基于路基整體剛度的路基填料設計方法

張 建

（1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京；2.中咨華科交通建設技術有限公司，北京）

路基填料的選用是決定路基整體剛度的關鍵因素，如果路基填料設計不合理、施工質量差，在公路投入使用后容易出現裂縫、車轍、沉陷等病害，縮短公路使用壽命、影響公路行車安全。當施工現場沒有合適填料時，施工單位需要采取土體改良的方式對填料進行優化設計，物理改良方法有摻入碎石、砂礫，化學改良方法有摻入石灰、水泥，特殊情況下還可以摻入土壤穩定劑。在開展地質勘察的基礎上，結合公路施工需要，科學選擇相應的填料優化方案。同時嚴格加強填料鋪筑管理，重點做好攤鋪、拌合、碾壓等技術要點的控制，切實提高路基整體剛度。

1 路段概況

某公路全長14.6 km，沿線分布有較多的高液限土?？紤]到高液限土具有含水率高、穩定性差等特點，為保證公路施工質量需要進行路基加固處理。以K80+100～K80+500 段為試驗段，要求路基處理后壓實度不低于94%。結合該路段的地質勘察資料，初步擬定的路基填筑方案（原方案）如表1 所示。

表1 試驗路段原路基填筑方案

同時，提出了一種基于路基整體剛度的路基填料方案，將上路床填筑材料替換為粉土質砂，下路床填筑材料替換為5%水泥+高液限土，上路堤填筑材料替換4%水泥+高液限土，下路堤材料為高液限土，填筑厚度不變。在試驗路段運用兩種方案進行路基填筑，并對比兩條試驗路段的路基頂面壓實度，驗證兩種方案在高液限土路基填筑方面的應用效果。

2 基于路基整體剛度的路基填料設計方案

2.1 下路堤回彈模量快速測定

地質勘察表明，試驗路段的下路堤用高液限土填筑，在路基施工完畢后每隔20 m 布置1 個點位，共計6 個測點。分別使用了承載板法和便攜式彎沉儀檢測下路堤模量。其中，承載板法的計算公式如下

式中:ω 表示路基表面的豎向位移，單位為mm；E 表示回彈模量，單位為MPa；μ 表示泊松比；J(ξr)表示貝塞爾函數；p(ξ)表示荷載的漢克爾積分變換公式；r 表示承載板與測量點位之間的徑向距離，單位為m。除了使用承載板法計算回彈模量外，還可以使用便攜式彎沉儀（PFWD）直接測量點位的回彈模量[1]?？紤]到彎沉試驗中反算模量時存在較大誤差，為了提高測量結果的精度，本文提出了一種基于彈性模型的改進算法，該算法的計算式為

式中:σ 表示所受應力；E 表示回彈模量；ε 表示應變；η表示粘滯系數；dε 和dt 表示對應變和時間求導。根據上述方法，可以分別求得承載板測試中的回彈模量，以及彎沉試驗中常規反算回彈模量和改進反算回彈模量，統計結果見表2。

表2 試驗路段下路堤回彈模量檢測結果

由表2 可知，采用改進反算方法后6 個測點的平均回彈模量為24.93 MPa，與承載板測試的平均回彈模量24.05 MPa 十分接近。這是因為在彎沉試驗中使用改進反算方法，充分考慮了沖擊荷載下路基變形的滯后效應。在實際施工中，為了提高路基剛度，在計算下路堤回彈模量時應當向下取整，故本工程中試驗段下路堤回彈模量的取值為25 MPa。

2.2 上路堤和路床填料設計

為提升路基填筑質量，新方案中采取了分層填筑、層層壓實的施工方式。試驗段路基的上路堤厚度為70 cm，分成4 層，最上層為10 cm，下面3 層均為20 cm；路基的上路床厚度為40 cm，分成2 層，上層和下層均為20 cm；路基的下路床厚度為40 cm，上層和下層均為20 cm。各區位的填筑材料、填筑厚度以及回彈模量等見表3。

由表3 數據可知，路基填料模量的預估值和實測值較為接近，可以參考該值開展路基填料的設計，為提高路基剛度同樣需要將填筑材料的回彈模量向下取整。

3 路基填筑新方案試驗結果

3.1 試驗路段路基填筑施工

該試驗路段的上路堤和路床采用“路拌法”施工，用水泥改良土加固路基，施工流程如圖1 所示。

（1） 上土準備。路基下路堤的填筑材料為高液限土，其松鋪厚度不得超過20 cm。多余部分采用人工挖除、挖掘機裝車的方式，由自卸汽車將多余的高液限土運送至指定地點。對于上路堤和上下路床，采用路拌法完成填筑材料的攤鋪。

（2） 攤鋪填料。上路堤填筑材料為5%水泥+高液限土，下路床填筑材料為4%水泥+高液限土。高液限土填筑前應測定其含水率，要求天然含水率應維持在40%～60%之間。提前一天攤鋪高液限土，在第二天摻入水泥達到改良效果，攤鋪高液限土后使用抹子整平[2]。由于試驗路段較長，在填筑填料時采用分段施工，每段的長度要根據水泥摻量、碾壓要求等具體確定。

（3） 摻入水泥。在整平的高液限土表面畫出方格網，保證水泥摻拌的均勻性。計算每格水泥用量，根據實際用量向水泥撒布車內裝入水泥，精確控制撒鋪量。每格摻入水泥的計算公式為

式中：M 表示每格摻入水泥的質量，單位為kg；γ 表示填土的干密度，單位為kg/m3；S 表示每格的攤鋪面積，單位為m2；H 表示每格的攤鋪厚度，單位為m；N 表示水泥摻量，單位為%。按照上述計算結果確定摻量后，使水泥和高液限土拌合均勻，提高水泥改良土的物理性能。

（4） 拌合及整平。選用拌合機將下層高液限土和上層水泥翻拌3～5 遍，為提高作業效率可以使拌合機以5 m/min 的速度勻速形式，邊走邊拌，觀察到混合料上無明顯灰條、粒徑大小合適后即可停止翻拌[3]。對于機械拌合不到位的邊角處，由施工人員借助于工具手動拌合。在填筑層完全翻透后檢測水泥土的含水率，要求含水率應大于40%，如果含水率偏低需要進行灑水。

（5） 碾壓密實。完成高液限土和水泥的翻拌后，首先使用15 t 光輪壓路機進行初壓，碾壓次數為4次，光輪壓路機的行駛速度控制在2.0 km/h；初壓結束后，替換成12 t 振動壓路機進行復壓，碾壓次數為3 次，行駛速度控制在4.5 km/h。碾壓過程中，保證水泥改良土表面呈濕潤狀態，避免因為土體過于干燥而出現松散、起皮的情況。復壓結束后測量壓實度，如果壓實度不達標還要繼續增加1～2 遍碾壓[4]。

（6） 質量檢測。在碾壓工序結束后，檢測填筑層頂面的壓實度。

3.2 試驗路段上路堤試驗結果

在公路的K80+100～300 試驗段使用原方案填筑，在K80+300～500 試驗段使用新方案填筑，按照上述摻水泥改良土方法完成施工后，在兩個試驗段上各隨機選取6 個測點，選擇“灌砂法”測定上路堤壓實度，檢測結果見表4。

表4 上路堤壓實度檢測結果

由表4 可知，試驗段采用原方案填筑的上路堤壓實度平均值為91.7%，使用新方案填筑的上路堤壓實度平均值為95.0%。原方案需要在補壓1 次后才能使平均壓實度達到94.4%，滿足壓實度要求（94.0%）。對比來看，使用新方案處理路基上路提，取得的壓實效果要優于原方案。

3.3 試驗路段路床試驗結果

路床試驗方法與上路堤試驗方法相同，檢測結果見表5。

表5 路床壓實度檢測結果

由表5 數據可知，試驗段路床在使用兩種方案完成填筑后，原方案的平均壓實度為93.6%，新方案的平均壓實度為95.8%。對比可以發現，新方案對路基壓實度的提升效果更加明顯。同時，對原方案進行補壓1次后，平均壓實度提升了2 個百分點，達到了95.6%，與新方案基本持平。由此可知，在使路基達到相同壓實度的情況下，使用新方案進行路床填筑能夠減少碾壓次數，對節約工期和降低成本有積極幫助[5]。

結束語

對于沿線分布有大量高液限土的公路，必須要改良路基填料以提高路基整體剛度。本文設計了摻水泥改良高液限土的路基填料優化方案，并按照攤鋪填料、摻入水泥、拌合整平、碾壓密實的施工方法完成填料鋪筑、壓實。從檢測結果來看，該方案能夠使路基的整體剛度得到提升，對提高公路整體質量有積極幫助。