廣東偏濕土路基彎沉控制方法及試驗驗證

王超， 任天锃

(1.中交四航局 第三工程有限公司， 廣東 湛江 524009；2.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114)

偏濕土在中國南方地區(qū)高速公路建設中極為常見。偏濕土天然含水率偏高，保水性強，不易晾曬，強度低，水穩(wěn)性差，直接填筑路基頂面彎沉較大，難以滿足設計和驗收要求。常用處治手段主要是化學改良或物理改良，大多以工程經(jīng)驗為主，為達到預期效果，需大量鋪筑試驗路，費時耗力，無法實現(xiàn)路基彎沉的精確控制。盧正等通過分析高速公路路基結構，根據(jù)彈性力學理論和傅里葉變換方法，提出了路基頂面變形控制標準和確定方法；鄭健龍等從變形計算、壓實控制和剛度補償三方面對公路膨脹土路基展開研究，確定了路基變形預測與控制方法；鄒靜蓉等以分條分層總和法預估典型剛性路面路基永久變形，分析了路基永久變形的空間分布規(guī)律。

公路路基結構是影響路基彎沉的主要因素，路基各結構層的模量、厚度均會對路基頂面彎沉控制效果產(chǎn)生重大影響。董城等分析水泥改良高液限土動態(tài)回彈模量隨含水率、壓實度和水泥劑量的變化，得到了回彈模量預估模型，為路基結構設計提供參數(shù)；劉正楠等分析了全風化花崗巖路基變形特性，為提高路基整體剛度，提出了路基剛度補償設計方法；黃拓等為減小路基頂面彎沉，分析了路基剛度提升規(guī)律，提出了提高路基剛度的方法；張銳等提出了高液限土路基剛度補償方法，對高液限土路基進行了上路堤與路床的剛度補償設計，保證了路基整體強度和剛度。目前的研究多利用工程經(jīng)驗法，無法實現(xiàn)偏濕土路基彎沉的精確控制。針對以上不足，該文依托廣東廣連(廣州—連州)高速公路，以彈性半空間和彈性雙層體系理論為基礎、彎沉等效為原則，研究廣東偏濕土路基彎沉控制方法。

1 路基彎沉控制方法

以彈性半空間和彈性雙層體系理論為基礎、彎沉等效為原則，以路基頂面彎沉和回彈模量為控制指標、下路堤回彈模量和其上各結構層填筑厚度為計算參數(shù)，通過理論計算，得到上路堤和路床填料所需模量，結合現(xiàn)場填料供應情況，制訂合理的路基填筑方案，并根據(jù)現(xiàn)場施工效果進行動態(tài)調(diào)整。

1.1 理論基礎

偏濕土路基剛度偏低，頂面彎沉較大，一般在其上部填筑高模量材料提升路基整體剛度。將偏濕土路基和上部填筑層視為彈性雙層體系[見圖1(a)]，假定偏濕土路基回彈模量為E0，其上部填筑層填料模量為E1，厚度為h，在層間結合處(z=0)二者位移相等。在剛性承載板垂直荷載作用下，根據(jù)軸對稱彈性雙層理論，其表面豎向位移w為：

圖1 理論計算模型

(1)

在層間結合處(z=0)，w=w0，有：

C1+(2-4μ1)D1]dx=

4μ0)B0+C0+(2-4μ0)D0]dx

(2)

(3)

式中：μi為泊松比；Ei為路基回彈模量(MPa)；q為集中力換算的均布荷載；Jn(x)為n階貝塞爾函數(shù)；x為積分變量；r為距承載板中心的徑向距離(cm)；δ為承載板半徑(cm)；Ai、Bi、Ci、Di為計算參數(shù)，根據(jù)層間結合條件與荷載邊界條件確定；z為距表面深度；Γ為伽馬函數(shù)；a為階數(shù)。

由于上述求解過程過于復雜，利用文獻[12]的方法計算彈性雙層體系的豎向位移。

另一方面，將填筑層和偏濕土路基等效為彈性半空間體[見圖1(b)]，假定其頂面回彈模量為E′，根據(jù)彈性半空間理論，其表面豎向位移w′為：

(4)

根據(jù)彎沉等效的原則，令w′=w，已知偏濕土路基回彈模量和上部填筑層厚度時，根據(jù)彎沉控制要求，可求得填筑層材料回彈模量，據(jù)此選擇合適的填料。

1.2 路基彎沉控制設計方法

路基彎沉控制設計方法是基于彈性半空間和彈性雙層體系理論，以高模量填料填筑上路堤和路床，對偏濕土路基剛度進行補償。以路基頂面彎沉為控制目標、路基頂面綜合回彈模量和下路堤回彈模量為計算參數(shù)，初擬上路堤和路床頂面的填筑厚度和回彈模量目標值，通過理論計算得到路基模量-彎沉圖，根據(jù)彎沉等效原則，在圖上找到滿足上路堤和路床填料目標要求的材料模量，結合現(xiàn)場填料的模量試驗結果選擇合適的填料，最終確定路基填筑設計方案。每一路基結構層施工完成后，實時檢測該層頂面回彈模量與回彈彎沉，若不滿足設計要求，則隨時進行動態(tài)調(diào)整。設計步驟如下：

(1) 根據(jù)路基頂面彎沉控制值，利用彈性半空間布辛尼斯克解計算路基頂面綜合回彈模量；利用便攜式落錘彎沉儀(PFWD)快速測定偏濕土填筑下路堤回彈模量，也可根據(jù)偏濕土的稠度及當?shù)亟?jīng)驗初步預估下路堤回彈模量。

(2) 根據(jù)路基頂面綜合回彈模量與下路堤回彈模量，按路基填筑層頂面的回彈模量從下至上依次升高的原則初步擬定上路堤和路床頂面目標回彈模量，其中上路床頂面目標回彈模量即為路基頂面綜合回彈模量。以路基填筑層底面回彈模量和填筑厚度為計算參數(shù)，通過理論計算得到路基模量-彎沉諾模圖，根據(jù)上路堤和路床頂面擬定的目標回彈模量，在圖上確定各層填料所需回彈模量，結合現(xiàn)場供應填料的模量試驗結果選擇合適的填料。

(3) 確定偏濕土路基填筑設計方案，并根據(jù)現(xiàn)場施工效果與檢測結果動態(tài)調(diào)整填筑方案。

2 現(xiàn)場試驗結果及驗證

以廣東廣連高速公路為依托工程，以路基頂面彎沉為控制目標，根據(jù)其控制要求確定路基頂面綜合回彈模量。選取TJ02標三鳳里為路基試驗段，采用現(xiàn)場偏濕土直接填筑下路堤，利用PFWD對下路堤模量進行快速測定，根據(jù)偏濕土路基彎沉控制方法，結合現(xiàn)場填料基本物理力學性質試驗結果，選擇合適的上路堤和路床填料，制訂合理的路基填筑設計方案。

2.1 現(xiàn)場填料的基本物理力學性質

試驗段可供應的填料有紅土、黃土、全風化花崗巖和水泥改良全風化花崗巖(水泥摻量為4%、6%、8%)。對現(xiàn)場填料分別進行顆粒分析、液塑限、承載比和室內(nèi)動三軸試驗，獲取其基本物理力學性質，結果見表1。

表1 現(xiàn)場填料的基本物理力學性質

2.2 路基頂面模量和下路堤模量的確定

廣連高速公路路基頂面驗收彎沉為130 (0.01 mm)，采用彈性半空間布辛尼斯克解計算對應的路基模量，為78.9 MPa。為方便設計，取80 MPa作為路基頂面模量設計值。

試驗段路基采用紅土直接填筑下路堤，選取10個測點利用PFWD快速測定下路堤回彈模量，結果見圖2。下路堤回彈模量測試結果平均值為30.5 MPa，路基設計時取30 MPa。

圖2 下路堤回彈模量測試結果

2.3 試驗段路基填筑方案設計

以路基頂面綜合回彈模量設計值、下路堤回彈模量和各填筑層厚度為參數(shù)，初擬上路堤和路床頂面目標回彈模量，通過理論計算得到路基模量-彎沉諾模圖。根據(jù)彎沉等效原則，在諾模圖上確定上路堤和路床頂面模量達到目標值時填料所需模量，結合現(xiàn)場填料室內(nèi)試驗結果選擇合適的填料，確定路基填筑設計方案。

經(jīng)PFWD現(xiàn)場測定，下路堤回彈模量為30 MPa，上路堤填筑厚度為0.7 m，其頂面回彈模量設計目標值為50 MPa，通過理論計算得到對應的模量-彎沉諾模圖[見圖3(a)]。填筑完成后，使上路堤頂面回彈模量提升至50 MPa，其對應彎沉為206.7 (0.01 mm)，由圖3(a)可知該層填料模量應不小于55.5 MPa。

上路堤頂面回彈模量為50 MPa，路床填筑厚度為0.8 m，其頂面回彈模量設計目標值為80 MPa，通過理論計算得到對應的模量-彎沉諾模圖[見圖3(b)]。填筑完成后，使上路堤頂面模量提升至80 MPa，其對應彎沉為129.2 (0.01 mm)，由圖3(b)可知該層填料材料模量應不小于86.3 MPa。

圖3 路基模量-彎沉諾模圖

根據(jù)上路堤和路床填筑材料回彈模量要求，結合現(xiàn)場填料模量試驗結果(見表1)選擇合適的填料，上路堤采用黃土填筑，路床采用4%水泥改良全風化花崗巖填筑。路基填筑方案見表2。

表2 試驗路路基填筑方案

2.4 現(xiàn)場試驗結果

為驗證上述路基彎沉控制方法的有效性，根據(jù)表2中填筑方案進行現(xiàn)場施工，并按照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》測定上路堤和路床多個測點的回彈模量與回彈彎沉，結果見表3。

表3 試驗路路基現(xiàn)場測試結果

由表3可知：按路基彎沉控制方法制訂的填筑方案進行施工，上路堤和路床頂面的實測回彈模量均大于設計值、回彈彎沉均小于設計值，路基頂面回彈模量提升至83.2 MPa，頂面回彈彎沉降至125.5 (0.01 mm)，滿足驗收要求。利用路基彎沉控制方法指導廣東偏濕土路基設計與施工的效果良好。

3 結論

(1) 偏濕土路基彎沉控制方法以路基頂面彎沉為控制目標，根據(jù)彈性半空間和彈性雙層體系理論，以彎沉等效為原則進行路基填筑方案設計，可用于路基設計與施工質量控制。

(2) 在已知下路堤回彈模量、路基頂面綜合回彈模量和路基結構層填筑厚度時，根據(jù)路基彎沉控制方法，得到路基各層位的模量-彎沉諾模圖，據(jù)此確定上路堤和路床填筑材料的回彈模量，結合現(xiàn)場填料供應情況制訂填筑方案。

(3) 依據(jù)偏濕土路基彎沉控制方法進行路基設計，可有效控制路基頂面彎沉，同時能合理利用現(xiàn)場填料，節(jié)約工程造價，可在廣東等南方地區(qū)偏濕土路基進行推廣應用。