龍春成

（貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

高液限土是中國南部地區(qū)普遍存在的一種土壤，其自然水分含量高，水穩(wěn)定性差，承載量較小，直接用于路基填筑，無法達(dá)到路基壓實質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，還容易導(dǎo)致路面、邊坡的坍塌病害，也難以達(dá)到工程的質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)。在工程實踐中，經(jīng)常采取砂礫改良、石灰改良、水泥改良等措施來改善道路使用性能，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[1]。上述處理方式雖然對路基質(zhì)量進(jìn)行了改造，但大多是按工程經(jīng)驗進(jìn)行處理，容易導(dǎo)致地基的頂面彎沉值偏大或偏低，難以準(zhǔn)確地控制。為了取得良好效果，必須事先進(jìn)行試驗路鋪設(shè)，資源消耗大，經(jīng)濟(jì)效益差。因此，該文對利用高液限土填筑路基的彎沉控制進(jìn)行分析，旨在為類似項目施工提供借鑒。

1 路基剛度補償理論

1.1 理論基礎(chǔ)

高液限土路床頂面的壓縮率大，彈性模量小，通常需在路床的頂部填筑具有良好彈性的填料，以利于路基剛性受行荷載的彈性恢復(fù)，最終能提升路基的整體剛性，減輕路基頂面的壓縮性[2]。

將高液限土路堤及其上部剛性補償層看作是一種雙重的彈性分層系統(tǒng)，假定高液限土路基結(jié)構(gòu)的整體回彈模量值為E1，剛性補償結(jié)構(gòu)層的回彈模量值（回填料的模量值）為E2，填筑層的厚度為h，如圖1（a）所示。設(shè)層間結(jié)合處z=0，在剛性承載板縱向荷載作用下，根據(jù)軸對稱兩層彈性理論，計算其表面垂直方向位移w。

式中，Ei——不同層次模量值（MPa）；μi——不同層次泊松比；q——利用集中力換算均布載荷；Jn(x)——n階特殊函數(shù)貝塞爾函數(shù)；x——積分變量；Ai、Bi、Ci、Di是計算參考數(shù)據(jù)，采用層間結(jié)合條件、荷載邊界條件確定；z——距離頂面的高度；?！ゑR函數(shù)；a——分階級數(shù)；R——承載板直徑的一半（m）；r——距離承載板中心的方向尺寸（m）。

鑒于以上的理論求解過程比較繁瑣，該文參照以上公式，對兩層結(jié)構(gòu)的表面垂直位移進(jìn)行了計算。

同時，將高液限土路基與剛性補強層等效為彈性半空體，設(shè)其上表面的回彈模量值為E'，見附圖1（b）。采用軸對稱半空間理論，在剛性支承板正壓下，對等效彈性空間體壁的縱向變形進(jìn)行了數(shù)值模擬w'。

圖1 計算體系

式中，w'——豎向位移（mm）；E'——路基填料彈性模量（MPa）；μ——泊松比；J0(ξr)——0階貝塞爾函數(shù)；——漢克爾積分變換式，采用剛性承載板時，=PRsin(ξR)/2ξ；r—— 距承載板中心的徑向距離（m）。

依彎沉等效原則，令w=w1。已知高液限土路基回彈模量、填筑層厚度、等效彈性半空間體模量為基準(zhǔn)，經(jīng)計算可得剛度補償層的模量值，據(jù)此方法進(jìn)行填料選擇。

1.2 路基剛度補償層設(shè)計

利用路基剛性補償原理，對高液限土路堤的剛性補償設(shè)計諾模圖法進(jìn)行了分析，從而可以迅速地求出剛性補償?shù)膹椥阅?shù)及補償?shù)暮穸萚3]。該文以簡易路基上的兩層構(gòu)造為實例，假定在高液體限土路面基礎(chǔ)上，采用20.00 MPa的彈性系數(shù)和0.90 m的剛性補償層，對路基進(jìn)行計算，得到了50.0 MPa的恢復(fù)彈性量。根據(jù)理論和公式，當(dāng)高液限土路基頂面的彈性模量由20.0 MPa提高到50.0 MPa時，可以采用0.9 m的剛性補償層，其彈性系數(shù)不低于60.0 MPa。

2 路基彎沉控制填筑方案設(shè)計

根據(jù)路基剛性的補償原理，采用高彈性填料填充路面和路床，提高路基的整體剛性。根據(jù)路基頂面的整體回彈模量、下路堤的彈性模量作為基本參數(shù)，對路堤和路床的頂面回彈模量、填充層的厚度進(jìn)行了初步估算，并根據(jù)理論，推導(dǎo)出了路基的剛性補償設(shè)計諾模圖。通過計算路面壩型、路床層的彈性模數(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場提供的填充劑進(jìn)行室內(nèi)實驗，選取適宜的填充物，從而設(shè)計出相應(yīng)的路基結(jié)構(gòu)。在各層路基填筑工序完工后，可以對各層頂面，進(jìn)行回彈模量、彎沉的檢測。如果不能達(dá)到目標(biāo)，可對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，具體操作如下：

（1）采用PFWD方法，同時考慮高液限土體的變形遲延作用，可以迅速地測量下路堤的彈性模量值E0；同時，結(jié)合高液限土的粘結(jié)力和現(xiàn)場施工實踐，對下路堤頂面模量值進(jìn)行估算。

（2）以路基頂面的回彈模量值E0和下路堤頂回彈模量值E0為基礎(chǔ)，以下路堤至路床頂部為基準(zhǔn)，對公路路堤和路底表面層的目標(biāo)回彈量值Et1、Et2、Et3進(jìn)行計算。其中，路基頂面層的目標(biāo)回彈模量，也就是路基頂面的設(shè)計彈性模量值。根據(jù)路基頂面的彎沉量求取方法，確定高液限土路基結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 高液限土路基結(jié)構(gòu)圖

（3）采用路基剛性補償層底板的彈性系數(shù)、墊層彈性補償層的彈性模量，作為計算參考數(shù)據(jù)，用理論方法求出了路基剛性補償層的設(shè)計諾模圖。根據(jù)現(xiàn)場提供的填料所需實驗室試驗得出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，確定適宜的填料。例如，確定了下路堤頂部的回彈模量和上路堤的填筑厚度，并利用路基頂部的回彈彈性系數(shù)作為目標(biāo)，在剛性補償?shù)闹Z模曲線中進(jìn)行計算，并通過計算路基填筑物的材料彈性系數(shù)，從而合理地選取路基填料。如此，可計算出路堤、路床的填筑厚度及填料的材質(zhì)。

（4）若剛性補償路基頂面層彈性模數(shù)達(dá)不到設(shè)計指標(biāo)時，必須對填料或填筑層進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，直到符合規(guī)定。已知下路堤回彈模數(shù)和路基頂面的回彈系數(shù)后，采用路基彎沉控制法，可以計算得出路堤、路床的填筑厚度，并選用適宜填料，再設(shè)計出最佳路基填筑方案[4]。工程施工過程中，可以通過對不同層的路基頂表面進(jìn)行回彈模數(shù)的測量，對其進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以確保其達(dá)到設(shè)計需要。

3 路基彎沉控制方法的應(yīng)用與驗證

公路路基施工填筑階段，依據(jù)路基頂面的彎沉變形標(biāo)準(zhǔn)控制，以K9+380~K9+580高液限土填筑路段為試驗路段，采用高液限土不作處理直接進(jìn)行路堤填筑，壓實度達(dá)不到設(shè)計值，采用PFWD快速測量下路堤模量，也達(dá)不到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[5-6]?，F(xiàn)提出采用高液限土填筑路基的彎沉控制綜合方案，即依據(jù)場地填筑材料的供給狀況，選用適當(dāng)?shù)穆返?、路床填筑材料，制訂出對?yīng)的填筑方案，并依據(jù)不同的路基設(shè)計目標(biāo)，在填筑方案執(zhí)行過程中進(jìn)行動態(tài)調(diào)整[7]。

3.1 確定路基頂面模量和下路堤回彈模量

試驗路段高液限土填筑指標(biāo)按87%的壓實度，1.42 g/cm3最大干密度，21.3%的最佳含水率，進(jìn)行施工控制，直接填筑下路堤[8]。進(jìn)行PFWD現(xiàn)場測試時選取10個測點進(jìn)行測試，結(jié)果如圖3所示，回彈模量的均值為20.4 MPa，進(jìn)行路基計算設(shè)計時，取值20 MPa。

圖3 高液限土下路堤回彈模量測試結(jié)果

3.2 現(xiàn)場填料室內(nèi)動三軸試驗

因該段高速公路沿途高液限土分布廣泛，挖方數(shù)量大，為了合理使用高液限土，降低棄方，減少資源浪費，必須對填筑土進(jìn)行改良。由于該地缺乏石灰，需選擇經(jīng)濟(jì)效益相對較高的方案，所以選擇了水泥改良措施。

可供現(xiàn)場使用的填料為高液限土，水泥摻量設(shè)計為3.0%、4.0%、5.0%、6.0%共計四個級別的改良高液限土、粉質(zhì)砂土，對現(xiàn)場填筑材料進(jìn)行取樣，在室內(nèi)做三軸試驗，獲得了原位填料的彈性模量，為路基填筑方案的制定和施工提供了參考依據(jù)。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析和計算，得出了有關(guān)填料的彈性模量如表1所示。

表1 現(xiàn)場填料回彈模量

3.3 試驗路路基填筑方案設(shè)計

根據(jù)高液限土路基的彎沉變形控制方法，計算出路基頂面的總回彈模量為70.0 MPa，下段堤的彈性系數(shù)為20.0 MPa，分為三個層次進(jìn)行控制，即0.7 m上路堤、0.4 m的下路床、0.4 m的上路床，每一層的初始回彈強度分別擬定為50.0 MPa、60.0 MPa、70.0 MPa。

依據(jù)路基不同層次填筑所需要的物料彈性系數(shù)，充分發(fā)揮高液限土作用的前提下，參照實驗室的三軸實驗成果，選擇水泥3%改良高液限土、水泥4%改良高液限土、粉質(zhì)砂土填筑路床和路堤。試驗段的具體填筑計劃如表2所示。

表2 試驗路路基填筑方案

3.4 現(xiàn)場試驗結(jié)果

為了檢驗高液限土路基頂面的彎沉變形控制方法的正確性，采用了表格2所示的設(shè)計方案進(jìn)行了試驗。完成每層路基填筑工序后，采用貝克曼梁和承載板法，對多個測量點進(jìn)行了測試，并對數(shù)值進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得出了各個層面的典型回彈模量和典型彎沉變形值，并與理論計算結(jié)果進(jìn)行了對比，如表3所示。

表3 路基回彈模量與回彈彎沉測試結(jié)果

從表3可以看出：測試路段路基的整體回彈強度提高到75.00 MPa，而頂部的彎沉變形為0.143 20 mm。試驗結(jié)果表明，路基各填筑層的回彈模量和回彈彎沉變形，比理論上的計算結(jié)果都要好，計算偏差范圍小。綜合分析實施效果，得出無需對施工方案進(jìn)行調(diào)整，也驗證該文所述高液限土路基的彎沉變形控制方法具備可行性，該技術(shù)方案具有較好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

綜上所述，基于兩層彈性理論、彈性半空間的原理，可采用彎沉等效原則，進(jìn)行公路路基剛性補償層的設(shè)計。按此設(shè)計思路，能降低路基的彎沉變形，提高路基的整體剛性，從而達(dá)到了控制路基彎沉變形的目標(biāo)。同時，按此設(shè)計思路計算，能確定下路堤、下路床、上路床頂面的設(shè)計回彈模量，繼而利用路基彎沉檢測數(shù)據(jù)校核，確定路基的各個層次的最佳填料回彈模量；采用高液限土路堤的剛性系數(shù)補償設(shè)計諾模圖，再結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，能確定填筑層需要的材料模量，并選取合適的填料，得出最適宜的填筑方案。

現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)，可以依據(jù)路基各層的實際回彈模量，對施工方案進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，參照高液限土路基的彎沉變形控制方法，編制了試驗路段的最優(yōu)路基填筑方案。經(jīng)實踐驗證，采用改良高液限土進(jìn)行路基填筑，其彎沉變形可以達(dá)到理想的控制效果。