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(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

偏濕土在中國(guó)南方地區(qū)高速公路建設(shè)中極為常見(jiàn)。偏濕土天然含水率偏高，保水性強(qiáng)，不易晾曬，強(qiáng)度低，水穩(wěn)性差，直接填筑路基頂面彎沉較大，難以滿足設(shè)計(jì)和驗(yàn)收要求。常用處治手段主要是化學(xué)改良或物理改良，大多以工程經(jīng)驗(yàn)為主，為達(dá)到預(yù)期效果，需大量鋪筑試驗(yàn)路，費(fèi)時(shí)耗力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)路基彎沉的精確控制。盧正等通過(guò)分析高速公路路基結(jié)構(gòu)，根據(jù)彈性力學(xué)理論和傅里葉變換方法，提出了路基頂面變形控制標(biāo)準(zhǔn)和確定方法；鄭健龍等從變形計(jì)算、壓實(shí)控制和剛度補(bǔ)償三方面對(duì)公路膨脹土路基展開(kāi)研究，確定了路基變形預(yù)測(cè)與控制方法；鄒靜蓉等以分條分層總和法預(yù)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(jié)構(gòu)是影響路基彎沉的主要因素，路基各結(jié)構(gòu)層的模量、厚度均會(huì)對(duì)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(dòng)態(tài)回彈模量隨含水率、壓實(shí)度和水泥劑量的變化，得到了回彈模量預(yù)估模型，為路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參數(shù)；劉正楠等分析了全風(fēng)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(bǔ)償設(shè)計(jì)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(bǔ)償方法，對(duì)高液限土路基進(jìn)行了上路堤與路床的剛度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，保證了路基整體強(qiáng)度和剛度。目前的研究多利用工程經(jīng)驗(yàn)法，無(wú)法實(shí)現(xiàn)偏濕土路基彎沉的精確控制。針對(duì)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(chǔ)、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(chǔ)、彎沉等效為原則，以路基頂面彎沉和回彈模量為控制指標(biāo)、下路堤回彈模量和其上各結(jié)構(gòu)層填筑厚度為計(jì)算參數(shù)，通過(guò)理論計(jì)算，得到上路堤和路床填料所需模量，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)填料供應(yīng)情況，制訂合理的路基填筑方案，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工效果進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

1.1 理論基礎(chǔ)

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(jiàn)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(jié)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(duì)稱彈性雙層理論，其表面豎向位移w為：

圖1 理論計(jì)算模型

(1)

在層間結(jié)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(jì)算參數(shù)，根據(jù)層間結(jié)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(guò)程過(guò)于復(fù)雜，利用文獻(xiàn)[12]的方法計(jì)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(jiàn)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(shí)，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(shè)計(jì)方法

路基彎沉控制設(shè)計(jì)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(duì)偏濕土路基剛度進(jìn)行補(bǔ)償。以路基頂面彎沉為控制目標(biāo)、路基頂面綜合回彈模量和下路堤回彈模量為計(jì)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(biāo)值，通過(guò)理論計(jì)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(biāo)要求的材料模量，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)填料的模量試驗(yàn)結(jié)果選擇合適的填料，最終確定路基填筑設(shè)計(jì)方案。每一路基結(jié)構(gòu)層施工完成后，實(shí)時(shí)檢測(cè)該層頂面回彈模量與回彈彎沉，若不滿足設(shè)計(jì)要求，則隨時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)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(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)初步預(yù)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(biāo)回彈模量，其中上路床頂面目標(biāo)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(jì)算參數(shù)，通過(guò)理論計(jì)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(biāo)回彈模量，在圖上確定各層填料所需回彈模量，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)供應(yīng)填料的模量試驗(yàn)結(jié)果選擇合適的填料。

(3) 確定偏濕土路基填筑設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工效果與檢測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整填筑方案。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及驗(yàn)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(biāo)，根據(jù)其控制要求確定路基頂面綜合回彈模量。選取TJ02標(biāo)三鳳里為路基試驗(yàn)段，采用現(xiàn)場(chǎng)偏濕土直接填筑下路堤，利用PFWD對(duì)下路堤模量進(jìn)行快速測(cè)定，根據(jù)偏濕土路基彎沉控制方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)填料基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，選擇合適的上路堤和路床填料，制訂合理的路基填筑設(shè)計(jì)方案。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)填料的基本物理力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)段可供應(yīng)的填料有紅土、黃土、全風(fēng)化花崗巖和水泥改良全風(fēng)化花崗巖(水泥摻量為4%、6%、8%)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)填料分別進(jìn)行顆粒分析、液塑限、承載比和室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)，獲取其基本物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)填料的基本物理力學(xué)性質(zhì)

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(yàn)收彎沉為130 (0.01 mm)，采用彈性半空間布辛尼斯克解計(jì)算對(duì)應(yīng)的路基模量，為78.9 MPa。為方便設(shè)計(jì)，取80 MPa作為路基頂面模量設(shè)計(jì)值。

試驗(yàn)段路基采用紅土直接填筑下路堤，選取10個(gè)測(cè)點(diǎn)利用PFWD快速測(cè)定下路堤回彈模量，結(jié)果見(jiàn)圖2。下路堤回彈模量測(cè)試結(jié)果平均值為30.5 MPa，路基設(shè)計(jì)時(shí)取30 MPa。

圖2 下路堤回彈模量測(cè)試結(jié)果

2.3 試驗(yàn)段路基填筑方案設(shè)計(jì)

以路基頂面綜合回彈模量設(shè)計(jì)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(biāo)回彈模量，通過(guò)理論計(jì)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(dá)到目標(biāo)值時(shí)填料所需模量，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)填料室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果選擇合適的填料，確定路基填筑設(shè)計(jì)方案。

經(jīng)PFWD現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(shè)計(jì)目標(biāo)值為50 MPa，通過(guò)理論計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的模量-彎沉諾模圖[見(jiàn)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(duì)應(yīng)彎沉為206.7 (0.01 mm)，由圖3(a)可知該層填料模量應(yīng)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(shè)計(jì)目標(biāo)值為80 MPa，通過(guò)理論計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的模量-彎沉諾模圖[見(jiàn)圖3(b)]。填筑完成后，使上路堤頂面模量提升至80 MPa，其對(duì)應(yīng)彎沉為129.2 (0.01 mm)，由圖3(b)可知該層填料材料模量應(yīng)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(jié)合現(xiàn)場(chǎng)填料模量試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)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(fēng)化花崗巖填筑。路基填筑方案見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)路路基填筑方案

2.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，并按照《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》測(cè)定上路堤和路床多個(gè)測(cè)點(diǎn)的回彈模量與回彈彎沉，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)路路基現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

由表3可知：按路基彎沉控制方法制訂的填筑方案進(jìn)行施工，上路堤和路床頂面的實(shí)測(cè)回彈模量均大于設(shè)計(jì)值、回彈彎沉均小于設(shè)計(jì)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(yàn)收要求。利用路基彎沉控制方法指導(dǎo)廣東偏濕土路基設(shè)計(jì)與施工的效果良好。

3 結(jié)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(biāo)，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(jìn)行路基填筑方案設(shè)計(jì)，可用于路基設(shè)計(jì)與施工質(zhì)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(jié)構(gòu)層填筑厚度時(shí)，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(jié)合現(xiàn)場(chǎng)填料供應(yīng)情況制訂填筑方案。

(3) 依據(jù)偏濕土路基彎沉控制方法進(jìn)行路基設(shè)計(jì)，可有效控制路基頂面彎沉，同時(shí)能合理利用現(xiàn)場(chǎng)填料，節(jié)約工程造價(jià)，可在廣東等南方地區(qū)偏濕土路基進(jìn)行推廣應(yīng)用。