摘要
为解决高液限土路基填筑中弯沉难控制的问题,根据刚度补偿理论和弯沉等效原则,以弯沉为控制目标,提出高液限土路基弯沉控制方法。该方法以下路堤回弹模量、路基各层顶面回弹模量和填筑厚度为计算参数,通过理论计算得到各层填料所需的材料模量,结合室内试验结果选择合适的填料,确定路基弯沉控制的填筑方案,并可根据路基现场施工效果动态调整。以海南省内国道G360公路为依托工程,依据该方法制订方案,铺筑试验路,并进行现场试验验证。结果表明,路基顶面弯沉满足验收要求,且与验收值误差较小。该方法可有效控制路基弯沉,指导高液限土路基施工与质量控制。
高液限土在中国南方地区分布广泛,其天然含水率高、水稳性差、承载能力低,如果直接用来填筑路基,顶面弯沉较大,往往很难满足验收要
公路路基结构是影响路基弯沉的主要因素,路基各层模量、厚度变化均会引起弯沉值的变
针对上述研究的不足,笔者基于路基刚度补偿理论和弯沉等效原则,将下路堤回弹模量、上路堤和路床填筑厚度作为计算参数,提出以路基弯沉为控制目标的路基填筑设计方法,用于指导高液限土路基填筑方案制定与施工控制。依托海南省国道G360公路,运用该方法设计试验路路基的填筑方案,通过现场试验评价弯沉控制效果,验证该方法的有效性。
高液限土路基顶面弯沉较大、模量较低,一般采用材料模量高且水稳性好的填料在其上部填筑一定厚度的上覆层,使路基刚度逐层得到补偿,最终使路基整体刚度得到提升,以减小路基顶面弯沉。
将高液限土路基和其上部刚度补偿层视为双层弹性层状体系,假设高液限土路基回弹模量为E1,刚度补偿层回弹模量(材料模量)为E2,填筑厚度为h,如
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令,即
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式中:Ei为各层回弹模量,MPa;μi为各层泊松比;q为集中力换算的均布荷载,MPa;Jn(x)为n阶贝塞尔函数;x是积分变量;Ai、Bi、Ci、Di是计算参数,可根据层间结合条件与荷载边界条件确定;z为距表面的深度,m;是伽马函数;a为阶数;R为承载板半径,m;r为距承载板中心的径向距离,m。
由于上述理论求解步骤过于复杂,因此,参考文献[
另一方面,将高液限土路基和刚度补偿层等效为弹性半空间体,设其顶面回弹模量为E',如
(4) |
式中:w′为竖向位移,mm;E′为路基回弹模量值,MPa;μ为泊松比;J0(ζr)为0阶贝塞尔函数;为荷载的汉克尔积分变换式,采用刚性承载板时,;r为距承载板中心的径向距离,m。

(a) 双层弹性体系

(b) 等效弹性半空间体
图1 计算体系
Fig. 1 Calculating system
根据弯沉等效原则,令w=w′。在已知高液限土路基回弹模量、填筑层厚度及等效弹性半空间体模量的基础上,通过计算可得到刚度补偿层材料模量,据此选择填料。
根据路基刚度补偿理论,通过理论计算可以得到高液限土路基刚度补偿设计诺模图,如

图2 高液限土路基刚度补偿设计诺模图
Fig. 2 Nomograph of high liquid limit soil subgrade stiffness compensation design
路基弯沉控制方法基于路基刚度补偿理论,围绕路基顶面弯沉这一控制目标,确定路基顶面综合回弹模量,并测定下路堤回弹模量,初步拟定上路堤和路床的顶面目标回弹模量及填筑厚度,以弯沉等效为原则,通过理论计算得到路基各层填料所需的材料模量,结合现场填料供应情况,确定路基填筑方案。该方法采用动态设计,即在路基各层填筑施工时,可根据现场实测的各层顶面回弹模量,实时调整其上部填筑层的设计。
现场路基顶面回弹模量一般采用刚性承载板法确定,测试结果比较准确,利用其进行理论计算时结果可靠度较高。因此,采用圆形垂直刚性分布静荷载作用下的弹性半空间布辛尼斯克解,根据路基顶面弯沉要求值来确定路基顶面综合回弹模量。
(5) |
式中:为路基顶面综合回弹模量,MPa;为路基顶面弯沉,m;为承载板中心接触压力,MPa;为承载板半径,m;为泊松比。
路基填筑方案设计基于路基刚度补偿理论,以高模量填料填筑上路堤和路床,提升路基整体刚度。以路基顶面综合回弹模量和下路堤回弹模量为参数,初步拟定上路堤和路床顶面目标回弹模量及填筑厚度,通过理论计算,得到路基刚度补偿设计诺模图(
1)确定高液限土填筑的下路堤顶面回弹模量E0。可结合PFWD并考虑高液限土变形滞后效应快速测定下路堤回弹模
2)根据路基顶面设计回弹模量Ed与下路堤顶面回弹模量E0,按路基填筑层顶面的回弹模量从下路堤至路基顶面依次升高的原则,初步拟定上路堤和路床顶面目标回弹模量Et1、Et2、Et3。其中,上路床顶面目标回弹模量即路基顶面设计回弹模量,由路基顶面弯沉要求值计算确定,如

图3 高液限土路基结构图
Fig. 3 Subgrade structure diagram of high liquid limit soil
3)以路基刚度补偿层底面回弹模量和补偿厚度为参数,通过理论计算得到路基刚度补偿设计诺模图,根据设计的路基刚度补偿层顶面目标回弹模量,在诺模图中确定该层填筑材料所需的回弹模量,结合现场供应填料室内试验结果,选择合适的填料。例如,以下路堤顶面回弹模量和上路堤填筑厚度为已知量,根据上路堤顶面回弹模量目标值,在刚度补偿设计诺模图中确定上路堤填料的材料模量,据此来选择填料。以此类推,可确定下路床和上路床的填筑厚度和填筑材料。
4)当刚度补偿顶面回弹模量不能达到设计要求的目标值时,则应调整填料或填筑厚度,直至满足要求为止。
5)确定高液限土路基填筑方案。在已知下路堤回弹模量和路基顶面设计回弹模量时,通过路基弯沉控制方法,可确定上路堤和路床的填筑厚度及填料,制定合理的路基填筑方案。在施工过程中,可根据路基各层位顶面实测回弹模量实时动态调整其上部填筑方案,保证其满足设计要求。
依托海南省国道G360公路,根据路基顶面弯沉控制要求确定路基顶面综合回弹模量,选取K9+380~K9+580作为试验路段,直接用高液限土填筑下路堤并降低压实度标
海南国道G360公路路基顶面弯沉要求值为150(0.01 mm),根据
试验路段直接用高液限土(按压实度87%,最大干密度1.42 g/c

图4 高液限土下路堤回弹模量测试结果
Fig. 4 Test results of high liquid limit soil lower embankment resilient modulus
海南省国道G360公路沿线高液限土分布广泛且挖方量较大,为合理利用高液限土,减少弃方,需对其进行改良。而海南当地缺少石灰,砂砾改良经济成本较高,因此,选用水泥进行改良。现场可供应的填料主要有高液限土、水泥改良高液限土(掺量3%、4%、5%、6%)、粉土质砂。对现场填料进行室内动三轴试验,获取其材料模量,为路基填筑方案设计提供依据。
根据《公路路基设计规范》(JTG D30—2015
按照高液限土路基弯沉控制方法,已确定路基顶面综合回弹模量为70 MPa,下路堤回弹模量为20 MPa,分3层控制填筑厚度,即上路堤0.7 m,下路床0.4 m,上路床0.4 m,初步拟定各层顶面目标回弹模量分别为50、60、70 MPa。路基填筑方案设计如下:
下路堤回弹模量为20 MPa,上路堤填筑厚度为0.7 m,目标回弹模量为50 MPa。从刚度补偿设计诺模图(
上路堤回弹模量为50 MPa,下路床填筑厚度0.4 m,目标回弹模量为60 MPa。从刚度补偿设计诺模图(
下路床回弹模量为60 MPa,上路床填筑厚度为0.4 m,目标回弹模量为70 MPa。从刚度补偿设计诺模图(
在充分利用高液限土的基础上,根据路基各层填料所需材料模量,参考室内动三轴试验结果,分别选用3%水泥改良高液限土、4%水泥改良高液限土和粉土质砂填筑上路堤、下路床和上路床。试验路段具体填筑方案见
为验证高液限土路基弯沉控制方法的有效性,按照
由
1)高液限土路基刚度补偿理论以双层弹性理论和弹性半空间理论为理论基础,以弯沉等效为原则,用于指导路基刚度补偿层的设计,提升路基整体刚度,减小顶面弯沉,实现路基弯沉控制的目的。
2)已知下路堤回弹模量和路基顶面设计回弹模量,根据路基弯沉控制方法,拟定路基各层位填筑厚度和顶面目标回弹模量,通过高液限土路基刚度补偿设计诺模图,可确定填筑材料所需的材料模量,结合室内试验结果选择填料,确定路基填筑方案。现场施工时,可根据路基各层位实测回弹模量实时动态调整上部填筑方案。
3)通过现场试验,参考高液限土路基弯沉控制方法,制定试验路段路基填筑方案,经现场施工与检测,结果显示,高液限土路基顶面弯沉能达到预期控制效果。
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