多年冻土区XPS保温板路基的顶面弯沉控制方法

张会建，董元宏，多吉罗布，朱东鹏，符 进

（1．中交第一公路勘察设计研究院有限公司 高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室，陕西 西安 710068；2．西藏天路股份有限公司，西藏 拉萨 850000）

0 引 言

保温法是在路基内加铺一层保温材料，利用保温材料的低导热性（高热阻）阻止上部热量进入下部土层，从而起到保护多年冻土的作用，是一种最早用于多年冻土区的地温调控措施［1－3］。保温材料先后出现了聚氨酯（PU）板、聚苯乙烯泡沫（EPS）板［4－5］和挤塑式聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）板［6］。对于道路工程而言，要求保温材料既要具有一定的热阻，又要有较高的强度，XPS板以其优良的阻热率和抗压强度逐步取代了PU 板和EPS板［7－8］。然而，XPS保温板路基是一种从工程热学角度提出的多年冻土路基调控措施，XPS保温板材料的力学性质与路基填土差异较大，在路基中铺设XPS保温板，会对路基的承载力及变形产生影响，如在建的共玉公路在XPS保温板路基施工过程中就出现了路基顶面弯沉超标的实际问题，成为影响XPS保温板路基施工质量的一个技术难题。

目前，国内外对XPS保温板路基的应用研究主要集中在其降温效果和设计参数等方面，关于其物理力学性能及影响因素的研究较少。David C．Esch开展导热性能、抗压强度和长期蠕变等参数的测试发现，EPS保温板优于模铸聚苯乙烯保温板，而后者又优于PU保温板。温智［9］通过室内试验测定了EPS保温板和PU保温板的密度、比热、导热系数、热扩散系数、抗压强度和含水量等物理力学指标，并研究了冻融循环作用对这些指标的影响，但是受保温材料发展水平的制约，试验对象未涉及XPS保温材料。董元宏等［10］研究了XPS保温板弹性模量对路基弯沉的影响，但未就路基填料和埋深的影响开展研究。

本文从共玉公路XPS保温板路基超标的实际问题出发，结合XPS保温板路基设计方案，建立XPS保温板路基弯沉计算模型，研究XPS保温板自身材质、下承层模量和埋设深度对XPS保温板路基顶面弯沉的影响规律，提出满足路基弯沉控制的XPS保温板路基铺设必要条件，并通过现场试验路验证这些条件的合理性。本文的研究成果对于多年冻土区XPS保温板路基的合理选材和施工质量控制具有重要的现实指导意义。

1 问题描述

1．1 XPS保温板路基设计方案

青海省共和至玉树（结古）高速公路全长635．6 km，穿越的多年冻土段长227．7km。为确保多年冻土路基的稳定，设计采用了XPS保温板路基与热棒的方案，应用里程为5．39km。XPS保温板铺设于路基顶面下0．3m处，铺设厚度为（4＋4）cm，双层铺设，上下两层错缝布置，横向铺设宽度与路面同宽。XPS保温板设计技术指标为：导热系数不大于0．03W·m－1·℃－1，密度不小于45kg·m－3。共玉公路多年冻土区填方路基基底采用“不清表，直接填筑30cm厚石渣冲击碾压或重锤夯入地面以下，再填筑30cm厚石渣”的处理方案。共玉公路XPS保温板路基如图1所示。

图1 共玉公路XPS保温板路基横断面

根据设计文件，共玉公路土基及路面各结构层顶面设计弯沉见表1。

表1 土基及路面各结构层顶面回弹弯沉值0．01mm

1．2 路基弯沉超标问题

根据《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60—2008），采用贝克曼梁法对共玉公路K571＋100～K571＋200段XPS保温板路基的弯沉进行了现场检测和质量评定，检测及质量评定结果见表2。该段XPS保温板路基弯沉平均值为235（0．01 mm），保证率系数为2．0，标准差为 35．12（0．01 mm），弯沉代表值为305（0．01mm），不满足设计要求。XPS保温板铺设之前，采用灌砂法检测路基的压实度，结果见表3，压实度平均值为97．38%，标准差为0．96%，保证系数为1．177，压实度代表值为96．2%，符合规范不小于96%的要求。可见，在路基压实度符合要求的情况下，弯沉超标是存在于冻土区XPS保温板路基施工中的实际问题。

XPS保温板埋设于路基顶面下一定深度的路基填料中，施工完成后路基既已成型，XPS保温板路基弯沉超标，即使返工也无法保证弯沉合格，造成XPS保温板路基无法交验，后续施工无法开展，成为困扰现场XPS保温板路基施工和参建各方的难题。

2 XPS保温板路基顶面弯沉影响分析

2．1 XPS保温板路基弯沉计算模型

对共玉公路一期K562＋280～K562＋480段XPS保温板路基建立弯沉计算模型。该段路基平均填土高为度为2．4m，基底处理方案为：0．3m石渣冲入原地面下，0．3m石渣露出地表。计算模型自上而下分别为：0．65m厚路面结构层、0．3m厚板上填土、0．08m 厚 XPS保温板、1m 厚土基、0．3m厚石渣（露出地表）、0．3m厚石渣（冲入地表下）及1m厚软弱土。XPS保温板路基各结构层材料的物理、力学参数见表4。

表2 K571＋100～K571＋200段XPS保温板路基现场弯沉检测及评定结果

表3 K571＋100～K571＋200段XPS保温板铺板前路基压实度检测结果

根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006），弯沉计算荷载采用BZZ－100标准轴载，轴载当量圆半径和间距均为10．65cm，荷载大小为0．7 MPa。参考有关资料，弯沉值的测定深度一般在80～150cm左右。建立三维立体模型，X方向即纵向长度为2m，Y方向即横向宽度为2m，Z方向底部视为刚性，竖向厚度取值如下。

表4 XPS保温板路基各结构层材料参数

（1）铺设XPS保温板之前：自上而下分别为1 m厚土基、0．6m厚石渣层和1m厚软弱层。

（2）铺设XPS保温板之后：自上而下分别为0．3m厚板上填土、0．08m厚XPS保温板、1m厚土基、0．6m厚石渣层和1m厚软弱层。铺设XPS保温板前、后计算模型网格划分如图2、3所示，铺设XPS保温板前、后X－Z剖面弯沉见图4、5。

图2 铺设前网格划分

图3 铺设后网格划分

图4 铺设前X－Z剖面弯沉

图5 铺设后X－Z剖面弯沉

通过对比K562＋280～K562＋480段XPS保温板路基铺设XPS保温板前、后的实测弯沉与计算弯沉来验证计算模型，结果见表5。由表5可知，铺设XPS保温板之前计算弯沉与实测弯沉的偏差为2．39%，铺设XPS保温板之后计算弯沉与实测弯沉的偏差为2．65%，铺设XPS保温板前、后的计算弯沉与实测弯沉基本吻合，说明本计算选取的计算模型和参数等较为合理。

表5 铺设XPS保温板前后实测弯沉与计算弯沉对比

2．2 弯沉计算结果分析

为研究XPS保温板材料自身材质、下承层模量和XPS保温板埋深对路基顶面弯沉的影响，选择一种参数在其可能的范围内变化，保持另外2个参数不变，计算铺设XPS保温板后路基的弯沉值。图6～8分别为XPS保温板路基轮隙中间弯沉值随XPS保温板模量、下承层模量和XPS保温板埋设深度的变化规律。

图6 弯沉随XPS保温板模量的变化

图7 弯沉随下承层模量的变化

图8 弯沉随XPS保温板埋设深度的变化

由图6可知：XPS保温板路基顶面弯沉值随着XPS保温板模量的增大而减小；当XPS保温板模量由10MPa增大到50MPa时，路基顶面弯沉值由239．8（0．01mm）减小到190．6（0．01mm），减少了20．52%；随着XPS保温板模量的不断增大，弯沉减小的幅度也越来越小，表明XPS保温板自身材质会对路基的弯沉产生显著影响。

由图7可知：XPS保温板路基顶面弯沉值随着下承层模量的增大而减小；当下承层模量由30MPa增大至60MPa，弯沉值由253．1（0．01mm）减小至201．1（0．01mm），减小20．55%；随着下承层模量的不断增大，弯沉减小的幅度也越来越小，说明下承层模量会对路基的弯沉产生较为显著的影响。

由图8可知：XPS保温板埋深由30cm增加到60cm时，弯沉值由201．1（0．01mm）减小到192．6（0．01mm），减小了4．2%，说明 XPS埋深对 XPS保温板路基的弯沉影响较小；增大XPS埋深，路基弯沉有所减小，但减小的幅度和趋势较小。

综合分析图6～8可以发现，XPS保温板路基顶面弯沉值随XPS保温板模量、下承层模量和XPS保温板埋深的增大而减小，且呈线性关系。随着XPS保温板模量、下承层模量和XPS保温板埋深的逐步增大，XPS保温板路基顶面弯沉值减小的幅度越来越小。XPS保温板模量、下承层模量对XPS保温板路基顶面弯沉影响显著，而XPS保温板埋深对XPS保温板路基顶面弯沉影响不明显。

2．3 弯沉控制对策

由XPS保温板路基顶面弯沉值计算结果可知，XPS自身材质和模量对弯沉影响较大。通过对国内XPS保温板的调查发现，市场上XPS保温板主要用于建筑行业的外墙保温，技术指标为隔热系数、阻燃系数和环保指标，而对抗压强度和模量未作特别的要求。在道路工程中，对XPS保温板不但有隔热性能的要求，而且对强度和承载力也有严格要求。市场调查还发现，用于外墙保温的XPS保温板价格约为20～30元·m－2，而符合多年冻土道路设计指标的XPS保温板单价约为120～160元·m－2，两者相差约4～8倍。XPS保温板路基为新工艺、新材料、新技术，部分施工企业缺乏相关施工经验，在投标报价环节，未仔细明确设计文件中XPS保温板材料的技术指标要求，错误地认为用于路基填筑的XPS板就是一般的建筑外墙保温XPS板，中标后又不履行，这是造成XPS板选材不符合设计要求的根本原因，也是影响XPS保温板路基弯沉的重要因素［11－12］。因此，用于冻土路基的XPS保温板必须严格按照设计指标选材。

由上述下承层模量对XPS保温板路基顶面弯沉影响规律的分析可知，为达到弯沉控制的目的，下承层平整度和压实度须满足路基交验标准。凹凸不平的下承层难以保证XPS保温板材与下承层的密贴；压实度反映了路基土体的密实程度，压实度合格是路基弯沉检测的前提。由于下承层的模量现场难以检测，而下承层的弯沉不仅能够准确反映下承层抗压强度和模量，而且是路基施工现场检测项目之一，可操作性强；因此，选择下承层弯沉代表值作为路基弯沉的控制指标，将XPS保温板路基顶面弯沉随下承层模量的变化关系拟合，即

式中：L为路基顶面弯沉；Ec为XPS保温板下承层模量。

将路基顶面设计弯沉L＝205（0．01mm）代入式（1）后计算得到相应的下承层模量Ec为55．24 MPa。取下承层模量为55．24MPa，重新计算铺设XPS保温板之前的路基弯沉值为163（0．01mm），约为路基顶面设计弯沉的0．8倍。

虽然增大XPS保温板埋深能够减小XPS保温板路基弯沉，然而效果有限；而且埋深增大会相应地增大XPS保温板的铺设宽度，增加成本。埋深每增大0．1m，XPS保温板横向铺设宽度就增加0．3～0．4m，成本增加3．6%～4．8%（原铺设宽度按8．4 m计），不经济。因此，综合考虑XPS保温板路基弯沉控制和经济性，XPS保温板的合理埋深为路基顶面下40cm。

综合上述分析，提出满足弯沉控制要求的XPS保温板路基铺设的必要条件为：XPS保温板满足设计指标要求；下承层平整度和压实度达到路基交验标准，弯沉实测代表值小于0．8倍的路床顶面设计弯沉值。

3 XPS保温板路基弯沉试验路

选用某符合设计指标的XPS保温板在共玉公路一期K553＋650～K553＋950段、K562＋280～K562＋480段和K570＋950～K571＋100段分别铺筑了双层（5cm＋5cm）、双层（4cm＋4cm）和单层6cm的XPS保温板试验路（图9）并进行弯沉检测。现场铺筑过程中，按照XPS保温板路基铺设的必要条件，对XPS保温板下承层进行了重点控制。试验段铺设XPS保温板前、后的压实度和弯沉值检测结果见表6。从表6可以看出以下几点。

图9 K562＋280～K562＋480段XPS保温板铺设

（1）3段试验路铺设XPS保温板之后路基的弯沉实测平均值、实测代表值都较铺XPS保温板之前有不同程度的增大。双层（5cm＋5cm）、双层（4 cm＋4cm）和单层6cm的弯沉平均值分别增大了39．23%、99．23%和11．32%，双层（5cm＋5cm）、双层（4cm＋4cm）和单层6cm的弯沉代表值分别增大了15．98%、30．08%和1．68%。这表明，在路基中加铺XPS保温板会对路基弯沉产生不利的影响，与前文的分析相一致。

（2）铺设XPS保温板之前，3段试验路下承层均满足铺设XPS的必要条件，压实度和平整度均达到了路基交验标准。下承层弯沉代表值分别为167．1（0．01mm）、150．6（0．01mm）和156．6（0．01 mm），为路基顶面设计弯沉的0．8倍。铺设XPS保温板之后，3段试验路路基弯沉代表值分别为193．8（0．01mm）、195．9（0．01mm）、159．6（0．01mm），均小于设计弯沉205（0．01mm）。这表明，当下承层满足弯沉控制的XPS保温板路基铺设的必要条件时，路基弯沉控制效果良好，能够达到设计弯沉要求。

表6 三段试验段铺设XPS保温板前后的压实度和弯沉值

（3）与双层（4cm＋4cm）、双层（5cm＋5cm）相比，单层6cm厚XPS保温板路基铺设前后的路基弯沉均较小，分析认为主要原因是：单层板比双层板少了一层层间光滑面，且单层6cm XPS保温板厚度较小。在满足等效热阻的前提条件下，可优先选用单层6cm厚XPS保温板。

（4）3段试验路的铺筑结果表明，当满足本文提出的控制XPS保温板路基弯沉的必要条件时，在路基中加铺XPS保温板后，路床顶面弯沉是能够满足设计要求的。XPS保温板选材和下承层处理是XPS保温板路基弯沉控制的关键。

4 结 语

（1）多年冻土路基中加铺XPS保温板会对路基顶面弯沉产生不利影响。

（2）XPS保温板路基顶面弯沉值会随XPS保温板模量、下承层模量、XPS保温板埋深的增大而减小，且呈线性关系；但随着XPS保温板模量、下承层模量和XPS保温板埋深的逐渐增大，XPS保温板路基顶面弯沉减小的幅度越来越小。XPS保温板自身材质和下承层模量对路基顶面弯沉影响显著。

（3）根据弯沉值计算结果，提出满足弯沉控制要求的XPS保温板路基铺设的必要条件：XPS保温板技术指标符合设计要求；下承层平整度和压实度满足路基交验标准；弯沉小于0．8倍的路床顶面设计弯沉值。

（4）实体工程试验发现，当满足本文提出的控制XPS保温板路基弯沉的必要条件时，在路基中加铺XPS保温板，路床顶面弯沉是能够满足设计要求的。XPS保温板选材和下承层处理是XPS保温板路基弯沉控制的关键。