车辆荷载下生石灰改良过湿土硬壳层作用效应研究

尚桦雨，朱 福，赖嘉俊，于成江，肖璐沅

(吉林建筑大学 交通科学与工程学院 长春市 130118)

0 引言

针对吉舒高速公路工程中过湿粘性土含水率较大、强度低的特征，本研究对路基顶部一定范围内过湿土采用生石灰改良处治，形成一个生石灰改良过湿土人工硬壳层，进而提高了过湿土路基的整体强度。目前，许多学者已经开展了过湿土处治技术研究，例如，戴学臻等[1]对生石灰处治六盘山地区过湿土开展了研究，分析了过湿土含水率损失原理，提出生石灰处治过湿土的掺量公式。王保田等[2]开展了石灰改良过湿土填料的力学性质和施工工艺研究，得出石灰改良过湿土施工时应采用湿土击实法。赵岩等[3]阐述了石灰处治过湿土的机理，并提出了生石灰粉处治过湿土施工方法。杜延军等[4]进行了电石渣改良路基过湿土与石灰改良对比研究，研究表明电石渣改良路基过湿土早期强度与生石灰改良土接近，后期强度高于后者。王达等[5]论述了应用电渗脱水原理降低过湿土填筑路基含水率的方法及要点，提出了电渗法处理过湿土的设计、计算步骤及公式。尽管学者们已经开展了较为系统的过湿土处治研究工作，也取得了一些阶段性成果。但生石灰改良过湿土形成的人工硬壳层作为路基路面结构的一个组成部分，对路基路面力学响应将产生如何影响？硬壳层设计参数如何选用？这些问题都将影响硬壳层的应用。鉴于此，有必要对硬壳层与路基路面力学响应的关系进行系统研究，通过力学分析计算，探究硬壳层作用效应，给出硬壳层的推荐设计厚度与模量范围，从而为生石灰改良过湿土硬壳层措施在道路工程中更好的应用提供技术支撑。

1 路基路面结构

吉舒高速公路的路面结构层设计参数取值见图1。本研究采用多层弹性层状体系理论对生石灰处治过湿土硬壳层进行力学分析，计算中，将面层、基层、底基层简化为弹性层状结构，将生石灰改良过湿土视为独立的弹性层状层。

图1 路基路面结构及参数

2 硬壳层对路基力学响应的影响

2.1 硬壳层对路基顶面竖向压应力分布的影响

生石灰改良过湿土硬壳层模量依据室内试验结果取200MPa。分别对硬壳层厚度为0、20cm、40cm、60cm、80cm条件下，各个计算点位的路基顶面竖向压应力进行了计算，结果见图2(a)。硬壳层厚度取40cm，依据室内生石灰改良过湿土回弹模量测试结果，分别对硬壳层模量为100MPa、200MPa、300MPa、400MPa、500MPa条件下，各个计算点位的路基顶面竖向压应力进行了计算，结果见图2(b)。

(a)厚度的影响

(b)模量的影响图2 硬壳层对路基顶面压应力的影响

由图2可以看出，在硬壳层作用下，路基顶面的竖向压应力减小，竖向压应力分布趋于平缓。随着硬壳层厚度与模量的增加，路基顶面的竖向压应力逐渐减小，这表明增加硬壳层厚度与模量，可以有效地减小车辆荷载作用中心附近的大主应力。从无硬壳层到硬壳层厚度80cm，路基顶面的竖向压应力最大减小幅度为58.7%。硬壳层模量由100MPa增加到500MPa，路基顶面的竖向压应力最大减小幅度为20.7%。由此得出，在选定的参数取值范围内，硬壳层厚度变化比模量变化对路基顶面竖向压应力的影响更显著。

2.2 硬壳层对路基强度的影响

沥青路面设计方法大多采用路基回弹模量表征路基的力学特性，本研究以路基顶面当量回弹模量来分析硬壳层对路基强度的影响规律。基本思路是：以弯沉值等效原则计算路基顶面当量回弹模量，依据多层弹性层状体系理论计算路面结构体系的路基顶面弯沉值，当满足与硬壳层顶面基准值误差后，以路基顶面基准弯沉值所对应的路基当量回弹模量值作为路基顶面当量回弹模量。

为了分析硬壳层厚度与模量对路基强度的影响，以路基顶面当量回弹模量为评价指标，设定原路基回弹模量取值范围10～70MPa，硬壳层厚度0～80cm，硬壳层模量取200MPa，硬壳层泊松比取0.3；硬壳层模量100～500MPa，硬壳层厚度取40cm，路面结构参数如图1所示。车辆荷载采用标准双轮荷载，基于层间连续状态下多层弹性层状体系理论，进行不同设计工况的计算，结果见图3与图4。

图3 硬壳层厚度对路基强度的影响

由图3可知，随着硬壳层厚度的增加，路基强度逐渐增大。原路基回弹模量10MPa时，从无硬壳层到硬壳层厚度80cm，路基强度增加了6.9MPa；原路基回弹模量70MPa时，从无硬壳层到硬壳层厚度80cm，路基强度增加了25.2MPa，后者是前者的3.65倍。

图4 硬壳层模量对路基强度的影响

从图4可知，随着硬壳层模量的增加，路基强度逐渐增加。原路基回弹模量10MPa时，硬壳层模量由100MPa增加到500MPa，路基强度增加了3.5MPa。原路基回弹模量70MPa时，硬壳层模量由100MPa增加到500MPa，路基强度增加了24.5MPa，后者是前者的7.0倍。

3 硬壳层对路面结构力学响应的影响

在层间连续状态下，初步对选定路面结构进行整体结构应力计算表明，沥青层底为压应力，基层底与底基层底最大弯拉应力位于车轮中心(图1中1号点位置)。因此，本研究重点对硬壳层参数变化对路表弯沉值、基层与底基层底部弯拉应力带来的影响进行分析。设定硬壳层厚度的取值为0～80cm，硬壳层模量的取值为100～500MPa，硬壳层泊松比为0.3，以图1路面结构为例，基于层间连续状态下多层弹性层状体系理论进行不同设计工况的计算，结果见图5、图6。

3.1 硬壳层对路表弯沉值的影响

由图5可知，随着硬壳层厚度与模量的增加，路表弯沉值逐渐减小，硬壳层厚度由0增加到80cm，路表弯沉值减小了0.1002mm，减小幅度为22.9%。硬壳层模量由100MPa增加到500MPa，路表弯沉值减小了0.0582mm，减小幅度为14.4%。上述分析结果表明，增加硬壳层厚度与模量，均能有效地减小路表弯沉值，相比之下，在本研究选定的硬壳层参数范围内，增加硬壳层厚度减小路表弯沉值的效果更显著。

3.2 硬壳层对基层底弯拉应力的影响

由图6可知，随着硬壳层厚度与模量的增加，基层底弯拉应力逐渐减小，硬壳层厚度由0增加到80cm，基层底弯拉应力减小了27.52kPa，减小幅度为41.7%。硬壳层模量由100MPa增加到500MPa，基层底弯拉应力减小了25.73kPa，减小幅度为46.6%。随着硬壳层厚度与模量的增加，基层底弯拉应力减小的幅度逐渐降低，硬壳层厚度超过60cm时，基层底弯拉应力减小幅度仅为4.3%。硬壳层模量超过400MPa时，基层底弯拉应力减小幅度仅为7.7%。

(a)厚度与弯沉值关系

(b)模量与弯沉值关系图5 硬壳层参数与路表弯沉值的关系

上述分析结果表明，增加硬壳层厚度与模量均能有效地减小基层底弯拉应力，硬壳层模量与厚度的持续提高，对降低基层底弯拉应力的贡献量越来越小。因此，综上给出硬壳层厚度的推荐范围20～60cm，模量的推荐范围200～400MPa。

4 结论

基于多层弹性层状体系理论，分析了吉舒高速公路生石灰改良过湿土硬壳层对路基路面结构力学响应的影响规律，取得如下主要结论：

(1)随着硬壳层厚度与模量的增加，路基顶面的竖向压应力逐渐减小，路基强度提高，硬壳层厚度变化比模量变化对路基顶面的竖向压应力的影响更显著。

(a)厚度与基层底弯拉应力关系

(b)模量与基层底弯拉应力关系图6 硬壳层参数与基层底弯拉应力的关系

(2)随着硬壳层厚度与模量的增加，路表弯沉值、基层底弯拉应力逐渐减小，但相比之下，增加硬壳层厚度对减小路表弯沉值的效果更加显著。硬壳层模量与厚度的持续提高，对降低基层底弯拉应力的贡献量越来越小。综合分析给出，生石灰改良过湿土硬壳层厚度的推荐范围20～60cm，模量的推荐范围200～400MPa。