公路改扩建工程老路基处治深度研究

张军辉，刘杰，邓宗煌，王新宇，李周强

(1.长沙理工大学 公路养护技术国家工程实验室，湖南 长沙 410114；2.湖南省地质矿产勘查开发局四○二队)

中国南方路网密度大，修筑时间早，随着社会经济的快速发展，很多公路急需通过改扩建提高通行能力。由于南方湿热多雨，老路基与周围环境的湿热交换导致其含水率逐渐从修筑时的最佳含水率增加到某一与气候、土质等相适应的平衡状态，含水率最大增加65%以上，导致老路基刚度显著降低。对这些老路基进行拼接时，由于其刚度低，无法满足路床要求，需进行石灰或水泥等改良土换填。

目前对路床填筑改良土的研究多集中在新建路基，而对老路基处治深度研究较少，路基的处治深度取值主要依赖于工程经验，无理论依据，或者取上路床或整个路床深度，由此可能导致路基处治深度不够，处治后仍不能满足路面对路基的要求；或路基处治深度过大，造成浪费。因此，如何有效确定老路路基处治深度是老路基拼接的关键技术之一。

该文依托湖南省第一条高速公路改扩建工程——莲株公路改扩建工程，开展老路基水泥改良处治前后弯沉测试，并建立其与PFWD模量之间的相互关系，进而根据路基弯沉设计要求，计算得到对路基PFWD模量的要求，并以此为标准，建立不同老路基状况下的处治深度确定方法，以便在莲株公路改扩建工程全线进行推广应用。

1 依托工程介绍

依托工程莲株公路改扩建工程起于湘赣省界莲花冲，穿越醴陵市规划区北侧至板杉，经芦淞区的姚家坝、白关至株洲市红旗立交桥东侧，顺接莲易公路株洲至易家湾段，全长50.384 km。该工程采用“单侧整体加宽为主，局部分离”的方式进行“两车道改四车道”扩建，扩建后路段为四车道整体式路基，路床厚度1.2 m，路床顶-15 cm至路床顶为15 cm碎石垫层，新设计路床顶-15 cm设计弯沉值为178(0.01 mm)，采用7%水泥改良方案且最大处治深度为整个新设计路床深度。

莲株公路经过22年的运营，老路基压实度、回弹模量均显著降低，经检测发现，莲株公路老路基压实度和回弹模量分别为75.5%～91.3%(平均值为83.4%)、35.9～46.8 MPa(平均值为40.0 MPa)，远低于JTG D30-2015《公路路基设计规范》规定高速公路路床压实度96%和JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》规定特重交通等级道路的回弹模量60 MPa的要求，因此需对老路基进行适当处治。因此，如何有效确定老路路基处治深度是保障公路改扩建工程质量的关键技术之一。

2 老路基处治深度确定所用检测方法及研究思路

2.1 老路基处治深度确定所用检测方法介绍

(1)贝克曼梁

在老路基表面采用长度为5.4 m的贝克曼梁进行弯沉检测，可作为判定路基承载能力最直接的指标。每个测点需要4个检测人员，耗时约10 min。

(2)便携式落锤弯沉仪(PFWD)

便携式落锤弯沉仪其工作原理是采用10 kg落锤从一定高度自由落下，通过阻尼装置、承载板(直径30 cm)对路基产生瞬间的冲击，使路基产生变形。模拟车辆运行时对路基产生的动荷效应冲击路基，在冲击能相同的条件下，测试路基的垂直变形值，以此计算路基的模量Ep。从理论上讲，路基碾压越密实，变形值越小，路基的模量Ep越高。每个测点需要3个检测人员，耗时约3 min。

2.2 老路基处治深度研究思路

(1)在依托工程莲株公路改扩建工程不同填料老路基段，各选取1个试验段(长50～100 m)，将路面清除后，在老路基上各选取20个测点，各测点上依次用PFWD检测模量Ep、贝克曼梁检测弯沉L，建立不同填料原状土模量Ep与弯沉L之间的相关关系。

(2)从试验段老路基顶面向下开挖至新设计路床底，对底部进行碾压后采集模量Ep与弯沉L。JTG D30-2015《公路路基设计规范》规定，对于特重和极重交通路床厚度为120 cm，故莲株高速公路路床设计为120 cm。考虑到莲株公路改扩建工程路基顶面铺设15 cm碎石垫层的设计要求，确定老路基处治深度为0～105 cm。根据水泥改良土的适宜碾压厚度，确定每层压实厚度为21 cm。待每层水泥改良土强度稳定(养生7 d)后，为减少误差和保证样本数，选取两个测点检测模量Ep和弯沉L，并取二者平均值作为最终结果。不同层位的测点竖向需保持在同一中心线上。建立不同土质改良土模量Ep与弯沉L之间的相关关系，并分析得到每填筑一层水泥改良土对弯沉值的减少效果。

(3)在未改良且土质相同路段的老路基顶采集模量Ep，反算弯沉L。根据老路基顶面弯沉值和新建路床验收容许弯沉值之间的差值和每填筑一层水泥改良土对弯沉值的减少效果，确定改良土处治深度。

3 老路基不同填料弯沉L与模量Ep的相关关系

3.1 不同填料素土弯沉L与模量Ep的相关关系

在依托工程莲株公路改扩建工程选取K1 105+000～K1 105+100黏土质砂段、K1 117+260～K1 117+310含砂低液限黏土段为试验段，测点沿行车道或超车道中心线按等距5 m布置，共计20个测点，分别检测PFWD模量、贝克曼梁弯沉。并建立便携式落锤弯沉仪(PFWD)模量Ep与贝克曼梁弯沉L之间的相关关系，如图1所示。

图1 不同填料素土弯沉L与模量Ep的相关关系

由图1可知：对于莲株公路改扩建工程老路基不同填料段，模量Ep与弯沉L的相关系数R2都超过了0.9，表明二者具有良好的相关关系。由于便携式落锤弯沉仪具有操作简单、所需时间短等优点，有利于大规模应用，因此可用便携式落锤弯沉仪代替贝克曼梁进行老路基性能检测，并用PFWD模量Ep根据关系式反算弯沉L。

3.2 不同填料改良土弯沉L与模量Ep的相关关系

为考察每填一层水泥改良土对路基性能的影响，在黏土质砂、含砂低液限黏土试验段不同层位的两个测点采集老路基、各改良土层PFWD模量、贝克曼梁弯沉数据。并建立各层便携式落锤弯沉仪(PFWD)模量Ep与贝克曼梁弯沉L之间的相关关系，如图2所示。由图2可知：不同土质路基的改良土模量Ep与弯沉L的相关系数R2都超过了0.9，因此，可用便携式落锤弯沉仪代替贝克曼梁进行老路基填料改良后的性能检测。

图2 不同填料改良土弯沉L与模量Ep的相关关系

4 老路基处治深度确定

4.1 黏土质砂路段处治深度确定

对黏土质砂试验段老路基开展换填不同水泥改良土层数后顶面PFWD模量测试，并根据图1，计算得到换填不同层数改良土后其顶面弯沉。换填层数和其顶面弯沉的相关关系如图3所示。

由图3可知：在黏土质砂试验路段，随着水泥改良土的填筑，改良土顶面弯沉值减小的规律为：① 第1层改良土顶面弯沉值相比于原状土减小92(0.01 mm)；② 第2层改良土顶面弯沉值相比于第1层减小76(0.01 mm)；③ 第3层改良土顶面弯沉值相比于第2层减小68(0.01 mm)；④ 第4层改良土顶面弯沉值相比于第3层减小54(0.01 mm)；⑤ 第5层改良土顶面弯沉值相比于第4层减小46(0.01 mm)。

因此，根据弯沉值减小的规律，提出0、21、42、63、84、105 cm共6个老路基处治深度标准，见表1。

图3 黏土质砂试验段改良土弯沉减小效果图

表1 黏土质砂路段老路基处治深度标准

4.2 含砂低液限黏土路段处治深度确定

对含砂低液限黏土路段的老路基，测试换填不同水泥改良土层数后顶面PFWD模量，并根据图1计算弯沉，从而建立不同改良土层数与其顶面弯沉的相关关系，如图4所示。

图4 含砂低液限黏土试验段改良土弯沉减小效果图

由图4可知：在含砂低液限黏土试验路段，随着水泥改良土的填筑，改良土顶面弯沉值减小的规律为：① 第1层改良土顶面弯沉值相比于原状土减小120(0.01 mm)；② 第2层改良土顶面弯沉值相比于第1层减小79(0.01 mm)；③ 第3层改良土顶面弯沉值相比于第2层减小64(0.01 mm)；④ 第4层改良土顶面弯沉值相比于第3层减小54(0.01 mm)；⑤ 第5层改良土顶面弯沉值相比于第4层减小35(0.01 mm)。

因此，根据弯沉值减小的规律，提出0、21、42、63、84、105 cm共6个老路基处治深度标准，见表2。

表2 含砂低液限黏土路段老路基处治深度标准

5 老路基处治效果

前述老路基处治深度确定方法在依托工程莲株公路改扩建工程全线进行了推广应用。为验证老路基处治厚度确定方法的有效性，对按该方法确定的处治深度换填后的路基顶面进行了弯沉测试。表3为部分段落的测试结果，从表3可知：改良层铺设后其顶面弯沉接近并小于设计弯沉，从而验证了该文确定的老路基处治深度确定方法的有效性。

表3 莲株公路老路改良层测试结果

续表3

6 结论

依托莲株公路改扩建工程，分别在黏土质砂、含砂低液限黏土老路基段选取试验段，以PFWD模量Ep为关键指标，进行老路基处治深度研究，现场试验段检测了老路基及改良土层的模量Ep和弯沉L并建立了二者的相关关系，提出了老路基处治深度确定方法，获得如下主要结论：

(1)无论是黏土质砂，还是含砂低液限黏土，亦或是其水泥改良土，其PFWD模量与弯沉之间存在良好的相关关系。由于便携式落锤弯沉仪具有操作简单、所需时间短等优点，有利于大规模应用，因此可用便携式落锤弯沉仪代替贝克曼梁进行老路基性能检测，并用PFWD模量Ep根据关系式反算弯沉L。

(2)在各老路基路段以老路基顶PFWD模量Ep为关键指标，提出了无需处治、水泥改良土回填21、42、63、84、105 cm等几种处治方案的控制方法，在依托工程推广应用证明了该方法的有效性。