多年凍土區(qū)XPS保溫板路基的頂面彎沉控制方法

張會建，董元宏，多吉羅布，朱東鵬，符 進

（1．中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司 高寒高海拔地區(qū)道路工程安全與健康國家重點實驗室，陜西 西安 710068；2．西藏天路股份有限公司，西藏 拉薩 850000）

0 引 言

保溫法是在路基內(nèi)加鋪一層保溫材料，利用保溫材料的低導(dǎo)熱性（高熱阻）阻止上部熱量進入下部土層，從而起到保護多年凍土的作用，是一種最早用于多年凍土區(qū)的地溫調(diào)控措施［1－3］。保溫材料先后出現(xiàn)了聚氨酯（PU）板、聚苯乙烯泡沫（EPS）板［4－5］和擠塑式聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）板［6］。對于道路工程而言，要求保溫材料既要具有一定的熱阻，又要有較高的強度，XPS板以其優(yōu)良的阻熱率和抗壓強度逐步取代了PU 板和EPS板［7－8］。然而，XPS保溫板路基是一種從工程熱學(xué)角度提出的多年凍土路基調(diào)控措施，XPS保溫板材料的力學(xué)性質(zhì)與路基填土差異較大，在路基中鋪設(shè)XPS保溫板，會對路基的承載力及變形產(chǎn)生影響，如在建的共玉公路在XPS保溫板路基施工過程中就出現(xiàn)了路基頂面彎沉超標(biāo)的實際問題，成為影響XPS保溫板路基施工質(zhì)量的一個技術(shù)難題。

目前，國內(nèi)外對XPS保溫板路基的應(yīng)用研究主要集中在其降溫效果和設(shè)計參數(shù)等方面，關(guān)于其物理力學(xué)性能及影響因素的研究較少。David C．Esch開展導(dǎo)熱性能、抗壓強度和長期蠕變等參數(shù)的測試發(fā)現(xiàn)，EPS保溫板優(yōu)于模鑄聚苯乙烯保溫板，而后者又優(yōu)于PU保溫板。溫智［9］通過室內(nèi)試驗測定了EPS保溫板和PU保溫板的密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴散系數(shù)、抗壓強度和含水量等物理力學(xué)指標(biāo)，并研究了凍融循環(huán)作用對這些指標(biāo)的影響，但是受保溫材料發(fā)展水平的制約，試驗對象未涉及XPS保溫材料。董元宏等［10］研究了XPS保溫板彈性模量對路基彎沉的影響，但未就路基填料和埋深的影響開展研究。

本文從共玉公路XPS保溫板路基超標(biāo)的實際問題出發(fā)，結(jié)合XPS保溫板路基設(shè)計方案，建立XPS保溫板路基彎沉計算模型，研究XPS保溫板自身材質(zhì)、下承層模量和埋設(shè)深度對XPS保溫板路基頂面彎沉的影響規(guī)律，提出滿足路基彎沉控制的XPS保溫板路基鋪設(shè)必要條件，并通過現(xiàn)場試驗路驗證這些條件的合理性。本文的研究成果對于多年凍土區(qū)XPS保溫板路基的合理選材和施工質(zhì)量控制具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1 問題描述

1．1 XPS保溫板路基設(shè)計方案

青海省共和至玉樹（結(jié)古）高速公路全長635．6 km，穿越的多年凍土段長227．7km。為確保多年凍土路基的穩(wěn)定，設(shè)計采用了XPS保溫板路基與熱棒的方案，應(yīng)用里程為5．39km。XPS保溫板鋪設(shè)于路基頂面下0．3m處，鋪設(shè)厚度為（4＋4）cm，雙層鋪設(shè)，上下兩層錯縫布置，橫向鋪設(shè)寬度與路面同寬。XPS保溫板設(shè)計技術(shù)指標(biāo)為：導(dǎo)熱系數(shù)不大于0．03W·m－1·℃－1，密度不小于45kg·m－3。共玉公路多年凍土區(qū)填方路基基底采用“不清表，直接填筑30cm厚石渣沖擊碾壓或重錘夯入地面以下，再填筑30cm厚石渣”的處理方案。共玉公路XPS保溫板路基如圖1所示。

圖1 共玉公路XPS保溫板路基橫斷面

根據(jù)設(shè)計文件，共玉公路土基及路面各結(jié)構(gòu)層頂面設(shè)計彎沉見表1。

表1 土基及路面各結(jié)構(gòu)層頂面回彈彎沉值0．01mm

1．2 路基彎沉超標(biāo)問題

根據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60—2008），采用貝克曼梁法對共玉公路K571＋100～K571＋200段XPS保溫板路基的彎沉進行了現(xiàn)場檢測和質(zhì)量評定，檢測及質(zhì)量評定結(jié)果見表2。該段XPS保溫板路基彎沉平均值為235（0．01 mm），保證率系數(shù)為2．0，標(biāo)準(zhǔn)差為 35．12（0．01 mm），彎沉代表值為305（0．01mm），不滿足設(shè)計要求。XPS保溫板鋪設(shè)之前，采用灌砂法檢測路基的壓實度，結(jié)果見表3，壓實度平均值為97．38%，標(biāo)準(zhǔn)差為0．96%，保證系數(shù)為1．177，壓實度代表值為96．2%，符合規(guī)范不小于96%的要求?？梢姡诼坊鶋簩嵍确弦蟮那闆r下，彎沉超標(biāo)是存在于凍土區(qū)XPS保溫板路基施工中的實際問題。

XPS保溫板埋設(shè)于路基頂面下一定深度的路基填料中，施工完成后路基既已成型，XPS保溫板路基彎沉超標(biāo)，即使返工也無法保證彎沉合格，造成XPS保溫板路基無法交驗，后續(xù)施工無法開展，成為困擾現(xiàn)場XPS保溫板路基施工和參建各方的難題。

2 XPS保溫板路基頂面彎沉影響分析

2．1 XPS保溫板路基彎沉計算模型

對共玉公路一期K562＋280～K562＋480段XPS保溫板路基建立彎沉計算模型。該段路基平均填土高為度為2．4m，基底處理方案為：0．3m石渣沖入原地面下，0．3m石渣露出地表。計算模型自上而下分別為：0．65m厚路面結(jié)構(gòu)層、0．3m厚板上填土、0．08m 厚 XPS保溫板、1m 厚土基、0．3m厚石渣（露出地表）、0．3m厚石渣（沖入地表下）及1m厚軟弱土。XPS保溫板路基各結(jié)構(gòu)層材料的物理、力學(xué)參數(shù)見表4。

表2 K571＋100～K571＋200段XPS保溫板路基現(xiàn)場彎沉檢測及評定結(jié)果

表3 K571＋100～K571＋200段XPS保溫板鋪板前路基壓實度檢測結(jié)果

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2006），彎沉計算荷載采用BZZ－100標(biāo)準(zhǔn)軸載，軸載當(dāng)量圓半徑和間距均為10．65cm，荷載大小為0．7 MPa。參考有關(guān)資料，彎沉值的測定深度一般在80～150cm左右。建立三維立體模型，X方向即縱向長度為2m，Y方向即橫向?qū)挾葹?m，Z方向底部視為剛性，豎向厚度取值如下。

表4 XPS保溫板路基各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)

（1）鋪設(shè)XPS保溫板之前：自上而下分別為1 m厚土基、0．6m厚石渣層和1m厚軟弱層。

（2）鋪設(shè)XPS保溫板之后：自上而下分別為0．3m厚板上填土、0．08m厚XPS保溫板、1m厚土基、0．6m厚石渣層和1m厚軟弱層。鋪設(shè)XPS保溫板前、后計算模型網(wǎng)格劃分如圖2、3所示，鋪設(shè)XPS保溫板前、后X－Z剖面彎沉見圖4、5。

圖2 鋪設(shè)前網(wǎng)格劃分

圖3 鋪設(shè)后網(wǎng)格劃分

圖4 鋪設(shè)前X－Z剖面彎沉

圖5 鋪設(shè)后X－Z剖面彎沉

通過對比K562＋280～K562＋480段XPS保溫板路基鋪設(shè)XPS保溫板前、后的實測彎沉與計算彎沉來驗證計算模型，結(jié)果見表5。由表5可知，鋪設(shè)XPS保溫板之前計算彎沉與實測彎沉的偏差為2．39%，鋪設(shè)XPS保溫板之后計算彎沉與實測彎沉的偏差為2．65%，鋪設(shè)XPS保溫板前、后的計算彎沉與實測彎沉基本吻合，說明本計算選取的計算模型和參數(shù)等較為合理。

表5 鋪設(shè)XPS保溫板前后實測彎沉與計算彎沉對比

2．2 彎沉計算結(jié)果分析

為研究XPS保溫板材料自身材質(zhì)、下承層模量和XPS保溫板埋深對路基頂面彎沉的影響，選擇一種參數(shù)在其可能的范圍內(nèi)變化，保持另外2個參數(shù)不變，計算鋪設(shè)XPS保溫板后路基的彎沉值。圖6～8分別為XPS保溫板路基輪隙中間彎沉值隨XPS保溫板模量、下承層模量和XPS保溫板埋設(shè)深度的變化規(guī)律。

圖6 彎沉隨XPS保溫板模量的變化

圖7 彎沉隨下承層模量的變化

圖8 彎沉隨XPS保溫板埋設(shè)深度的變化

由圖6可知：XPS保溫板路基頂面彎沉值隨著XPS保溫板模量的增大而減小；當(dāng)XPS保溫板模量由10MPa增大到50MPa時，路基頂面彎沉值由239．8（0．01mm）減小到190．6（0．01mm），減少了20．52%；隨著XPS保溫板模量的不斷增大，彎沉減小的幅度也越來越小，表明XPS保溫板自身材質(zhì)會對路基的彎沉產(chǎn)生顯著影響。

由圖7可知：XPS保溫板路基頂面彎沉值隨著下承層模量的增大而減??；當(dāng)下承層模量由30MPa增大至60MPa，彎沉值由253．1（0．01mm）減小至201．1（0．01mm），減小20．55%；隨著下承層模量的不斷增大，彎沉減小的幅度也越來越小，說明下承層模量會對路基的彎沉產(chǎn)生較為顯著的影響。

由圖8可知：XPS保溫板埋深由30cm增加到60cm時，彎沉值由201．1（0．01mm）減小到192．6（0．01mm），減小了4．2%，說明 XPS埋深對 XPS保溫板路基的彎沉影響較小；增大XPS埋深，路基彎沉有所減小，但減小的幅度和趨勢較小。

綜合分析圖6～8可以發(fā)現(xiàn)，XPS保溫板路基頂面彎沉值隨XPS保溫板模量、下承層模量和XPS保溫板埋深的增大而減小，且呈線性關(guān)系。隨著XPS保溫板模量、下承層模量和XPS保溫板埋深的逐步增大，XPS保溫板路基頂面彎沉值減小的幅度越來越小。XPS保溫板模量、下承層模量對XPS保溫板路基頂面彎沉影響顯著，而XPS保溫板埋深對XPS保溫板路基頂面彎沉影響不明顯。

2．3 彎沉控制對策

由XPS保溫板路基頂面彎沉值計算結(jié)果可知，XPS自身材質(zhì)和模量對彎沉影響較大。通過對國內(nèi)XPS保溫板的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，市場上XPS保溫板主要用于建筑行業(yè)的外墻保溫，技術(shù)指標(biāo)為隔熱系數(shù)、阻燃系數(shù)和環(huán)保指標(biāo)，而對抗壓強度和模量未作特別的要求。在道路工程中，對XPS保溫板不但有隔熱性能的要求，而且對強度和承載力也有嚴(yán)格要求。市場調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，用于外墻保溫的XPS保溫板價格約為20～30元·m－2，而符合多年凍土道路設(shè)計指標(biāo)的XPS保溫板單價約為120～160元·m－2，兩者相差約4～8倍。XPS保溫板路基為新工藝、新材料、新技術(shù)，部分施工企業(yè)缺乏相關(guān)施工經(jīng)驗，在投標(biāo)報價環(huán)節(jié)，未仔細明確設(shè)計文件中XPS保溫板材料的技術(shù)指標(biāo)要求，錯誤地認(rèn)為用于路基填筑的XPS板就是一般的建筑外墻保溫XPS板，中標(biāo)后又不履行，這是造成XPS板選材不符合設(shè)計要求的根本原因，也是影響XPS保溫板路基彎沉的重要因素［11－12］。因此，用于凍土路基的XPS保溫板必須嚴(yán)格按照設(shè)計指標(biāo)選材。

由上述下承層模量對XPS保溫板路基頂面彎沉影響規(guī)律的分析可知，為達到彎沉控制的目的，下承層平整度和壓實度須滿足路基交驗標(biāo)準(zhǔn)。凹凸不平的下承層難以保證XPS保溫板材與下承層的密貼；壓實度反映了路基土體的密實程度，壓實度合格是路基彎沉檢測的前提。由于下承層的模量現(xiàn)場難以檢測，而下承層的彎沉不僅能夠準(zhǔn)確反映下承層抗壓強度和模量，而且是路基施工現(xiàn)場檢測項目之一，可操作性強；因此，選擇下承層彎沉代表值作為路基彎沉的控制指標(biāo)，將XPS保溫板路基頂面彎沉隨下承層模量的變化關(guān)系擬合，即

式中：L為路基頂面彎沉；Ec為XPS保溫板下承層模量。

將路基頂面設(shè)計彎沉L＝205（0．01mm）代入式（1）后計算得到相應(yīng)的下承層模量Ec為55．24 MPa。取下承層模量為55．24MPa，重新計算鋪設(shè)XPS保溫板之前的路基彎沉值為163（0．01mm），約為路基頂面設(shè)計彎沉的0．8倍。

雖然增大XPS保溫板埋深能夠減小XPS保溫板路基彎沉，然而效果有限；而且埋深增大會相應(yīng)地增大XPS保溫板的鋪設(shè)寬度，增加成本。埋深每增大0．1m，XPS保溫板橫向鋪設(shè)寬度就增加0．3～0．4m，成本增加3．6%～4．8%（原鋪設(shè)寬度按8．4 m計），不經(jīng)濟。因此，綜合考慮XPS保溫板路基彎沉控制和經(jīng)濟性，XPS保溫板的合理埋深為路基頂面下40cm。

綜合上述分析，提出滿足彎沉控制要求的XPS保溫板路基鋪設(shè)的必要條件為：XPS保溫板滿足設(shè)計指標(biāo)要求；下承層平整度和壓實度達到路基交驗標(biāo)準(zhǔn)，彎沉實測代表值小于0．8倍的路床頂面設(shè)計彎沉值。

3 XPS保溫板路基彎沉試驗路

選用某符合設(shè)計指標(biāo)的XPS保溫板在共玉公路一期K553＋650～K553＋950段、K562＋280～K562＋480段和K570＋950～K571＋100段分別鋪筑了雙層（5cm＋5cm）、雙層（4cm＋4cm）和單層6cm的XPS保溫板試驗路（圖9）并進行彎沉檢測。現(xiàn)場鋪筑過程中，按照XPS保溫板路基鋪設(shè)的必要條件，對XPS保溫板下承層進行了重點控制。試驗段鋪設(shè)XPS保溫板前、后的壓實度和彎沉值檢測結(jié)果見表6。從表6可以看出以下幾點。

圖9 K562＋280～K562＋480段XPS保溫板鋪設(shè)

（1）3段試驗路鋪設(shè)XPS保溫板之后路基的彎沉實測平均值、實測代表值都較鋪XPS保溫板之前有不同程度的增大。雙層（5cm＋5cm）、雙層（4 cm＋4cm）和單層6cm的彎沉平均值分別增大了39．23%、99．23%和11．32%，雙層（5cm＋5cm）、雙層（4cm＋4cm）和單層6cm的彎沉代表值分別增大了15．98%、30．08%和1．68%。這表明，在路基中加鋪XPS保溫板會對路基彎沉產(chǎn)生不利的影響，與前文的分析相一致。

（2）鋪設(shè)XPS保溫板之前，3段試驗路下承層均滿足鋪設(shè)XPS的必要條件，壓實度和平整度均達到了路基交驗標(biāo)準(zhǔn)。下承層彎沉代表值分別為167．1（0．01mm）、150．6（0．01mm）和156．6（0．01 mm），為路基頂面設(shè)計彎沉的0．8倍。鋪設(shè)XPS保溫板之后，3段試驗路路基彎沉代表值分別為193．8（0．01mm）、195．9（0．01mm）、159．6（0．01mm），均小于設(shè)計彎沉205（0．01mm）。這表明，當(dāng)下承層滿足彎沉控制的XPS保溫板路基鋪設(shè)的必要條件時，路基彎沉控制效果良好，能夠達到設(shè)計彎沉要求。

表6 三段試驗段鋪設(shè)XPS保溫板前后的壓實度和彎沉值

（3）與雙層（4cm＋4cm）、雙層（5cm＋5cm）相比，單層6cm厚XPS保溫板路基鋪設(shè)前后的路基彎沉均較小，分析認(rèn)為主要原因是：單層板比雙層板少了一層層間光滑面，且單層6cm XPS保溫板厚度較小。在滿足等效熱阻的前提條件下，可優(yōu)先選用單層6cm厚XPS保溫板。

（4）3段試驗路的鋪筑結(jié)果表明，當(dāng)滿足本文提出的控制XPS保溫板路基彎沉的必要條件時，在路基中加鋪XPS保溫板后，路床頂面彎沉是能夠滿足設(shè)計要求的。XPS保溫板選材和下承層處理是XPS保溫板路基彎沉控制的關(guān)鍵。

4 結(jié) 語

（1）多年凍土路基中加鋪XPS保溫板會對路基頂面彎沉產(chǎn)生不利影響。

（2）XPS保溫板路基頂面彎沉值會隨XPS保溫板模量、下承層模量、XPS保溫板埋深的增大而減小，且呈線性關(guān)系；但隨著XPS保溫板模量、下承層模量和XPS保溫板埋深的逐漸增大，XPS保溫板路基頂面彎沉減小的幅度越來越小。XPS保溫板自身材質(zhì)和下承層模量對路基頂面彎沉影響顯著。

（3）根據(jù)彎沉值計算結(jié)果，提出滿足彎沉控制要求的XPS保溫板路基鋪設(shè)的必要條件：XPS保溫板技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計要求；下承層平整度和壓實度滿足路基交驗標(biāo)準(zhǔn)；彎沉小于0．8倍的路床頂面設(shè)計彎沉值。

（4）實體工程試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滿足本文提出的控制XPS保溫板路基彎沉的必要條件時，在路基中加鋪XPS保溫板，路床頂面彎沉是能夠滿足設(shè)計要求的。XPS保溫板選材和下承層處理是XPS保溫板路基彎沉控制的關(guān)鍵。