公路改擴(kuò)建工程老路基性能劣化機(jī)理與評價(jià)研究

張巧紅

（龍巖交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，龍巖 364000）

0 引言

在公路改擴(kuò)建項(xiàng)目建設(shè)中, 對老路基開展調(diào)查與評價(jià)具有重大意義, 對于強(qiáng)度和穩(wěn)定性良好的路基可充分利用, 對于狀況較差的路基可辯證性地給出不同處治意見,從而達(dá)到節(jié)約資源和減少不必要投資的目的,及時(shí)保證現(xiàn)場施工及檢測效率。

在路基施工及驗(yàn)收階段,《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)[1]和《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F10-2006)[2]以界限含水率、CBR 值為路基填料控制標(biāo)準(zhǔn),以壓實(shí)度作為路基施工控制標(biāo)準(zhǔn),并明確規(guī)定了路基填料的類型。

在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段,《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)[3]規(guī)定路床應(yīng)處于干燥或中濕狀態(tài),極重交通荷載等級公路對應(yīng)路基頂面回彈模量應(yīng)不小于70MPa；對于特重交通荷載等級公路, 路基頂面回彈模量應(yīng)不小于60MPa；對于重交通荷載等級公路,路基頂面回彈模量應(yīng)不小于50MPa；對于中等、輕交通荷載等級公路,路基頂面回彈模量應(yīng)不小于40MPa。

本文依托南方濕熱地區(qū)某公路升級改造工程, 研究老路基的性能裂化機(jī)理與評價(jià)方法, 提出適應(yīng)于項(xiàng)目老路基的性能評價(jià)的整體思路, 為其他公路改擴(kuò)建工程提供參考。

1 老路基檢測方法介紹及性能評價(jià)研究思路

1.1 老路基檢測方法介紹

(1)鉆探取芯

在老路基表面通過鉆機(jī)鉆孔取樣, 再通過室內(nèi)試驗(yàn)可獲取土樣的含水率、干密度、液塑限等物理指標(biāo)。 該方法可獲取路基最原始的數(shù)據(jù), 適應(yīng)于既有路面大面積開挖前的檢測。每個(gè)測點(diǎn)需要4 個(gè)檢測人員,耗時(shí)約40min。

(2)灌砂法

在老路基表面進(jìn)行灌砂法檢測, 可獲取土樣的含水率、 干密度, 結(jié)合試坑取樣室內(nèi)試驗(yàn)可獲取土樣的壓實(shí)度。該方法適應(yīng)于既有路面大面積開挖前、后老路基壓實(shí)度的檢測。 每個(gè)測點(diǎn)需要3 個(gè)檢測人員,耗時(shí)約30min。

(3)承載板

在老路基表面采用30cm 直徑剛性承載板進(jìn)行回彈模量檢測,可作為判定路基強(qiáng)度最直接的指標(biāo)。 該方法適應(yīng)于既有路面大面積開挖前、后老路基回彈模量的檢測。每個(gè)測點(diǎn)需要4 個(gè)檢測人員,耗時(shí)約50min。

1.2 老路基性能評價(jià)體系研究的內(nèi)容

(1)路基土性質(zhì)評價(jià)體系,用于全線路段的初步劃分和判定是否適宜作為填料, 對應(yīng)指標(biāo)為路基土的天然含水率、最佳含水率、壓實(shí)度、粒徑組成、液限、塑限和CBR。

(2)路基整體剛度評價(jià)體系,對應(yīng)指標(biāo)為路基頂面回彈模量,用于確定路基性質(zhì),并為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1.3 老路基性能評價(jià)研究思路

(1)在選取龍巖市紅坊集鎮(zhèn)至紫安道路工程、龍巖市赤水至龍門集鎮(zhèn)道路工程、 國省干線聯(lián)六線漳平市蘆芝至和平段公路工程3 個(gè)項(xiàng)目路段各選取30 個(gè)測點(diǎn),先用路面鉆芯機(jī)取出面層、基層芯樣,再用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔至老路基頂以下0.8m 的位置,抽取老路基土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)可得含水率與干密度。

(2)在各路子段30 個(gè)測點(diǎn)中選取10 個(gè),從鉆芯取樣的位置開挖出面積約2m2的試坑, 在老路基頂面進(jìn)行承載板試驗(yàn)獲取回彈模量值。

(3)在90 個(gè)測點(diǎn)對應(yīng)的同一橫斷面邊坡上取土,進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)獲取路基土的最大干密度、最佳含水率、液限、塑限、塑性指數(shù)和CBR 值等指標(biāo)。

(4)綜合分析現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)所測得的老路基各項(xiàng)物理性能指標(biāo), 研究公路改擴(kuò)建工程老路基性能劣化機(jī)理和評價(jià)方法。

2 公路改擴(kuò)建工程老路基性能劣化機(jī)理分析

2.1 老路基典型斷面數(shù)據(jù)分析

通過現(xiàn)場路基鉆探和開挖試坑進(jìn)行承載板試驗(yàn),以及室內(nèi)土工試驗(yàn)得到老路全線三個(gè)標(biāo)段總計(jì)90 個(gè)典型斷面的各項(xiàng)物理性質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)。 結(jié)合老路全線三個(gè)路段各典型斷面的現(xiàn)場及室內(nèi)試驗(yàn)所得各項(xiàng)物理性質(zhì)指標(biāo)匯總分析可知：

(1)老路基病害以縱橫向裂縫為主,存在少量的破碎板、板角斷裂、錯(cuò)臺(tái)及沉陷。 且無病害路段的路基頂面回彈模量相對較高, 說明路基病害導(dǎo)致的路面損壞程度與路基回彈模量有很大關(guān)系。

(2)老路基各測點(diǎn)填料含水率平均值為22.7%,壓實(shí)度平均值為83.5%,最佳含水率平均值為15.4%,塑限平均值為25.6%,回彈模量平均值為39.8MPa。

(3)AK13+829～AK16+000 填料為黏土質(zhì)砂,AK16+000～AK24+300 填料為含砂低液限黏土, BK14+300～BK22+600 填料為黏土質(zhì)礫,BK22+600～BK31+000 填料為含砂低液限黏(粉)土,CK31+000～CK38+000 填料為高液限粉土,CK38+000～CK44+135 填料為黏土質(zhì)礫。

2.2 老路基性能劣化機(jī)理分析

以第一路段AK13+820～AK24+300 為例,將典型斷面路基土的含水率、最佳含水率及塑限進(jìn)行對比(圖1),以便更直觀地研究三者之間的關(guān)系, 并結(jié)合壓實(shí)度和回彈模量的變化, 進(jìn)一步分析該公路改擴(kuò)建項(xiàng)目老路基性能劣化機(jī)理。

(1)老路基各測點(diǎn)填料含水率平均值為22.7%,遠(yuǎn)大于最佳含水率平均值15.4%,接近塑限平均值25.6%；結(jié)合圖1 可知,老路基填料含水率大部分接近塑限,小部分大于塑限,可知老路基濕化嚴(yán)重。

(2)壓實(shí)度平均值為83.5%,小于該老路施工時(shí)95%的壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn), 更小于該公路升級改造施工中96%的壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)；回彈模量平均值為39.8MPa,相比于正常路基竣工回彈模量有很大的衰減, 說明老路基的承載能力在長期行車荷載和環(huán)境因素影響下衰減嚴(yán)重。

(3)結(jié)合老路基土的含水率、壓實(shí)度和回彈模量分析,公路改擴(kuò)建項(xiàng)目老路基的工作性能衰變規(guī)律為： 路基在長期運(yùn)營過程中, 填料含水率由施工期間的最佳含水率演變?yōu)槠胶夂? 平衡含水率接近甚至大于填料的塑限；導(dǎo)致路基填料干密度下降,即壓實(shí)度降低；進(jìn)而導(dǎo)致路基回彈模量降低,產(chǎn)生路基病害。

圖1 AK13+829～AK24+300 段填料含水率、最佳含水率、塑限對比圖

3 公路改擴(kuò)建工程老路基性能評價(jià)方法

根據(jù)前文分析, 老路基含水率的變化影響壓實(shí)度的變化,進(jìn)而影響回彈模量的變化,故回彈模量是含水率和壓實(shí)度狀態(tài)的綜合體現(xiàn), 將回彈模量作為老路基的一個(gè)評價(jià)關(guān)鍵指標(biāo)。 填料性質(zhì)也是影響路基整體質(zhì)量的關(guān)鍵因素, 故將填料CBR 作為另一個(gè)評價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)。 根據(jù)公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D50-2017)可知,特重交通等級道路的回彈模量值≥60MPa； 根據(jù)公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D30-2015)可知,高速公路、一級公路對上下路床填料CBR 的規(guī)定值為8%、5%,對該公路改擴(kuò)建工程老路基性能評價(jià)如表1 所示。

基于上述分析, 提出該公路改擴(kuò)建工程老路基性能評價(jià)方法： 將全線老路基按土質(zhì)大致分為若干段, 填料CBR 合格且回彈模量達(dá)標(biāo)的路段為A 級路段, 不需要處治； 填料CBR 合格但回彈模量不達(dá)標(biāo)的路段為B 級路段,優(yōu)先采用翻拌晾曬,退而采用摻灰改良；填料CBR 不合格路段為C 級路段, 根據(jù)經(jīng)濟(jì)性選擇就地?fù)交腋牧蓟蜻h(yuǎn)距調(diào)運(yùn)適宜土換填。

4 結(jié)論

本文通過對各標(biāo)段典型斷面進(jìn)行鉆芯取樣試驗(yàn),開挖試坑進(jìn)行承載板試驗(yàn)、以及取土進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn),開展了公路改擴(kuò)建工程老路基性能劣化機(jī)理及性能評價(jià)體系研究,主要得到了如下結(jié)論。

表1 公路改擴(kuò)建工程老路基性能評價(jià)

(1)該公路改擴(kuò)建工程老路基的承載能力在運(yùn)營多年后衰減嚴(yán)重,表現(xiàn)為路基濕化嚴(yán)重、壓實(shí)度減小、回彈模量降低、路基路面病害較多。

(2)該項(xiàng)目老路基的工作性能劣化機(jī)理為：路基在長期運(yùn)營過程中, 填料含水率由施工期間的最佳含水率演變?yōu)槠胶夂?平衡含水率接近甚至大于填料的塑限；導(dǎo)致路基填料干密度下降,即壓實(shí)度降低；進(jìn)而導(dǎo)致路基回彈模量降低,路基整體剛度下降,從而產(chǎn)生路基病害。

(3)按土質(zhì)將該公路改擴(kuò)建工程老路基分為6 段：AK13+829～AK16+000 段路基填料為黏土質(zhì)砂,BK14+300～BK22+600 段、CK38+000～CK44+135 路 基 填 料 為 黏土質(zhì)礫,建議以上3 段路床處治方案首選翻拌晾曬,次為摻灰改良；AK16+000～AK24+300 段路基填料為含砂低液限黏土,BK22+600～BK31+000 段路基填料為含砂低液限粉土,CK31+000～CK38+000 段路基填料為高液限粉土,建議以上3 段路床采用摻灰改良方案處治。

(4)對公路改擴(kuò)建工程老路基進(jìn)行性能評價(jià)的整體思路：在老路面大面積開挖前,對路基路面鉆探取芯并開挖試坑放置承載板進(jìn)行回彈模量測試,獲取原始數(shù)據(jù)；采用人工開挖的方式對老路堤邊坡取土進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)確定填料性質(zhì)； 綜合分析現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)所測的老路基各項(xiàng)物理性質(zhì)指標(biāo), 并以此為依據(jù)對老路基進(jìn)行分段和性能評價(jià),擬定路床處治方案,有利于指導(dǎo)全線施工。