車輛荷載下生石灰改良過濕土硬殼層作用效應研究

尚樺雨，朱 福，賴嘉俊，于成江，肖璐沅

(吉林建筑大學 交通科學與工程學院 長春市 130118)

0 引言

針對吉舒高速公路工程中過濕粘性土含水率較大、強度低的特征，本研究對路基頂部一定范圍內(nèi)過濕土采用生石灰改良處治，形成一個生石灰改良過濕土人工硬殼層，進而提高了過濕土路基的整體強度。目前，許多學者已經(jīng)開展了過濕土處治技術研究，例如，戴學臻等[1]對生石灰處治六盤山地區(qū)過濕土開展了研究，分析了過濕土含水率損失原理，提出生石灰處治過濕土的摻量公式。王保田等[2]開展了石灰改良過濕土填料的力學性質(zhì)和施工工藝研究，得出石灰改良過濕土施工時應采用濕土擊實法。趙巖等[3]闡述了石灰處治過濕土的機理，并提出了生石灰粉處治過濕土施工方法。杜延軍等[4]進行了電石渣改良路基過濕土與石灰改良對比研究，研究表明電石渣改良路基過濕土早期強度與生石灰改良土接近，后期強度高于后者。王達等[5]論述了應用電滲脫水原理降低過濕土填筑路基含水率的方法及要點，提出了電滲法處理過濕土的設計、計算步驟及公式。盡管學者們已經(jīng)開展了較為系統(tǒng)的過濕土處治研究工作，也取得了一些階段性成果。但生石灰改良過濕土形成的人工硬殼層作為路基路面結(jié)構(gòu)的一個組成部分，對路基路面力學響應將產(chǎn)生如何影響？硬殼層設計參數(shù)如何選用？這些問題都將影響硬殼層的應用。鑒于此，有必要對硬殼層與路基路面力學響應的關系進行系統(tǒng)研究，通過力學分析計算，探究硬殼層作用效應，給出硬殼層的推薦設計厚度與模量范圍，從而為生石灰改良過濕土硬殼層措施在道路工程中更好的應用提供技術支撐。

1 路基路面結(jié)構(gòu)

吉舒高速公路的路面結(jié)構(gòu)層設計參數(shù)取值見圖1。本研究采用多層彈性層狀體系理論對生石灰處治過濕土硬殼層進行力學分析，計算中，將面層、基層、底基層簡化為彈性層狀結(jié)構(gòu)，將生石灰改良過濕土視為獨立的彈性層狀層。

圖1 路基路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

2 硬殼層對路基力學響應的影響

2.1 硬殼層對路基頂面豎向壓應力分布的影響

生石灰改良過濕土硬殼層模量依據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果取200MPa。分別對硬殼層厚度為0、20cm、40cm、60cm、80cm條件下，各個計算點位的路基頂面豎向壓應力進行了計算，結(jié)果見圖2(a)。硬殼層厚度取40cm，依據(jù)室內(nèi)生石灰改良過濕土回彈模量測試結(jié)果，分別對硬殼層模量為100MPa、200MPa、300MPa、400MPa、500MPa條件下，各個計算點位的路基頂面豎向壓應力進行了計算，結(jié)果見圖2(b)。

(a)厚度的影響

(b)模量的影響圖2 硬殼層對路基頂面壓應力的影響

由圖2可以看出，在硬殼層作用下，路基頂面的豎向壓應力減小，豎向壓應力分布趨于平緩。隨著硬殼層厚度與模量的增加，路基頂面的豎向壓應力逐漸減小，這表明增加硬殼層厚度與模量，可以有效地減小車輛荷載作用中心附近的大主應力。從無硬殼層到硬殼層厚度80cm，路基頂面的豎向壓應力最大減小幅度為58.7%。硬殼層模量由100MPa增加到500MPa，路基頂面的豎向壓應力最大減小幅度為20.7%。由此得出，在選定的參數(shù)取值范圍內(nèi)，硬殼層厚度變化比模量變化對路基頂面豎向壓應力的影響更顯著。

2.2 硬殼層對路基強度的影響

瀝青路面設計方法大多采用路基回彈模量表征路基的力學特性，本研究以路基頂面當量回彈模量來分析硬殼層對路基強度的影響規(guī)律?；舅悸肥牵阂詮澇林档刃г瓌t計算路基頂面當量回彈模量，依據(jù)多層彈性層狀體系理論計算路面結(jié)構(gòu)體系的路基頂面彎沉值，當滿足與硬殼層頂面基準值誤差后，以路基頂面基準彎沉值所對應的路基當量回彈模量值作為路基頂面當量回彈模量。

為了分析硬殼層厚度與模量對路基強度的影響，以路基頂面當量回彈模量為評價指標，設定原路基回彈模量取值范圍10～70MPa，硬殼層厚度0～80cm，硬殼層模量取200MPa，硬殼層泊松比取0.3；硬殼層模量100～500MPa，硬殼層厚度取40cm，路面結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。車輛荷載采用標準雙輪荷載，基于層間連續(xù)狀態(tài)下多層彈性層狀體系理論，進行不同設計工況的計算，結(jié)果見圖3與圖4。

圖3 硬殼層厚度對路基強度的影響

由圖3可知，隨著硬殼層厚度的增加，路基強度逐漸增大。原路基回彈模量10MPa時，從無硬殼層到硬殼層厚度80cm，路基強度增加了6.9MPa；原路基回彈模量70MPa時，從無硬殼層到硬殼層厚度80cm，路基強度增加了25.2MPa，后者是前者的3.65倍。

圖4 硬殼層模量對路基強度的影響

從圖4可知，隨著硬殼層模量的增加，路基強度逐漸增加。原路基回彈模量10MPa時，硬殼層模量由100MPa增加到500MPa，路基強度增加了3.5MPa。原路基回彈模量70MPa時，硬殼層模量由100MPa增加到500MPa，路基強度增加了24.5MPa，后者是前者的7.0倍。

3 硬殼層對路面結(jié)構(gòu)力學響應的影響

在層間連續(xù)狀態(tài)下，初步對選定路面結(jié)構(gòu)進行整體結(jié)構(gòu)應力計算表明，瀝青層底為壓應力，基層底與底基層底最大彎拉應力位于車輪中心(圖1中1號點位置)。因此，本研究重點對硬殼層參數(shù)變化對路表彎沉值、基層與底基層底部彎拉應力帶來的影響進行分析。設定硬殼層厚度的取值為0～80cm，硬殼層模量的取值為100～500MPa，硬殼層泊松比為0.3，以圖1路面結(jié)構(gòu)為例，基于層間連續(xù)狀態(tài)下多層彈性層狀體系理論進行不同設計工況的計算，結(jié)果見圖5、圖6。

3.1 硬殼層對路表彎沉值的影響

由圖5可知，隨著硬殼層厚度與模量的增加，路表彎沉值逐漸減小，硬殼層厚度由0增加到80cm，路表彎沉值減小了0.1002mm，減小幅度為22.9%。硬殼層模量由100MPa增加到500MPa，路表彎沉值減小了0.0582mm，減小幅度為14.4%。上述分析結(jié)果表明，增加硬殼層厚度與模量，均能有效地減小路表彎沉值，相比之下，在本研究選定的硬殼層參數(shù)范圍內(nèi)，增加硬殼層厚度減小路表彎沉值的效果更顯著。

3.2 硬殼層對基層底彎拉應力的影響

由圖6可知，隨著硬殼層厚度與模量的增加，基層底彎拉應力逐漸減小，硬殼層厚度由0增加到80cm，基層底彎拉應力減小了27.52kPa，減小幅度為41.7%。硬殼層模量由100MPa增加到500MPa，基層底彎拉應力減小了25.73kPa，減小幅度為46.6%。隨著硬殼層厚度與模量的增加，基層底彎拉應力減小的幅度逐漸降低，硬殼層厚度超過60cm時，基層底彎拉應力減小幅度僅為4.3%。硬殼層模量超過400MPa時，基層底彎拉應力減小幅度僅為7.7%。

(a)厚度與彎沉值關系

(b)模量與彎沉值關系圖5 硬殼層參數(shù)與路表彎沉值的關系

上述分析結(jié)果表明，增加硬殼層厚度與模量均能有效地減小基層底彎拉應力，硬殼層模量與厚度的持續(xù)提高，對降低基層底彎拉應力的貢獻量越來越小。因此，綜上給出硬殼層厚度的推薦范圍20～60cm，模量的推薦范圍200～400MPa。

4 結(jié)論

基于多層彈性層狀體系理論，分析了吉舒高速公路生石灰改良過濕土硬殼層對路基路面結(jié)構(gòu)力學響應的影響規(guī)律，取得如下主要結(jié)論：

(1)隨著硬殼層厚度與模量的增加，路基頂面的豎向壓應力逐漸減小，路基強度提高，硬殼層厚度變化比模量變化對路基頂面的豎向壓應力的影響更顯著。

(a)厚度與基層底彎拉應力關系

(b)模量與基層底彎拉應力關系圖6 硬殼層參數(shù)與基層底彎拉應力的關系

(2)隨著硬殼層厚度與模量的增加，路表彎沉值、基層底彎拉應力逐漸減小，但相比之下，增加硬殼層厚度對減小路表彎沉值的效果更加顯著。硬殼層模量與厚度的持續(xù)提高，對降低基層底彎拉應力的貢獻量越來越小。綜合分析給出，生石灰改良過濕土硬殼層厚度的推薦范圍20～60cm，模量的推薦范圍200～400MPa。