基于路基整體剛度的路基填料設(shè)計(jì)方法

張 建

（1.中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京；2.中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京）

路基填料的選用是決定路基整體剛度的關(guān)鍵因素，如果路基填料設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量差，在公路投入使用后容易出現(xiàn)裂縫、車(chē)轍、沉陷等病害，縮短公路使用壽命、影響公路行車(chē)安全。當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有合適填料時(shí)，施工單位需要采取土體改良的方式對(duì)填料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，物理改良方法有摻入碎石、砂礫，化學(xué)改良方法有摻入石灰、水泥，特殊情況下還可以摻入土壤穩(wěn)定劑。在開(kāi)展地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合公路施工需要，科學(xué)選擇相應(yīng)的填料優(yōu)化方案。同時(shí)嚴(yán)格加強(qiáng)填料鋪筑管理，重點(diǎn)做好攤鋪、拌合、碾壓等技術(shù)要點(diǎn)的控制，切實(shí)提高路基整體剛度。

1 路段概況

某公路全長(zhǎng)14.6 km，沿線(xiàn)分布有較多的高液限土。考慮到高液限土具有含水率高、穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，為保證公路施工質(zhì)量需要進(jìn)行路基加固處理。以K80+100～K80+500 段為試驗(yàn)段，要求路基處理后壓實(shí)度不低于94%。結(jié)合該路段的地質(zhì)勘察資料，初步擬定的路基填筑方案（原方案）如表1 所示。

表1 試驗(yàn)路段原路基填筑方案

同時(shí)，提出了一種基于路基整體剛度的路基填料方案，將上路床填筑材料替換為粉土質(zhì)砂，下路床填筑材料替換為5%水泥+高液限土，上路堤填筑材料替換4%水泥+高液限土，下路堤材料為高液限土，填筑厚度不變。在試驗(yàn)路段運(yùn)用兩種方案進(jìn)行路基填筑，并對(duì)比兩條試驗(yàn)路段的路基頂面壓實(shí)度，驗(yàn)證兩種方案在高液限土路基填筑方面的應(yīng)用效果。

2 基于路基整體剛度的路基填料設(shè)計(jì)方案

2.1 下路堤回彈模量快速測(cè)定

地質(zhì)勘察表明，試驗(yàn)路段的下路堤用高液限土填筑，在路基施工完畢后每隔20 m 布置1 個(gè)點(diǎn)位，共計(jì)6 個(gè)測(cè)點(diǎn)。分別使用了承載板法和便攜式彎沉儀檢測(cè)下路堤模量。其中，承載板法的計(jì)算公式如下

式中:ω 表示路基表面的豎向位移，單位為mm；E 表示回彈模量，單位為MPa；μ 表示泊松比；J(ξr)表示貝塞爾函數(shù)；p(ξ)表示荷載的漢克爾積分變換公式；r 表示承載板與測(cè)量點(diǎn)位之間的徑向距離，單位為m。除了使用承載板法計(jì)算回彈模量外，還可以使用便攜式彎沉儀（PFWD）直接測(cè)量點(diǎn)位的回彈模量[1]。考慮到彎沉試驗(yàn)中反算模量時(shí)存在較大誤差，為了提高測(cè)量結(jié)果的精度，本文提出了一種基于彈性模型的改進(jìn)算法，該算法的計(jì)算式為

式中:σ 表示所受應(yīng)力；E 表示回彈模量；ε 表示應(yīng)變；η表示粘滯系數(shù)；dε 和dt 表示對(duì)應(yīng)變和時(shí)間求導(dǎo)。根據(jù)上述方法，可以分別求得承載板測(cè)試中的回彈模量，以及彎沉試驗(yàn)中常規(guī)反算回彈模量和改進(jìn)反算回彈模量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)路段下路堤回彈模量檢測(cè)結(jié)果

由表2 可知，采用改進(jìn)反算方法后6 個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均回彈模量為24.93 MPa，與承載板測(cè)試的平均回彈模量24.05 MPa 十分接近。這是因?yàn)樵趶澇猎囼?yàn)中使用改進(jìn)反算方法，充分考慮了沖擊荷載下路基變形的滯后效應(yīng)。在實(shí)際施工中，為了提高路基剛度，在計(jì)算下路堤回彈模量時(shí)應(yīng)當(dāng)向下取整，故本工程中試驗(yàn)段下路堤回彈模量的取值為25 MPa。

2.2 上路堤和路床填料設(shè)計(jì)

為提升路基填筑質(zhì)量，新方案中采取了分層填筑、層層壓實(shí)的施工方式。試驗(yàn)段路基的上路堤厚度為70 cm，分成4 層，最上層為10 cm，下面3 層均為20 cm；路基的上路床厚度為40 cm，分成2 層，上層和下層均為20 cm；路基的下路床厚度為40 cm，上層和下層均為20 cm。各區(qū)位的填筑材料、填筑厚度以及回彈模量等見(jiàn)表3。

由表3 數(shù)據(jù)可知，路基填料模量的預(yù)估值和實(shí)測(cè)值較為接近，可以參考該值開(kāi)展路基填料的設(shè)計(jì)，為提高路基剛度同樣需要將填筑材料的回彈模量向下取整。

3 路基填筑新方案試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)路段路基填筑施工

該試驗(yàn)路段的上路堤和路床采用“路拌法”施工，用水泥改良土加固路基，施工流程如圖1 所示。

（1） 上土準(zhǔn)備。路基下路堤的填筑材料為高液限土，其松鋪厚度不得超過(guò)20 cm。多余部分采用人工挖除、挖掘機(jī)裝車(chē)的方式，由自卸汽車(chē)將多余的高液限土運(yùn)送至指定地點(diǎn)。對(duì)于上路堤和上下路床，采用路拌法完成填筑材料的攤鋪。

（2） 攤鋪填料。上路堤填筑材料為5%水泥+高液限土，下路床填筑材料為4%水泥+高液限土。高液限土填筑前應(yīng)測(cè)定其含水率，要求天然含水率應(yīng)維持在40%～60%之間。提前一天攤鋪高液限土，在第二天摻入水泥達(dá)到改良效果，攤鋪高液限土后使用抹子整平[2]。由于試驗(yàn)路段較長(zhǎng)，在填筑填料時(shí)采用分段施工，每段的長(zhǎng)度要根據(jù)水泥摻量、碾壓要求等具體確定。

（3） 摻入水泥。在整平的高液限土表面畫(huà)出方格網(wǎng)，保證水泥摻拌的均勻性。計(jì)算每格水泥用量，根據(jù)實(shí)際用量向水泥撒布車(chē)內(nèi)裝入水泥，精確控制撒鋪量。每格摻入水泥的計(jì)算公式為

式中：M 表示每格摻入水泥的質(zhì)量，單位為kg；γ 表示填土的干密度，單位為kg/m3；S 表示每格的攤鋪面積，單位為m2；H 表示每格的攤鋪厚度，單位為m；N 表示水泥摻量，單位為%。按照上述計(jì)算結(jié)果確定摻量后，使水泥和高液限土拌合均勻，提高水泥改良土的物理性能。

（4） 拌合及整平。選用拌合機(jī)將下層高液限土和上層水泥翻拌3～5 遍，為提高作業(yè)效率可以使拌合機(jī)以5 m/min 的速度勻速形式，邊走邊拌，觀察到混合料上無(wú)明顯灰條、粒徑大小合適后即可停止翻拌[3]。對(duì)于機(jī)械拌合不到位的邊角處，由施工人員借助于工具手動(dòng)拌合。在填筑層完全翻透后檢測(cè)水泥土的含水率，要求含水率應(yīng)大于40%，如果含水率偏低需要進(jìn)行灑水。

（5） 碾壓密實(shí)。完成高液限土和水泥的翻拌后，首先使用15 t 光輪壓路機(jī)進(jìn)行初壓，碾壓次數(shù)為4次，光輪壓路機(jī)的行駛速度控制在2.0 km/h；初壓結(jié)束后，替換成12 t 振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行復(fù)壓，碾壓次數(shù)為3 次，行駛速度控制在4.5 km/h。碾壓過(guò)程中，保證水泥改良土表面呈濕潤(rùn)狀態(tài)，避免因?yàn)橥馏w過(guò)于干燥而出現(xiàn)松散、起皮的情況。復(fù)壓結(jié)束后測(cè)量壓實(shí)度，如果壓實(shí)度不達(dá)標(biāo)還要繼續(xù)增加1～2 遍碾壓[4]。

（6） 質(zhì)量檢測(cè)。在碾壓工序結(jié)束后，檢測(cè)填筑層頂面的壓實(shí)度。

3.2 試驗(yàn)路段上路堤試驗(yàn)結(jié)果

在公路的K80+100～300 試驗(yàn)段使用原方案填筑，在K80+300～500 試驗(yàn)段使用新方案填筑，按照上述摻水泥改良土方法完成施工后，在兩個(gè)試驗(yàn)段上各隨機(jī)選取6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，選擇“灌砂法”測(cè)定上路堤壓實(shí)度，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 上路堤壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

由表4 可知，試驗(yàn)段采用原方案填筑的上路堤壓實(shí)度平均值為91.7%，使用新方案填筑的上路堤壓實(shí)度平均值為95.0%。原方案需要在補(bǔ)壓1 次后才能使平均壓實(shí)度達(dá)到94.4%，滿(mǎn)足壓實(shí)度要求（94.0%）。對(duì)比來(lái)看，使用新方案處理路基上路提，取得的壓實(shí)效果要優(yōu)于原方案。

3.3 試驗(yàn)路段路床試驗(yàn)結(jié)果

路床試驗(yàn)方法與上路堤試驗(yàn)方法相同，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 路床壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

由表5 數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)段路床在使用兩種方案完成填筑后，原方案的平均壓實(shí)度為93.6%，新方案的平均壓實(shí)度為95.8%。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，新方案對(duì)路基壓實(shí)度的提升效果更加明顯。同時(shí)，對(duì)原方案進(jìn)行補(bǔ)壓1次后，平均壓實(shí)度提升了2 個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到了95.6%，與新方案基本持平。由此可知，在使路基達(dá)到相同壓實(shí)度的情況下，使用新方案進(jìn)行路床填筑能夠減少碾壓次數(shù)，對(duì)節(jié)約工期和降低成本有積極幫助[5]。

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于沿線(xiàn)分布有大量高液限土的公路，必須要改良路基填料以提高路基整體剛度。本文設(shè)計(jì)了摻水泥改良高液限土的路基填料優(yōu)化方案，并按照攤鋪填料、摻入水泥、拌合整平、碾壓密實(shí)的施工方法完成填料鋪筑、壓實(shí)。從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，該方案能夠使路基的整體剛度得到提升，對(duì)提高公路整體質(zhì)量有積極幫助。