低路堤基底固化层作用分析

低路堤基底固化层作用分析陈保平1张波2（L武汉科技大学，湖北武汉4300702屮国科学院岩土力学重点实验室，湖北武汉4300刀摘要：低路堤公路不但能够节约耕地资源、减少土方量、降低工程造价，实现公路建设的可持续发展，而且能够提高公路的行车安全、使道路与周围环境和谐一致。文章以江北沿江高等级公路南京段）工程为依托，结合弹性层状体系理论，利用BISAR程序研究了低路堤基底固化层的作用，研究结果表明，基底固化层能够提高路基整体的强度，减少交通荷载引起的工后沉降，并为水系发达区域的机械碾压施工捉供工作面，为今后低路堤的设计和施工提供了一定的依据。关键词：低路堤；弹性层状体系理论；BISAR;固化层中图分类号：U416.1文献标识码：B我国土地资源紧缺，珍惜土地资源、合理利用土地和切实保护耕地是我国的棊本国策。交通部印发的綵于在公路建设屮实行最严格的耕地保护制度的若干意W中指出，高速公路建设采用低路堤和浅路堑方案，节约不可再生的土地资源，走可持续发展的道路，是今后高速公路建设应重点解决的问题。公路建设中，降低填土路基高度，不但能节约耕地资源、减少土方量、降低工程造价，实现我国公路建设的可持续发展％而且能提高公路的行车安全、使道路与周围环境和谐一致。鉴于低路堤道路的众多优点，国内部分地区开始采用高等级公路低路堤结构的设计方案。例如江苏苏州绕城高速公路西南段）、江苏盐通高速公路部分标段和上海莘奉高速公路等。此外，大量干线公路改扩建工程的部分宜接拓宽路段受到原有老路路基和桥涵结构物等高程控制，也大量采用了低路堤方案，例如G312国道江苏段、G204国道江苏段、河南商丘至周口、商丘至荷泽等改扩建工程大量采用了低路堤方案。低路堤高等级公路在我国虽然有一些实践；但我国对于低路堤的研究相对鮫少，基本处于起步阶段。低路堤与高路堤是一个相对的概念，一般认为填土高度低于25m的路堤为低路堤。事实上目前国内还没有明确的定义；并且由于各个地方的情况差异，也没有统一的标准。随着高等级公路低路堤的工程应用日趋广泛，加强低路堤方面的研究具冇重要意义。1基底固化层基底固化层主要是指在软土中添加水泥等固化材料并进行搅拌混合，通过固化材料与孔隙水发牛水解和水化反应，使得孔隙内的自由水变成固化土的结合水，同时加强了土颗粒之间的粘聚力，从而提高了软上的强度。基底固化层相对于地基，可以当作人工硬壳层，相对于路基整体,可以作为路基的一部分。硬壳层是一个相对于软土的概念提出的，并没有具体的物理、力学指标。国内外的学者早期就对硬壳层进行过研究。太沙基和佩克Q94醴试计算覆盖在软弱土层上的硬层承载力，他们假定上面土层的主要作用是把基础荷载扩散在其下卧层上，由此来减少基础荷载的强度。迈耶霍夫和汉纳（97®提出了剪切破坏理论羽，该理论主要解决由两层土体便壳层有下卧软土层）组成的地基的极限承载力问题。陈国靖Q98®根据京津塘告诉公路的资料，提出硬壳层具有扩散应力、减少不均匀沉降、减少地基沉降量及增加固结度的作用。杨果林（995）通过八组室内模型试验研究硬壳层软土地基极限承载力经验公式，提出了这类地基承载力计算公式叫王小谋2002）应用土力学理论和叠加丿京理，深入分析了软土地基上便壳层的作用，推导出考虑便壳层厚度和强度影响的软土地基临刻•荷载计算公式，并提出了该公式计算结果的最大值界限叱上述关于硬壳层的研究大多都是针对天然硬壳层,人工硬壳层的研究较少。天然硬壳层与人工硬壳层相比一般厚度较大，强度较低，人工硕壳层是否具有类似的作用，有待进一步的研究。此外，低路堤条件下，荷载水平相对偏低，天然沉积软土层中产生的附加应力与自作者简介：陈保平（19724，男，山西寿阳人，讲师，硕士，从事工程管理教学工作。 技术论坛重应力之和一般小于该软土的前期固结斥力。当天然沉积软土层中产生的附加应力与自璽应力之和一般小于该软土的前期固结压力时，软土层的强度稳定，压缩变形也相对较小。因此，在低路堤条件下，地基的承载力问题已经不是主要问题。2工程概况江苏省沿江区域，浅层天然沉积物一般为长江河漫滩相，沉积年代为第四系全新统，厚度一般10余米到数10m,下卧层一般为河床相砂砾石层。长江河漫滩相天然沉积物以细颗粒为主，多为厚层黏性土夹粉土或粉细砂，分布广、层位稳定。天然状态下具有含水率高、孔隙比大、强度低、压缩性高、透水性低，多为淤泥、淤泥质黏性土。在建的江北沿江高等级公路（南京段）,位于长江沿江区域，天然沉积软弱土层埋藏很浅，一层表面薄层硬壳层厚度分布40on〜1.5n）,部分路段软弱土层上直接为耕植土，无工程可利用硕壳层。江北沿江高等级公路（南京段）位于江北化工园区内，受园区规划设计标高的限制，全线采用低路堤结构（平均填土厚度1.2n）o由于路堤填筑高度相对较低（荷载水平相对较低），采用常规深层地基处理方法，显然针对性不强，也不够科学，更不经济，因此，选择一•种适用于水下或高含水量条件下的浅层加固技术，应用于基底浅层土改良与加固施工，使得基底质最与性能达到高等级公路路堤填筑对其性能所提出的技术要求，成为工程建设中亟待研究和解决的课题。经过讨论研究，拟采用12%水泥对表层Im的软土进行加固处理。3基底固化层的作用分析3.1基底固化层为路基填筑碾压提供工作面江北沿江高等级公路南京段）穿越区域，浅层软弱土层主要为淤泥质粉质黏上夹粉土或粉细砂，土质十分不均匀，该区域水系十分发达。由于地下水位较浅、天然含水量较高，土质松软，导致基底碾压卜分困难,甚至无法碾压施工。对表层lm软土进行固化处理后，形成基底固化层，为机械施工碾压提供工作面。施工后的结果表明，第一层填土碾压过程中未出现弹簧土现象，压实度满足设计要求。3.2弹性层状体系理论计算结果分析3.2.1弹性层状体系理论概述卜&弹性层状体系是由若干个弹性层组成，上面各层具有一定厚度，最下一层为弹性半空间体，如图1所示。弹性层状体系理论做了如下假定：hhi■••■Ei■■■■•■i■图1弹性多层体系示意图底堆展0.2m填土层1.3m固化层10m软土层图2模型示意图（）各层是连续的、完全弹性的、均匀的、各向同性的，以及位移和形变是微笑的；（2最下一层在水平方向和垂直方向为无限大，其上各层厚度为有限、水平方向为无限大；G各层在水平方向无限远处及最下一层向下无限深处，其应力、形变和位移为零；（4层间接触情况，或者位移完全连续称连续体系），或者层间仅竖向应力和位移连续而无摩阻力称滑动体系）；（5不计自重。由弹性力学，我们可以得到轴对称条件下的平衡方程、物理方程、儿何方程，3个方程组成10个表达式的偏微分方程组，里面含有十个未知量，然后通过位移函数法或传递矩阵法、积分变换法解得弹性层状体系应力与位移的一般解，然后将边界条件带入弹性层状体系应力与位移的一般解，即可得到轴对称荷载作用下的应力和位移。由于应力与位移公式均为无穷积分表达式，手工计算难以完成其数值解，必须借助电子计算机编程，才能完成计算工作。多层弹性体系计算机程序比较有影响的是shell公司的BISAR程序，加州大学Beike^分校ELSYM程序，澳大利业道路委员会的CRCEY程序，国内的有GHT程序和东南大学的DRFP程序。本文计算采用的是BISAR程序。3.2.2计算结果分析BKAR程序可以计算双圆荷载作用下，接触面为连续和滑动时的位移及应力，本次计算假设层间接触面完全连续。模型示意图见图L底基层的模量収15(MPa路基填土层模量取16(MPa硬壳层模量为70MPa 软土层模量取BMPa,模量的取值为DCP模量现场测试结果的加权平均值。底基层、路基填土层、硬壳层泊松比的取值为0.35,软土层泊松比的取值为0.4计算双圆荷载的大小为700kPa,当量圆半径10.6561,本次计算所采用的底基层的模量较路基填土层的模量要小，这是因为底基层长期暴踞在外，而fl在测试前的很长一段时间处于雨天，故而模量较小。分两种情况进行计算，一是不同厚度的硬壳层与无硬壳层条件下，底基层顶面弯沉值的比较，结果见图3;二是有无硬壳层条件下，车辆荷载产生的附加应力在路基中应力分布的比较，结果见图4图3荷栽中心顶面弯沉值随硬壳层厚度的变化深度/m图4有无硬壳层的竖向应力比较由图攵图4我们可以得出一下结论：()从图3我们可以看出，随着硬壳层厚度的增加，荷载屮心顶面弯沉在减少，硬壳层厚度为lm、2m、3m、4m相对于没有硬壳层时没有硬壳层即图3屮硬壳层为0,弯沉分别减少了13.9%25.03%、31.7%36.53%,这表明硬壳层对于提高路基整体的强度具有重大的作用。同时，我们从图3也可以看出，随着硬壳层深度的增加，弯沉逐渐趋于平缓，这个说明在硬壳层具有一定厚度的情况下，增加硬壳层的厚度，对于提高路基整体强度的作用越来越小。(2从图4我们可以看出，随着深度的増加，无论有无硬壳层硬壳层，竖向应力随看深度的增加迅速衰减，深度2.5m以下，应力变化基本趋于稳定。(3从图4可以得出，硬壳层町以调整车辆荷载作用在路基中产生的附加应力的分布，深度1.5m以上时，有硕壳层时，荷载产生的附加应力与无®j壳层时柏同深度的附加应力比较接近；1.5m以下时，有硬壳层时，荷载产生的附加应力明显小于无硬壳层时相同深度的附加应力。这个说明硬壳层对于改变竖向应力大小作用较明显。同时，硬壳层的存在，可以给附加应力的消散提供路径。如果没有硬壳层，深度1.5m处，竖向应力的大小为3.18kPa,假设土的重度为18如；此时该范围内土自垂引起的垂宜应力为23.4kP4荷载产主的附加应力占土自至应力的13.姚，当有硕壳层时，深度25m处，竖向应力的大小为0.695kPa,而此时该范围内土自重引起的垂直应力为41.4kPa,荷载产生的附加应力占土自重应力的1.6眺。贺冠军®研究指出，交通荷载在软土层重引起的附加应力导致的工后沉降在低路堤公路工后沉降中占有相当的比重，但同时也指出当交通荷载在软土中引起的附加应力相对于软土上荷载的自重应力较小时，交通荷载的影响将会很小，这个表明硬壳层的存在，不但减小了附加应力，而FL增加了竖向应力扩散的路径，使得竖向应力传递到软土中的应力较小，使的软土处于路基工作区之外，这个对于减小交通荷载产生的工后沉降十分有利。4结语O对于江南等水系比较发达的区域，机械碾压比较困难的问题，基底固化层可以为机械碾压施工提供工作面。(2基底固化层对于整个路基来说，可以当作路基的一部分，对于提高路基整体的强度，十分有利。但同时发现，随着固化层厚度的增加，这种作用越来越小。(3基底固化层不但减小了荷载作用下产生的附加应力，而且增加了应力扩散途径，使得竖向应力传递到软土时，已经很小，使得软土位于路基工作区之外，大大的减小了交通荷载产生的工后沉降。由于低路堤的荷载水平相对较低，地基承载力已经不是道路设计的主耍问题。所以本文没有考虑基底固化层对于提高地基承载力方面的作用，实际上，由于基底固化层相对于软土的刚度较大，可以分扌口•荷载产生的一部分剪力。即在一定的荷载剪力作用下不产生剪切变形或变形极小，这就使得硕壳层与下卧软土层间的荷载传递方式有了本质的变化，已不同于传统荷载的扩散概念。此时的硬壳层已具有了类似于梁的作用，它可以承担部分弯矩、剪力并抵抗变形叫因为低路堤的填土较低，交通荷载产生的附加应力扩散问(下转第53页) 过一个车道，搭接宽度在415Q11左右。对于水泥混凝土左右两幅面板中缝必须进行搭接破碎，以保证彻底消除中缝反射裂缝问题。③质量检测控制。碎石化过程中，要注意单幅路面破碎长度超过Ikm时，每1km要补充1〜2个试坑，验证粒径是否满足要求，如果不满足耍作小幅调整，在此过程屮无需继续检测回弹模量指标，而以试坑粒径状况与试验段有无显著差别作为判断是否合格的依据。同一条路由于地质状况、路面强度的不一致，因此会产牛不同的破碎程度，施工期间应根据实际破碎状况及时调整冲压遍数，以防止出现过度破碎与破碎不够等现象。对于局部岀现面积大于肝的未破碎混凝土面板时，调整设备破碎宽度，进行局部补充破碎，以保证破碎质量。对于下卧层强度差异较大的不同路段要作不同的设备参数控制，可在其屮一•段控制参数的基础上，作小幅调幣以满足其他段的破碎要求。对粒径的确认应通过开挖试坑后卷尺结合目测的方式进行试坑面积为1XH1,深度要求达到基层），试坑位置的选取应有随机性。可按前文提出的初步施工参数推荐值为基础进行调整来确定。通常，对于断板率低于10%的水泥路面，采取打裂压稳技术直接加铺沥青混凝土罩面：对于断板率界于1吆〜15%的水泥路面，在打裂压稳之后铺设防反射裂缝材料后加铺沥青混凝土罩面层：而对于断板率超过15%且有明显结构性破坏或相邻板的位移沉降差）大于4mm的水泥路面，宜采用碎石化技术。在对路基及基层有问题处进行局部处理后，将混凝土面板进行破碎压实作为基层，保证新罩面结构有一均匀稳定的承重层，然后视交通需要和处理后旧水泥混凝土路面的状况垂建路面结构。3结语采用打裂压稳和碎石化技术对旧水泥混凝土路面重建，不仅可以大大减少废料丢弃和废料运输，降低水泥路改造过程中对环境的污染，降低工程费用，缩短工期，为业主节约大量改造资金，产生的社会效益也很明显。它依据循环经济理论，将废弃物再生利用，符合国家所倡导的走科学发展道路，建设节约型社会、环保型社会的方针。参考文献：E马建靑•混凝土路面碎石化沥青罩面改造技术的应用皿养护机械与施工技术，2005©:47-51.£李玉发.水泥混凝土路面碎石化技术路面机械与施工技术,200598-101.E杨世基•公路冲击碾压应用技术指南硼匕京：人民交通出版社,2006.ffi王松根，等•旧水泥混凝土路面碎石化技术应用指南瘦•北京:人民交通出版社.E赵军，谈至明.水泥混凝土路面板角弯沉的测点偏移影响及修正II公路交通科技，2007,24®:16-18杨果林•硬壳层软土地基极限承载力研究1D•湘谭矿业学院学报,1995,100:51-56.王晓谋:考虑硬壳层作用的软土地基临瞰術载计算II岩土工程学报，2002,240：720-723.郭大智，冯德成•层状弹性体系力学底・哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2001.邓学钧路慕路面工程匕京:人民交通出版社，2003.邓学钧，黄卫,黄晓明路面结构计算和设计电算方法⑷南京:东南大学出版社，1997.贺冠军.交通荷载对低路堤下软土地堪沉降影响的室内试验马研究D河海大学硕士学位论文，2005.李善波.软土地基表层硬壳的利用与工程实践也建筑技术，2000,316）:166-167.冷冷sssJJS%J冷ssssJJJJJJ(±接第41页)题成为低路堤要解决的关键问题，交通荷载是一种动荷£载，而本文只把交通荷载近似为静载，有关低路堤动力方面的问题有待进一步的研究。E参考文献：B匸江苏省交通规划设计院.江苏省高速公路低路堤的可行性研究报囚告R12005.因区GG^eyehofAMHannaUltinatcbearingcapacityoffoundatioaiisonathreelayerssoil^.CanadianGcotcchnkzalJoumiaJ1979(10:因412-114.EGGVIeyehofAMHaiinaDcsigrichartsforultinatebearingcapacity应off)undatbnsonsandweiringsoftclay[.CanadianGcotxzhnicalJoumial1980(B:300-303.