貴州省重載高速公路軟巖路堤填料分級標準研究

貴州省重載高速公路軟巖路堤填料分級標準研究

張靜波1 ，呂巖松2，詹永祥3，何荷2

（1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，武漢 430056

2. 貴州高速公路集團有限公司，貴陽 550004

3. 中國科學院武漢巖土力學研究所，武漢 430071）

摘要：軟巖路基結構受上部路面結構型式、交通荷載等級、剛度調整層填料強度、軟巖填料的長期強度等多因素影響，其設計是一個非常復雜的過程。本文結合貴州省高速公路所慣用的典型瀝青路面結構，采用動變形控制方法對重交通條件下軟巖路堤結構展開研究，并提出了適用于貴州省重載高速公路的軟巖路堤填料分級標準和適用范圍，研究成果可供路面結構相近省份和其他類填料路堤結構設計參考。

關鍵詞：軟巖路基結構；動變形；路面結構；回彈模量；重載高速公路

中圖分類號: U416.1　　文獻標志碼: A            文章編號：

0 引言

近些年來，路基路面協同設計及動力設計理念逐漸被廣大科研和公路工程技術人員所接受。新版《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）[1]第3.2.4條對路基結構的動力設計指標和驗算指標做出了明確規定?！奥坊鶓月反岔斆婊貜椖Ａ繛樵O計指標，以路床頂面豎向壓應變為驗算指標”，“路基在平衡濕度狀態下，路床頂面回彈模量不應低于現行《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50）和《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40）的有關規定”，“瀝青路面路床頂面豎向壓應變的計算值應滿足瀝青路面永久變形的控制要求”。

路基動力設計的目的在于控制路基填土因交通荷載引起過大變形而導致路面結構的破壞，同時保證土體結構本身不發生破壞。根據控制參數和設計側重點的不同，路基動力設計方法有所不同。主要有動應變控制法、動應力控制法和動變形控制法。

文獻[3]對于上述的三種方法進行了較為詳細的敘述，鑒于目前關于路基土破壞動應變的具體取值尚無統一的認識或規定，結合《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50）[2] 關于路面彎沉控制的思想，本文采用文獻[3]所提供的動變形設計方法開展軟巖路基結構設計研究。

1 軟巖路基結構動變形法設計步驟

（1）確定計算參數

確定設計采用的汽車動荷載參數，根據設計文件，計算設計年限內一個車道的累計標準當量軸次，同時確定設計交通量與交通等級、面層、基層類型以及公路結構組合類型及相關參數。

（2）路基頂面允許動變形計算

利用規范對路面彎沉的控制標準，結合路面路基協調變形條件，得到路基頂面允許動變形值Ud。

Ud=600Ne-0.2AcAsAbAa (1)

式中：Ud為允許動變形值（0.01mm）；Ne為設計年限內一個車道累計當量軸次；Ac、As和Ab為與公路等級、結構層類型和性質有關的系數，可參考文獻[2]確定；Aa是路基頂面動變形與路表面動變形幅值之比，也稱為公路路面結構組合系數，可參考文獻[4]確定。

（3）路基頂面動變形計算

軟巖路基結構是一個典型的多層結構體系，其主要結構層由上至下依次為：面層、基層、底基層、路床、路堤和天然地基。其中路堤根據填料的不同可分為兩層，上層采用為剛度調整層，下層采用軟巖填料填筑。計算模型如圖1所示。

圖1軟巖路基層狀結構模型

Fig.1 Multilayered structure model of soft rock subgrade

已知剛度調整層和軟巖填料回彈模量，擬定一個剛度調整層厚度，根據路基分層結構體系，參考文獻[4]，計算得到路基頂面動變形Uz，

（2）

式中：

。

（4）確定剛度調整層厚度

路基動變形控制設計應滿足路基頂面抵抗變形破壞的要求：即

Uz≤Ud（3）

如計算所得Uz＞Ud，則應適當增大優質填料層厚度，并重復步驟1.3，重新計算UZ，如此往復，只至計算所得滿足Uz≤Ud，此時所對應厚度即為當前軟巖填料回彈模量對應的剛度調整層最小允許厚度Hmin，軟巖路基結構設計時應滿足：

Hd≥Hmin（4）

式中Hd為剛度調整層設計厚度，Hmin為剛度調整層最小允許厚度。

2貴州省重載高速公路軟巖路堤填料分級標準

軟巖路堤結構受路面結構型式、交通荷載等級、現場所能方便取得的非軟巖填料強度、軟巖填料的長期強度等多因素影響，因此其設計是一個非常復雜的過程。本文結合貴州省高速公路所慣用的典型瀝青路面結構，對重交通條件下軟巖路堤結構開展研究。軟巖路基結構設計所用路面結構數據采用依托工程——三黎高速公路的瀝青路面結構型式和設計參數。三黎高速公路路面結構如表1，交通荷載等級為重交通，設計彎沉值為0.230mm，路面設計結構層參數詳見表2。

表1 路面結構形式

Table 1The Structural Forms ofAsphalt Pavement

表2 軟巖路基結構計算參數

Table 2. Computational parameters of soft rock subgrade structure

規范[1]中規定輕、中等及重交通路床結構層厚度為0.8m，特重、極重交通路床結構層厚度為1.2m，公路網中輕、中等及重交通等級在公路網中占絕大部分，特重和極重交通路基路面結構一般需要專門論證和特殊設計。因此，本文以重交通對應的累計標準軸次的上限值進行相應的計算，即BZZ-100累積標準軸次Ne=2500（萬次/車道），其結論將更具有普遍性和適用性。

將Ne=2500（萬次/車道）代入公式（1），計算得到路基頂面允許動變形值（0.01mm）為0.165mm。

剛度調整層采用未篩分碎石或級配良好的硬質巖石渣，回彈模量參考文獻[1]附錄B取E=200Mpa，通過將不同的剛度調整層厚度和軟巖填料的回彈模量進行組合，帶入公式（2），即可求得滿足路基頂面允許動變形的不同軟巖填料回彈模量所對應剛度調整層厚度，或者求得重要結構層位對應軟巖路堤填料回彈模量的下限值，如表3所示。

表3軟巖填料回彈模量與剛度調整層厚度對應關系

Table 3.The corresponding relationship between the resilient modulus of soft rock filler and the thickness  of stiffness adjustment layer  

根據表3和規范[1]對于路基結構層位的劃分，可以得到基于動態回彈模量的貴州省重載高速公路的軟巖路堤填料分級標準，見表4 。

表4 貴州省重載高速公路軟巖路堤填料分級標準（E）

Table4.The grading standards of the soft rock filling in Guizhou Province heavy-loadexpressway（E）

注:H為路堤填高，0.5m為基底透水層厚度。

考慮到目前粗粒土還沒有標準的動態回彈模量試驗方法，根據規范[1]第3.2.6款中提供的動態回彈模量與CBR之間的經驗關系式，對表4進行轉換，可得到基于CBR的貴州省重載高速公路軟巖路堤填料分級標準，見表5。

表5 貴州省重載高速公路軟巖路堤填料分級標準（CBR）

Table4.The grading standards of the soft rock filling in Guizhou Province heavy-loadexpressway（CBR）

注:H為路堤填高，0.5m為基底透水層厚度。

3幾點說明

（1）表3和表4所列軟巖填料回彈模量均為其長期相對穩定動態回彈模量，需在干濕循環基礎上采用動三軸試驗測得，動三軸試驗方法可參照規范[1]附錄A。大量試驗表明，一般地，軟巖填料經過5次干濕循環后，其強度變化漸趨穩定，因此可認為5次干濕循環后測得的動態回彈模量即為其長期相對穩定動態回彈模量。

（2）軟巖填料的干濕循環動態回彈模量和CBR測試較為復雜，工可階段，可將軟巖填料長期自然風化崩解堆積物的粒組狀態與規范[1]附錄B中所列土組和粒料類型的粒組狀態進行對比，參照取值。

（3）軟巖路堤結構受上部路面結構、剛度調整層填料強度等因素影響，其計算過程較為復雜，表2.3所列不同回彈模量軟巖填料對應剛度調整層厚度是基于貴州省典型瀝青路面結構和采用級配良好的硬質巖石渣或非篩分碎石作為剛度調整層的基礎上所提出的，實際使用中如路面結構或者采用的剛度調整層填料種類發生改變，則應對剛度調整層填料厚度做出相應調整。

4結論和建議

（1）本文采用動變形控制法，對貴州省重載高速公路軟巖路堤結構進行了研究，得到了剛度調整層厚度與軟巖路堤填料長期相對穩定動態回彈模量之間的對應關系，提出了貴州省重載高速公路軟巖路堤填料的分級標準和適用范圍，可供貴州省及其他路面結構相近的省份借鑒和參考。

（2）表3和表4中的結論雖是以軟巖路堤填料為研究對象所得，但只要上部路面結構型式和優質填料強度未變，其適用性可推廣至其他類填料。

（3）初步設計和施工圖設計階段可參照表4和表5對軟巖填料進行分級利用；工可階段，可將軟巖填料長期自然風化崩解堆積物的粒組狀態與規范[1]附錄B中所列土組和粒料類型的粒組狀態進行對比，參照取值。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國交通部.JTG D30-2015 公路路基設計規范[S]. 北京，人民交通出版社，2015.

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[5] 盧正，姚海林，胡夢玲，等. 基于動變形控制法的路基臨界高度與濕度關系研究[J]. 巖土力學，2014，35（1）：184－188.

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