軟弱巖土挖方段公路路基換填深度研究

軟弱巖土挖方段公路路基換填深度研究  

張靜波1 ，陳興1，呂巖松2，陳羽2，詹永祥3

（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：軟弱巖土挖方段路基換填深度一直是業內備受關注且未能較好解決的一個問題。本文基于路基路面協同設計的思想，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弱巖土挖方段路基適宜換填深度展開研究，給出了軟弱巖土挖方路基強度與換填深度之間的對應關系。研究成果可供路面結構和交通荷載相近的省份設計參考。

關鍵詞：軟弱巖土；動變形；回彈模量；換填深度

0 引言

軟弱巖土挖方段公路路基換填深度一直是業內備受關注卻未能得到較好解決的一個問題。嚴格地講，只有實現路基路面協同變形的換填深度才能稱作為適宜的換填深度。由于受上部路面結構型式、交通荷載等級、填料及地基的長期強度等多因素影響，路基路面協同設計是一個非常復雜的過程。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）[2]和《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40）[3]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[4]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[4]所提供的動變形設計方法開展軟弱巖土挖方段路基適宜換填深度研究。

1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[5]確定。

（3）路基頂面動變形計算

軟弱巖土挖方段路基結構可以概化成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、換填層和地基。計算模型如圖1所示。

圖1軟弱巖土挖方段路基層狀結構模型

Fig.1 Multilayered structure model of soft rock-soil cut subgrade

已知換填層和軟弱巖土地基回彈模量，擬定一個換填層厚度，根據路基分層結構體系，參考文獻[5]，計算得到路基頂面動變形Uz，

式中：

其中：G2 和 λ2為路基土體的Lame常數； ρ2為路基土體密度； ν、ω 分別為行車速度和振動圓頻率。 β、γ 為積分變換參數；A2 、B2 、C2 和 D2為待求積分常數； z2為路面表面到路基頂面的垂直距離。

（4）適宜換填層厚度

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，則應適當增大換填層厚度，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弱巖土地基回彈模量對應的換填層的最小允許厚度Hmin，也即適宜換填厚度，軟弱巖土挖方路基換填深度設計時應滿足：

Hd≥Hmin                      （4）

式中Hd為換填層設計厚度，Hmin為換填層最小允許厚度。

2 軟弱巖土挖方路基換填適宜深度研究

軟弱巖土挖方路基換填深度受路面結構型式、交通荷載等級、現場所能方便取得的非軟弱巖土類填料強度、軟弱巖土地基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，對重交通條件下軟弱巖土挖方段路基換填深度開展研究。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。

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。

換填層采用未篩分碎石或級配良好的硬質巖石渣，回彈模量參考規范[1]附錄B取E=200Mpa，通過將不同的換填深度和地基動態回彈模量進行組合，帶入公式（2），即可求得滿足路基頂面允許動變形的不同軟弱巖土地基動態回彈模量所對應換填深度，如圖2所示（圖較大，附后）。

將圖2中的數據簡化成表，可得到表3。

對表3中的數據進行擬合可得：

H換=270-3MR                    （5）

式中H換——適宜換填深度（cm）；

MR——地基土長期相對穩定的動態回彈模量。

表3所列地基回彈模量為其長期相對穩定動態回彈模量，需結合地基所處自然環境條件，在考慮干濕循環或凍融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。

考慮到目前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：

MR=17.6CBR0.64 （2＜CBR≤12）   （6）

MR=22.1CBR0.55 （12＜CBR＜80）  （7）

對表3進行轉換，可得到基于CBR的貴州省重交通高速公路軟弱巖土挖方段路堤換填深度閾值，見表4。

對表4中的數據進行擬合可得：

H換=203.66-16.24CBR              （8）

表4所列地基CBR為其長期相對穩定CBR，需結合地基所處自然環境條件，在考慮干濕循環或凍融循環基礎上采用現場CBR試驗測得，CBR現場測試試驗可參照《公路土工試驗規程》（JTG E40）[7]進行。

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弱巖土挖方路堤換填適宜深度進行了研究，得到了換填深度與軟弱巖土地基長期相對穩定動態回彈模量和CBR之間的對應關系，可供貴州省及其他路面結構和交通荷載相近的省份借鑒和參考。

（2）軟弱巖土挖方段路基換填深度受上部路面結構、換填料和路基強度等因素影響，其計算過程較為復雜，表3和表4所列不同動態回彈模量和CBR對應換填深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換填料的基礎上計算得到的，實際使用中如路面結構或者采用的換填料種類發生改變，則應對換填深度做出相應調整。

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.

[2] 中華人民共和國交通部.JTG D50-2006公路瀝青路面設計規范[S].北京，人民交通出版社，2006.

[3] 中華人民共和國交通部.JTG D40-2011公路水泥混凝土路面設計規范[S].北京，人民交通出版社，2011.

[4] 盧正, 姚海林, 吳萬平. 高速公路路基結構分析及動變形設計方法[J]. 巖土力學, 2010, 31(9): 2907－2912.

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[5] 盧正, 姚海林, 胡夢玲. 基于傳遞-反射矩陣法的層狀公路結構動力響應研究[J]. 巖土力學, 2012, 33(12):3767－3774.

LU Zheng, YAO Hai-lin, HU Meng-ling. Study of the dynamic response of multilayered road structures based on the transmission reflection matrices method[J]. Rockand Soil Mechanics, 2012, 33(12): 3767－3774.

[6] 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.

LU Zheng, YAO Hai-lin, HU Meng-ling, et al. Study of relationship between critical height and humidity of subgrade based on dynamic deformation control method[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35（1）：184－188.

[7] 中華人民共和國交通部.JTG E40-2007公路土工試驗規程[S].北京，人民交通出版社，2007.