)彎沉的減小效果。在土基改良完成(以5%水泥進(jìn)行改良，碾壓完成后養(yǎng)生7 d認(rèn)為強(qiáng)度基本成型)后，為保證數(shù)據(jù)的代表性及對(duì)比的有效性，不同層位測(cè)點(diǎn)在同一層厚中心線上，每層選取2～3個(gè)測(cè)點(diǎn)，取其均值(取均值測(cè)點(diǎn)應(yīng)在同一路基縱向斷面上)作為最終測(cè)試彎沉與土基回彈模量。

(3) 采用PFWD測(cè)試未改良舊路基頂面原狀土回彈模量并反算彎沉，根據(jù)反算彎沉與設(shè)計(jì)彎沉之差，結(jié)合每層水泥改良對(duì)彎沉的減小效果確定舊路基處治深度。

3 土基回彈模量與彎沉分析

3.1 未改良舊路基回彈模量與彎沉分析

在兩類路基段落布置測(cè)點(diǎn)，銑刨路面結(jié)構(gòu)層至路基頂面，分別采用貝克曼梁、PFWD測(cè)試舊路基頂面彎沉與土基回彈模量，各段落各布置40個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果及彎沉與回彈模量的相關(guān)關(guān)系見圖1。

圖1 黏土質(zhì)砂、含砂低液限黏土改良前路基頂面彎沉-回彈模量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖1可知：1) 黏土質(zhì)砂、含砂低液限黏土路基頂面彎沉與回彈模量的相關(guān)系數(shù)均在0.93以上，表明二者具有較好的相關(guān)關(guān)系。由于PFWD操作測(cè)試方便、測(cè)值精準(zhǔn)，兩種路基均可采用PFWD代替貝克曼梁進(jìn)行彎沉反算檢測(cè)與評(píng)價(jià)。2) 整體而言，相較于含砂低液限黏土，黏土質(zhì)砂的彎沉小、回彈模量大，且二者擬合方程存在一定差異。表明建立不同類型路基彎沉-回彈模量相關(guān)關(guān)系時(shí)應(yīng)分別進(jìn)行分析，不同項(xiàng)目、不同工況彎沉-回彈模量的相關(guān)關(guān)系并不具有一致性。

3.2 改良后舊路基回彈模量與彎沉分析

在兩種類型路基段落布置測(cè)點(diǎn)，銑刨路面結(jié)構(gòu)層至路基底面，分5層進(jìn)行水泥改良處理，碾壓養(yǎng)生完成后分別采用貝克曼梁與PFWD測(cè)試舊路基頂面彎沉與土基回彈模量。測(cè)試結(jié)果及彎沉與回彈模量的相關(guān)關(guān)系見圖2。

圖2 黏土質(zhì)砂、含砂低液限黏土改良后路基頂面彎沉-回彈模量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖2可知：1) 黏土質(zhì)砂、含砂低液限黏土兩類路基改良后彎沉與回彈模量的相關(guān)系數(shù)均在0.93以上，表明改良土路基亦可采用PFWD代替貝克曼梁進(jìn)行彎沉反算檢測(cè)與評(píng)價(jià)。2) 相較于含砂低液限黏土，改良后黏土質(zhì)砂的彎沉小、回彈模量大，這是由于改良前后黏土質(zhì)砂均具有比含砂低液限黏土較好的抗變形性能。

4 舊路基處治深度確定

4.1 黏土質(zhì)砂路基

對(duì)黏土質(zhì)砂路基試驗(yàn)段分別進(jìn)行不同層(0～5層)水泥改良碾壓施工，然后采用PFWD進(jìn)行回彈模量測(cè)試，根據(jù)圖2反推計(jì)算改良后頂面彎沉。頂面彎沉與水泥改良土層數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖3。由圖3可知：第1層改良土彎沉相對(duì)于原舊路基彎沉減小92(0.01 mm)；第2、3、4、5層彎沉相對(duì)于第1、2、3、4層彎沉分別減小76、68、54、46 (0.01 mm)。

圖3 黏土質(zhì)砂路基改良層數(shù)對(duì)應(yīng)的彎沉

根據(jù)上述彎沉減小規(guī)律，提出表1所示黏土質(zhì)砂舊路基處治深度控制指標(biāo)。

表1 黏土質(zhì)砂舊路基處治深度控制指標(biāo)

4.2 含砂低液限黏土路基

對(duì)含砂低液限黏土路基試驗(yàn)段分別進(jìn)行不同層(0～5層)水泥改良碾壓施工，然后采用PFWD測(cè)試回彈模量，根據(jù)圖2反推計(jì)算改良后頂面彎沉。頂面彎沉與水泥改良土層數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖4。由圖4可知：第1層改良土彎沉相對(duì)于原舊路基彎沉減小120 (0.01 mm)；第2、3、4、5層彎沉相對(duì)于第1、2、3、4層彎沉分別減小79、64、54、35 (0.01 mm)。

根據(jù)上述彎沉減小規(guī)律，提出表2所示含砂低液限黏土舊路基處治深度控制指標(biāo)。

圖4 含砂低液限黏土路基改良層數(shù)對(duì)應(yīng)的彎沉

表2 含砂低液限黏土舊路基處治深度控制指標(biāo)

4.3 處治效果驗(yàn)證

在全線選取部分路段，采用PFWD進(jìn)行回彈模量測(cè)試并反算彎沉，以1 km為一個(gè)施工、評(píng)定單元，雙車道以S形布置40個(gè)測(cè)點(diǎn)，并進(jìn)行彎沉代表值評(píng)定。根據(jù)表1、表2所示處治建議進(jìn)行不同深度舊路基處治，水泥改良處治后再依據(jù)圖2進(jìn)行PFWD彎沉反算以驗(yàn)證處治是否符合設(shè)計(jì)要求。按前述處治建議進(jìn)行不同深度舊路基處置后，試驗(yàn)結(jié)果顯示路基頂面彎沉均小于設(shè)計(jì)彎沉，且彎沉代表值滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)改良后路基彎沉并非遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)彎沉，表明上述舊路基處治方案在保證路基工作性能的基礎(chǔ)上滿足施工經(jīng)濟(jì)性要求，可進(jìn)行推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

以某高速公路改擴(kuò)建工程為依托，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)選取兩種類型土路基，采用貝克曼梁與PFWD進(jìn)行改良前路基頂、改良后不同層路基彎沉-回彈模量相關(guān)關(guān)系分析，根據(jù)不同改良層對(duì)彎沉的減小效果確定舊路基處治深度，得出如下結(jié)論：

(1) 黏土質(zhì)砂、含砂低液限黏土路基在水泥改良前后，貝克曼梁測(cè)試彎沉均與PFWD測(cè)試土基回彈模量具有較好的相關(guān)性，在確定二者相關(guān)關(guān)系后可采用檢測(cè)方便、測(cè)值精準(zhǔn)的PFWD取代檢測(cè)效率較低、人員配備多的貝克曼梁進(jìn)行彎沉測(cè)試，但不同類型土路基、改良前后段落需分別建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2) 根據(jù)各層水泥改良對(duì)彎沉的減小效果，分別制定處治深度為0(無需處治)、24(處治1層)、48(處治2層)、72(處治3層)、96(處治4層)、120 cm(處治5層)舊路基處治控制標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證結(jié)果表明上述方案可有效指導(dǎo)施工。