广东偏湿土路基弯沉控制方法及试验验证

王超， 任天锃

(1.中交四航局 第三工程有限公司， 广东 湛江 524009；2.长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114)

偏湿土在中国南方地区高速公路建设中极为常见。偏湿土天然含水率偏高，保水性强，不易晾晒，强度低，水稳性差，直接填筑路基顶面弯沉较大，难以满足设计和验收要求。常用处治手段主要是化学改良或物理改良，大多以工程经验为主，为达到预期效果，需大量铺筑试验路，费时耗力，无法实现路基弯沉的精确控制。卢正等通过分析高速公路路基结构，根据弹性力学理论和傅里叶变换方法，提出了路基顶面变形控制标准和确定方法；郑健龙等从变形计算、压实控制和刚度补偿三方面对公路膨胀土路基展开研究，确定了路基变形预测与控制方法；邹静蓉等以分条分层总和法预估典型刚性路面路基永久变形，分析了路基永久变形的空间分布规律。

公路路基结构是影响路基弯沉的主要因素，路基各结构层的模量、厚度均会对路基顶面弯沉控制效果产生重大影响。董城等分析水泥改良高液限土动态回弹模量随含水率、压实度和水泥剂量的变化，得到了回弹模量预估模型，为路基结构设计提供参数；刘正楠等分析了全风化花岗岩路基变形特性，为提高路基整体刚度，提出了路基刚度补偿设计方法；黄拓等为减小路基顶面弯沉，分析了路基刚度提升规律，提出了提高路基刚度的方法；张锐等提出了高液限土路基刚度补偿方法，对高液限土路基进行了上路堤与路床的刚度补偿设计，保证了路基整体强度和刚度。目前的研究多利用工程经验法，无法实现偏湿土路基弯沉的精确控制。针对以上不足，该文依托广东广连(广州—连州)高速公路，以弹性半空间和弹性双层体系理论为基础、弯沉等效为原则，研究广东偏湿土路基弯沉控制方法。

1 路基弯沉控制方法

以弹性半空间和弹性双层体系理论为基础、弯沉等效为原则，以路基顶面弯沉和回弹模量为控制指标、下路堤回弹模量和其上各结构层填筑厚度为计算参数，通过理论计算，得到上路堤和路床填料所需模量，结合现场填料供应情况，制订合理的路基填筑方案，并根据现场施工效果进行动态调整。

1.1 理论基础

偏湿土路基刚度偏低，顶面弯沉较大，一般在其上部填筑高模量材料提升路基整体刚度。将偏湿土路基和上部填筑层视为弹性双层体系[见图1(a)]，假定偏湿土路基回弹模量为E0，其上部填筑层填料模量为E1，厚度为h，在层间结合处(z=0)二者位移相等。在刚性承载板垂直荷载作用下，根据轴对称弹性双层理论，其表面竖向位移w为：

图1 理论计算模型

(1)

在层间结合处(z=0)，w=w0，有：

C1+(2-4μ1)D1]dx=

4μ0)B0+C0+(2-4μ0)D0]dx

(2)

(3)

式中：μi为泊松比；Ei为路基回弹模量(MPa)；q为集中力换算的均布荷载；Jn(x)为n阶贝塞尔函数；x为积分变量；r为距承载板中心的径向距离(cm)；δ为承载板半径(cm)；Ai、Bi、Ci、Di为计算参数，根据层间结合条件与荷载边界条件确定；z为距表面深度；Γ为伽马函数；a为阶数。

由于上述求解过程过于复杂，利用文献[12]的方法计算弹性双层体系的竖向位移。

另一方面，将填筑层和偏湿土路基等效为弹性半空间体[见图1(b)]，假定其顶面回弹模量为E′，根据弹性半空间理论，其表面竖向位移w′为：

(4)

根据弯沉等效的原则，令w′=w，已知偏湿土路基回弹模量和上部填筑层厚度时，根据弯沉控制要求，可求得填筑层材料回弹模量，据此选择合适的填料。

1.2 路基弯沉控制设计方法

路基弯沉控制设计方法是基于弹性半空间和弹性双层体系理论，以高模量填料填筑上路堤和路床，对偏湿土路基刚度进行补偿。以路基顶面弯沉为控制目标、路基顶面综合回弹模量和下路堤回弹模量为计算参数，初拟上路堤和路床顶面的填筑厚度和回弹模量目标值，通过理论计算得到路基模量-弯沉图，根据弯沉等效原则，在图上找到满足上路堤和路床填料目标要求的材料模量，结合现场填料的模量试验结果选择合适的填料，最终确定路基填筑设计方案。每一路基结构层施工完成后，实时检测该层顶面回弹模量与回弹弯沉，若不满足设计要求，则随时进行动态调整。设计步骤如下：

(1) 根据路基顶面弯沉控制值，利用弹性半空间布辛尼斯克解计算路基顶面综合回弹模量；利用便携式落锤弯沉仪(PFWD)快速测定偏湿土填筑下路堤回弹模量，也可根据偏湿土的稠度及当地经验初步预估下路堤回弹模量。

(2) 根据路基顶面综合回弹模量与下路堤回弹模量，按路基填筑层顶面的回弹模量从下至上依次升高的原则初步拟定上路堤和路床顶面目标回弹模量，其中上路床顶面目标回弹模量即为路基顶面综合回弹模量。以路基填筑层底面回弹模量和填筑厚度为计算参数，通过理论计算得到路基模量-弯沉诺模图，根据上路堤和路床顶面拟定的目标回弹模量，在图上确定各层填料所需回弹模量，结合现场供应填料的模量试验结果选择合适的填料。

(3) 确定偏湿土路基填筑设计方案，并根据现场施工效果与检测结果动态调整填筑方案。

2 现场试验结果及验证

以广东广连高速公路为依托工程，以路基顶面弯沉为控制目标，根据其控制要求确定路基顶面综合回弹模量。选取TJ02标三凤里为路基试验段，采用现场偏湿土直接填筑下路堤，利用PFWD对下路堤模量进行快速测定，根据偏湿土路基弯沉控制方法，结合现场填料基本物理力学性质试验结果，选择合适的上路堤和路床填料，制订合理的路基填筑设计方案。

2.1 现场填料的基本物理力学性质

试验段可供应的填料有红土、黄土、全风化花岗岩和水泥改良全风化花岗岩(水泥掺量为4%、6%、8%)。对现场填料分别进行颗粒分析、液塑限、承载比和室内动三轴试验，获取其基本物理力学性质，结果见表1。

表1 现场填料的基本物理力学性质

2.2 路基顶面模量和下路堤模量的确定

广连高速公路路基顶面验收弯沉为130 (0.01 mm)，采用弹性半空间布辛尼斯克解计算对应的路基模量，为78.9 MPa。为方便设计，取80 MPa作为路基顶面模量设计值。

试验段路基采用红土直接填筑下路堤，选取10个测点利用PFWD快速测定下路堤回弹模量，结果见图2。下路堤回弹模量测试结果平均值为30.5 MPa，路基设计时取30 MPa。

图2 下路堤回弹模量测试结果

2.3 试验段路基填筑方案设计

以路基顶面综合回弹模量设计值、下路堤回弹模量和各填筑层厚度为参数，初拟上路堤和路床顶面目标回弹模量，通过理论计算得到路基模量-弯沉诺模图。根据弯沉等效原则，在诺模图上确定上路堤和路床顶面模量达到目标值时填料所需模量，结合现场填料室内试验结果选择合适的填料，确定路基填筑设计方案。

经PFWD现场测定，下路堤回弹模量为30 MPa，上路堤填筑厚度为0.7 m，其顶面回弹模量设计目标值为50 MPa，通过理论计算得到对应的模量-弯沉诺模图[见图3(a)]。填筑完成后，使上路堤顶面回弹模量提升至50 MPa，其对应弯沉为206.7 (0.01 mm)，由图3(a)可知该层填料模量应不小于55.5 MPa。

上路堤顶面回弹模量为50 MPa，路床填筑厚度为0.8 m，其顶面回弹模量设计目标值为80 MPa，通过理论计算得到对应的模量-弯沉诺模图[见图3(b)]。填筑完成后，使上路堤顶面模量提升至80 MPa，其对应弯沉为129.2 (0.01 mm)，由图3(b)可知该层填料材料模量应不小于86.3 MPa。

图3 路基模量-弯沉诺模图

根据上路堤和路床填筑材料回弹模量要求，结合现场填料模量试验结果(见表1)选择合适的填料，上路堤采用黄土填筑，路床采用4%水泥改良全风化花岗岩填筑。路基填筑方案见表2。

表2 试验路路基填筑方案

2.4 现场试验结果

为验证上述路基弯沉控制方法的有效性，根据表2中填筑方案进行现场施工，并按照《公路路基路面现场测试规程》测定上路堤和路床多个测点的回弹模量与回弹弯沉，结果见表3。

表3 试验路路基现场测试结果

由表3可知：按路基弯沉控制方法制订的填筑方案进行施工，上路堤和路床顶面的实测回弹模量均大于设计值、回弹弯沉均小于设计值，路基顶面回弹模量提升至83.2 MPa，顶面回弹弯沉降至125.5 (0.01 mm)，满足验收要求。利用路基弯沉控制方法指导广东偏湿土路基设计与施工的效果良好。

3 结论

(1) 偏湿土路基弯沉控制方法以路基顶面弯沉为控制目标，根据弹性半空间和弹性双层体系理论，以弯沉等效为原则进行路基填筑方案设计，可用于路基设计与施工质量控制。

(2) 在已知下路堤回弹模量、路基顶面综合回弹模量和路基结构层填筑厚度时，根据路基弯沉控制方法，得到路基各层位的模量-弯沉诺模图，据此确定上路堤和路床填筑材料的回弹模量，结合现场填料供应情况制订填筑方案。

(3) 依据偏湿土路基弯沉控制方法进行路基设计，可有效控制路基顶面弯沉，同时能合理利用现场填料，节约工程造价，可在广东等南方地区偏湿土路基进行推广应用。