公路改擴建工程老路基性能劣化機理與評價研究

張巧紅

（龍巖交通建設集團有限公司，龍巖 364000）

0 引言

在公路改擴建項目建設中, 對老路基開展調查與評價具有重大意義, 對于強度和穩定性良好的路基可充分利用, 對于狀況較差的路基可辯證性地給出不同處治意見,從而達到節約資源和減少不必要投資的目的,及時保證現場施工及檢測效率。

在路基施工及驗收階段,《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)[1]和《公路路基施工技術規范》(JTG F10-2006)[2]以界限含水率、CBR 值為路基填料控制標準,以壓實度作為路基施工控制標準,并明確規定了路基填料的類型。

在路面結構設計階段,《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)[3]規定路床應處于干燥或中濕狀態,極重交通荷載等級公路對應路基頂面回彈模量應不小于70MPa；對于特重交通荷載等級公路, 路基頂面回彈模量應不小于60MPa；對于重交通荷載等級公路,路基頂面回彈模量應不小于50MPa；對于中等、輕交通荷載等級公路,路基頂面回彈模量應不小于40MPa。

本文依托南方濕熱地區某公路升級改造工程, 研究老路基的性能裂化機理與評價方法, 提出適應于項目老路基的性能評價的整體思路, 為其他公路改擴建工程提供參考。

1 老路基檢測方法介紹及性能評價研究思路

1.1 老路基檢測方法介紹

(1)鉆探取芯

在老路基表面通過鉆機鉆孔取樣, 再通過室內試驗可獲取土樣的含水率、干密度、液塑限等物理指標。 該方法可獲取路基最原始的數據, 適應于既有路面大面積開挖前的檢測。每個測點需要4 個檢測人員,耗時約40min。

(2)灌砂法

在老路基表面進行灌砂法檢測, 可獲取土樣的含水率、 干密度, 結合試坑取樣室內試驗可獲取土樣的壓實度。該方法適應于既有路面大面積開挖前、后老路基壓實度的檢測。 每個測點需要3 個檢測人員,耗時約30min。

(3)承載板

在老路基表面采用30cm 直徑剛性承載板進行回彈模量檢測,可作為判定路基強度最直接的指標。 該方法適應于既有路面大面積開挖前、后老路基回彈模量的檢測。每個測點需要4 個檢測人員,耗時約50min。

1.2 老路基性能評價體系研究的內容

(1)路基土性質評價體系,用于全線路段的初步劃分和判定是否適宜作為填料, 對應指標為路基土的天然含水率、最佳含水率、壓實度、粒徑組成、液限、塑限和CBR。

(2)路基整體剛度評價體系,對應指標為路基頂面回彈模量,用于確定路基性質,并為路面結構設計提供依據。

1.3 老路基性能評價研究思路

(1)在選取龍巖市紅坊集鎮至紫安道路工程、龍巖市赤水至龍門集鎮道路工程、 國省干線聯六線漳平市蘆芝至和平段公路工程3 個項目路段各選取30 個測點,先用路面鉆芯機取出面層、基層芯樣,再用地質鉆機鉆孔至老路基頂以下0.8m 的位置,抽取老路基土樣進行室內試驗可得含水率與干密度。

(2)在各路子段30 個測點中選取10 個,從鉆芯取樣的位置開挖出面積約2m2的試坑, 在老路基頂面進行承載板試驗獲取回彈模量值。

(3)在90 個測點對應的同一橫斷面邊坡上取土,進行室內土工試驗獲取路基土的最大干密度、最佳含水率、液限、塑限、塑性指數和CBR 值等指標。

(4)綜合分析現場試驗和室內試驗所測得的老路基各項物理性能指標, 研究公路改擴建工程老路基性能劣化機理和評價方法。

2 公路改擴建工程老路基性能劣化機理分析

2.1 老路基典型斷面數據分析

通過現場路基鉆探和開挖試坑進行承載板試驗,以及室內土工試驗得到老路全線三個標段總計90 個典型斷面的各項物理性質強度指標。 結合老路全線三個路段各典型斷面的現場及室內試驗所得各項物理性質指標匯總分析可知：

(1)老路基病害以縱橫向裂縫為主,存在少量的破碎板、板角斷裂、錯臺及沉陷。 且無病害路段的路基頂面回彈模量相對較高, 說明路基病害導致的路面損壞程度與路基回彈模量有很大關系。

(2)老路基各測點填料含水率平均值為22.7%,壓實度平均值為83.5%,最佳含水率平均值為15.4%,塑限平均值為25.6%,回彈模量平均值為39.8MPa。

(3)AK13+829～AK16+000 填料為黏土質砂,AK16+000～AK24+300 填料為含砂低液限黏土, BK14+300～BK22+600 填料為黏土質礫,BK22+600～BK31+000 填料為含砂低液限黏(粉)土,CK31+000～CK38+000 填料為高液限粉土,CK38+000～CK44+135 填料為黏土質礫。

2.2 老路基性能劣化機理分析

以第一路段AK13+820～AK24+300 為例,將典型斷面路基土的含水率、最佳含水率及塑限進行對比(圖1),以便更直觀地研究三者之間的關系, 并結合壓實度和回彈模量的變化, 進一步分析該公路改擴建項目老路基性能劣化機理。

(1)老路基各測點填料含水率平均值為22.7%,遠大于最佳含水率平均值15.4%,接近塑限平均值25.6%；結合圖1 可知,老路基填料含水率大部分接近塑限,小部分大于塑限,可知老路基濕化嚴重。

(2)壓實度平均值為83.5%,小于該老路施工時95%的壓實度控制標準, 更小于該公路升級改造施工中96%的壓實度控制標準；回彈模量平均值為39.8MPa,相比于正常路基竣工回彈模量有很大的衰減, 說明老路基的承載能力在長期行車荷載和環境因素影響下衰減嚴重。

(3)結合老路基土的含水率、壓實度和回彈模量分析,公路改擴建項目老路基的工作性能衰變規律為： 路基在長期運營過程中, 填料含水率由施工期間的最佳含水率演變為平衡含水率, 平衡含水率接近甚至大于填料的塑限；導致路基填料干密度下降,即壓實度降低；進而導致路基回彈模量降低,產生路基病害。

圖1 AK13+829～AK24+300 段填料含水率、最佳含水率、塑限對比圖

3 公路改擴建工程老路基性能評價方法

根據前文分析, 老路基含水率的變化影響壓實度的變化,進而影響回彈模量的變化,故回彈模量是含水率和壓實度狀態的綜合體現, 將回彈模量作為老路基的一個評價關鍵指標。 填料性質也是影響路基整體質量的關鍵因素, 故將填料CBR 作為另一個評價的關鍵指標。 根據公路瀝青路面設計規范(JTG D50-2017)可知,特重交通等級道路的回彈模量值≥60MPa； 根據公路路基設計規范(JTG D30-2015)可知,高速公路、一級公路對上下路床填料CBR 的規定值為8%、5%,對該公路改擴建工程老路基性能評價如表1 所示。

基于上述分析, 提出該公路改擴建工程老路基性能評價方法： 將全線老路基按土質大致分為若干段, 填料CBR 合格且回彈模量達標的路段為A 級路段, 不需要處治； 填料CBR 合格但回彈模量不達標的路段為B 級路段,優先采用翻拌晾曬,退而采用摻灰改良；填料CBR 不合格路段為C 級路段, 根據經濟性選擇就地摻灰改良或遠距調運適宜土換填。

4 結論

本文通過對各標段典型斷面進行鉆芯取樣試驗,開挖試坑進行承載板試驗、以及取土進行室內土工試驗,開展了公路改擴建工程老路基性能劣化機理及性能評價體系研究,主要得到了如下結論。

表1 公路改擴建工程老路基性能評價

(1)該公路改擴建工程老路基的承載能力在運營多年后衰減嚴重,表現為路基濕化嚴重、壓實度減小、回彈模量降低、路基路面病害較多。

(2)該項目老路基的工作性能劣化機理為：路基在長期運營過程中, 填料含水率由施工期間的最佳含水率演變為平衡含水率,平衡含水率接近甚至大于填料的塑限；導致路基填料干密度下降,即壓實度降低；進而導致路基回彈模量降低,路基整體剛度下降,從而產生路基病害。

(3)按土質將該公路改擴建工程老路基分為6 段：AK13+829～AK16+000 段路基填料為黏土質砂,BK14+300～BK22+600 段、CK38+000～CK44+135 路 基 填 料 為 黏土質礫,建議以上3 段路床處治方案首選翻拌晾曬,次為摻灰改良；AK16+000～AK24+300 段路基填料為含砂低液限黏土,BK22+600～BK31+000 段路基填料為含砂低液限粉土,CK31+000～CK38+000 段路基填料為高液限粉土,建議以上3 段路床采用摻灰改良方案處治。

(4)對公路改擴建工程老路基進行性能評價的整體思路：在老路面大面積開挖前,對路基路面鉆探取芯并開挖試坑放置承載板進行回彈模量測試,獲取原始數據；采用人工開挖的方式對老路堤邊坡取土進行室內土工試驗確定填料性質； 綜合分析現場試驗和室內試驗所測的老路基各項物理性質指標, 并以此為依據對老路基進行分段和性能評價,擬定路床處治方案,有利于指導全線施工。