基于超固結(jié)狀態(tài)的既有軟基段路基輕質(zhì)換填技術(shù)研究

黃寶濤，張牡丹*，黃湘鑠，方明山，馮健雪，黃麗珍

（1.浙江海洋大學(xué) 海洋工程裝備學(xué)院，浙江 舟山 316022；2.浙江海洋大學(xué) 船舶與海運(yùn)學(xué)院，浙江 舟山 316022；3.浙江交投交通建設(shè)管理有限公司，浙江 寧波 310000；4.貴州民族大學(xué) 建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；5.湖北工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖北 孝感 432100）

0 引言

軟基段路基不均勻沉降的核心問題就是軟基與結(jié)構(gòu)物之間受力變形狀態(tài)整體協(xié)調(diào)的問題。工程技術(shù)人員通過采用粉噴樁、漿噴樁、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓、塑料排水板超載預(yù)壓、砂樁超載預(yù)壓等對軟土地基之間及不同結(jié)構(gòu)物之間的差異沉降進(jìn)行研究［1-3］。Nakanishi 等［4］計(jì)算地基沉降提出了一種確定樁長的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；王祥［5］分析了超軟土地基產(chǎn)生波浪狀破壞的機(jī)理，常用處理措施對樁基的影響大等問題的處理方案也得到了深入研究［6-9］；徐林榮等［10］、李海濱等［11］、王灝等［12］對新老路堤結(jié)合部進(jìn)行了為期9 個(gè)月的沉降動(dòng)態(tài)監(jiān)測，分析了過渡段長度和差異沉降的關(guān)系。公路工程差異沉降調(diào)查發(fā)現(xiàn)：軟基段路基受力變形狀態(tài)穩(wěn)定性不足與軟基段路基底部應(yīng)力大于軟土流變下限閾值是影響和解決公路軟基段路基不均勻沉降的兩個(gè)關(guān)鍵因素，也是多種工程措施治理不均勻沉降只有改善、少有根治效果的原因。該文基于人造超固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)，從減小地基的固結(jié)沉降和壓縮變形的角度，提出工程造價(jià)適宜的控制公路軟基段路基工后差異沉降的輕質(zhì)化換填技術(shù)。

1 軟土初始流變應(yīng)力值概念的提出

對差異沉降病害嚴(yán)重段的軟土路段，通過鉆孔對軟土取樣，取制樣過程中盡量保證土體少受擾動(dòng)，使室內(nèi)土樣力學(xué)性能與實(shí)際一致，如圖1 所示。

對試驗(yàn)段軟土芯樣進(jìn)行室內(nèi)流變試驗(yàn)，每個(gè)試件最短加載時(shí)間144 h，最長加載時(shí)間172 h。根據(jù)土質(zhì)情況，分別采用25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa，或50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa 兩種加載方式。試驗(yàn)初期每1 h 記錄一次數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中后期每4 h 記錄一次數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 軟土流變曲線圖（取土深度：2.8 m）Figure 2 Rheological curve of soft soil (soil depth of 2.8 m)

由圖2 可知：軟土在沉降初期隨著時(shí)間的增長沉降迅速增大，隨后增大趨勢逐步變小，并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。對比觀察應(yīng)力水平25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa 時(shí)的流變數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力水平為25 kPa或小于25 kPa時(shí)，流變對軟土沉降的影響基本可以忽略。而當(dāng)應(yīng)力為50 kPa、100 kPa、200 kPa 時(shí)，流變對軟土沉降的影響極大。由此，本文定義出“初始流變應(yīng)力值”的概念，即為材料在載荷長期作用下發(fā)生明顯流變的最小應(yīng)力值。

在力學(xué)上，初始流變應(yīng)力值與強(qiáng)度值是兩個(gè)完全不同的概念。強(qiáng)度值是指材料在加載過程直至破壞所能夠承受的最大應(yīng)力值，而初始流變應(yīng)力值是指材料在載荷長期作用下發(fā)生明顯流變的最小應(yīng)力值。圖3 為軟土的初始流變應(yīng)力值與強(qiáng)度值的直觀比較。從圖3 可以看到：軟土初始流變應(yīng)力值大約為軟土強(qiáng)度值的20%。

圖3 淤泥質(zhì)軟土強(qiáng)度與初始流變應(yīng)力值差別Figure 3 Difference between strength and initial flow stress of muddy soft soil

經(jīng)過試驗(yàn)分析，可知本次試驗(yàn)樣品所屬的軟土類型，其初始流變應(yīng)力值約為25 kPa。即當(dāng)應(yīng)力水平低于25 kPa 時(shí)，流變的影響很小；當(dāng)應(yīng)力水平高于25 kPa 時(shí)，忽略流變對軟土沉降的影響將對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不可忽視的影響。

2 軟土人造超固結(jié)比狀態(tài)的理論基礎(chǔ)

傳統(tǒng)土力學(xué)荷載加載—卸載變形理論如圖4 所示，可知：隨著荷載的持續(xù)增大，加載—卸載循環(huán)作用下土體都產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性變形積累，初始加載值的大小相當(dāng)于土體曾經(jīng)受過的應(yīng)力歷史。

圖4 軟土的加載—卸載—再加載應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Figure 4 Loading-unloading-reloading stress-strain curve of soft soil

從圖4 可知：若保持初始加載荷載不變或通過碾壓、堆載預(yù)壓等措施使初始應(yīng)力值比較大，后續(xù)通過輕質(zhì)材料換填、鋪設(shè)應(yīng)力分散擴(kuò)散下隔板、地基軟土原位固化等措施提升整體性，讓路面結(jié)構(gòu)填料和車輛荷載組合產(chǎn)生的總荷載都小于這個(gè)初始加載荷載值，且附加應(yīng)力小于軟土初始流變應(yīng)力值時(shí)，則軟土地基土體就處于一種人造的彈性可恢復(fù)的超固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)。

常規(guī)路面結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)的組成如圖5 所示，若能夠讓輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)承受加載—卸載產(chǎn)生的應(yīng)力都小于初始加載產(chǎn)生的應(yīng)力，且附加應(yīng)力小于軟土初始流變應(yīng)力值時(shí)，則地基土就處于完全彈性范圍（εe）內(nèi)。

圖5 人造超固結(jié)應(yīng)力比路面結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Pavement structure with artificial overconsolidation stress ratio

如表1 所示，即當(dāng)輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)承受加載—卸載產(chǎn)生的應(yīng)變都小于初始加載產(chǎn)生的應(yīng)變，且附加應(yīng)力也小于軟土初始流變應(yīng)力值時(shí)，就能夠保證輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)和車輛荷載組合的總荷載產(chǎn)生的變形可以完全恢復(fù)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形積累，從而避免了不均勻差異沉降的產(chǎn)生。

表1 單位面積常規(guī)路面結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力指標(biāo)Table 1 Stress index of conventional pavement structure and pavement structure with lightweight replacement in unit area

3 基于荷載傳遞的輕質(zhì)化換填密度上限值的確定步驟及方法

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014），取典型汽車參數(shù)為車重550 kN（約55 t），中后輪各4 個(gè)著地寬度及長度0.6 m×0.2 m，前輪2 個(gè)著地寬度及長度0.3 m×0.2 m，車輛外形尺寸取15 m×2.5 m?！豆饭こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）中將汽車載荷等效成約0.5 m 填土靜載均布于軟土地基之上，折算成土重度引起的附加應(yīng)力為8.5 kPa，為安全計(jì)取大值。基于超固結(jié)應(yīng)力比的沿海地區(qū)路基差異沉降優(yōu)化方法，包括以下步驟：① 通過鉆孔對軟土路段的路基土層進(jìn)行取樣，獲得試驗(yàn)土樣；② 對試驗(yàn)土樣進(jìn)行室內(nèi)流變試驗(yàn)，獲得初始流變應(yīng)力值σ1；③ 計(jì)算該取樣深度處的材料自重應(yīng)力值，將車輛荷載和該深度處的地基材料自重應(yīng)力值取和，記為該深度自重引起的總附加應(yīng)力值σ2；④ 比較總附加應(yīng)力值與初始流變應(yīng)力下限值，若總附加應(yīng)力值σ2小于初始流變應(yīng)力值σ1，表示該軟土路段處于安全狀態(tài)，若總附加應(yīng)力值σ2大于初始流變應(yīng)力值σ1，表示該軟土路段處于隱患狀態(tài)，則進(jìn)入下一步；⑤ 計(jì)算，其中：σ1為某層位土樣通過試驗(yàn)獲得的初始流變下限值；H為該路基土層的擬進(jìn)行換填的厚度（根據(jù)汽車荷載傳遞影響深度的計(jì)算分析可知，2 m ＞H＞1.5 m）；g為重力加速度；ρ為該路基土層擬將輕質(zhì)化換填材料的密度值；⑥ 選用密度為ρ1的輕質(zhì)塊體換填，其中，ρ1小于ρ。

4 工程試驗(yàn)路輕質(zhì)化換填方案研究

4.1 工程試驗(yàn)路段概況

試驗(yàn)路段位于浙江省舟山市金塘鎮(zhèn)瀝小線，標(biāo)準(zhǔn)路基寬24.5 m，路幅布置為：中間帶3 m+行車道2×7.5 m+硬路肩2×2.5 m+土路肩2×0.75 m。試驗(yàn)路現(xiàn)狀如圖6 所示。路基沉降較為明顯，縱斷面線形呈現(xiàn)波浪趨勢，根據(jù)建設(shè)資料及軟基路段施工圖設(shè)計(jì)資料，該路段原為軟基段路基，建設(shè)期已采用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行處理，初期路面起伏情況良好，后又趨于波浪，路基沉降及路面翹曲現(xiàn)象仍較為明顯，嚴(yán)重影響公路行駛質(zhì)量、舒適度及安全性。分析其原因如下：① 該軟基路段路基未進(jìn)行預(yù)壓，路基填筑后樁間自然沉降明顯；② 二期路面未待路基沉降相對穩(wěn)定后就實(shí)施建設(shè)，從而短時(shí)間又出現(xiàn)明顯沉降；③ 路段內(nèi)頻繁的重型荷載車輛作用，導(dǎo)致沉降日益明顯，加快波浪形路面的形成。

圖6 原軟基段路基沉降病害圖Figure 6 Settlement of original soft subgrade

4.2 輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)分析

設(shè)計(jì)方案首先采用分層總和法計(jì)算確定軟土地基某點(diǎn)A處層位所受土體自重合外力G填（自重和車輛荷載之和），即A點(diǎn)層位將受到的附加荷載，計(jì)算公式如下：

式中：hci為設(shè)計(jì)勘察資料提供的A點(diǎn)填土層的厚度（m）；ρci為設(shè)計(jì)勘察資料提供的A點(diǎn)填土層的密度；GD為車輛動(dòng)荷載。

由路面結(jié)構(gòu)實(shí)測數(shù)據(jù)可知：軟土地基上交通荷載一般應(yīng)力水平較低，主要作用范圍在路面以下2 m內(nèi)，因而試驗(yàn)路換填深度為2 m。輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案如圖7 所示。

圖7 試驗(yàn)段輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)縱剖面圖（單位：cm）Figure 7 Longitudinal profile of pavement structure with lightweight replacement in test section（unit：cm）

常規(guī)路面結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)的參數(shù)對比分析計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 常規(guī)路面結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力對比Table 2 Stress comparison between conventional pavement structure and pavement structure with lightweight replacement

4.3 路面結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化換填材料的物理力學(xué)性能

本試驗(yàn)段實(shí)際采用的輕質(zhì)換填材料密度為 45 kg/m3，其主要組成為水泥、加筋材料、高分子聚合物氣泡群以及速凝劑，通過流塑成型工藝預(yù)制成輕質(zhì)塊體。輕質(zhì)化換填的路面結(jié)構(gòu)首先要滿足路基長期使用性能所需要的物理力學(xué)性能，選取試件對輕質(zhì)化換填的路基材料進(jìn)行室內(nèi)檢測試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 換填輕質(zhì)化材料的實(shí)測力學(xué)參數(shù)Table 3 Measured mechanical parameters of materials for lightweight replacement

由表3 可知：換填的路基輕質(zhì)化材料符合《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610—2019）和《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）中的參數(shù)要求。

4.4 輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)的施工流程

輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)由于使用了輕質(zhì)化的路基填料，在很大程度上減小了地基的附加應(yīng)力，提高了路堤的變形穩(wěn)定性。對于行車道，其施工流程為：①挖除現(xiàn)狀行車道下路面結(jié)構(gòu)層；② 根據(jù)交通荷載主要作用范圍在路面以下2 m 內(nèi)，確定需要下挖的路基深度為2 m；③ 基底壓實(shí)并找平；④ 鋪設(shè)荷載分散擴(kuò)散作用的下承載板；⑤ 安裝預(yù)制裝配式輕質(zhì)塊體；⑥鋪設(shè)荷載分散擴(kuò)散作用的上承載板；⑦ 在上承載板澆筑連續(xù)配筋水泥混凝土承重板；⑧ 連續(xù)配筋水泥混凝土承重板養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期；⑨ 連續(xù)配筋水泥混凝土承重板上攤鋪水泥穩(wěn)定碎石調(diào)平層；⑩ 碾壓水泥穩(wěn)定碎石調(diào)平層至規(guī)定的壓實(shí)度；○1 攤鋪瀝青面層、碾壓、開放交通。

4.5 路面結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化換填方案的沉降觀測分析

為掌握輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)的工后沉降程度，也為后續(xù)改善沿海地區(qū)公路軟基段路基差異沉降病害處置方案提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)，首先對試驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行布點(diǎn)測量。共設(shè)置40 個(gè)觀測點(diǎn)，其中輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段與常規(guī)路面結(jié)構(gòu)路段各設(shè)置20 個(gè)觀測點(diǎn)。經(jīng)過為期1 年的沉降數(shù)據(jù)采集，輕質(zhì)化換填路面與常規(guī)路面沉降對比如圖8 所示。

圖8 輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)與常規(guī)路面結(jié)構(gòu)沉降Figure 8 Settlement of pavement structure with lightweight replacement and conventional pavement structure

從圖8 可知：工后1 年使用情況下，常規(guī)路面結(jié)構(gòu)的沉降量已經(jīng)發(fā)展到15 mm 左右，而輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)沉降值始終保持在1 mm 左右，雖然換填輕質(zhì)材料只能減少沉降并不能完全解決沉降變形，但也基本不會(huì)對車輛行駛舒適性造成影響。研究結(jié)果［11］顯示：當(dāng)不均勻沉降差在 15 mm 以內(nèi)時(shí)，對車輛的行駛幾乎無影響，而當(dāng)不均勻沉降差達(dá) 15～35 mm 時(shí)，車輛行駛就會(huì)有非常不舒適的顛簸感。從縱斷面沉降圖的數(shù)據(jù)對比分析可知，在同一縱向線形上，輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)差異沉降同常規(guī)路面相比已明顯減小，沉降曲線平緩且已趨于穩(wěn)定，無突變，縱坡極小，可很好地保證行車的安全性和舒適性，而常規(guī)路面結(jié)構(gòu)的差異沉降無法達(dá)到穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文基于超固結(jié)應(yīng)力比的彈性變形理論，從減輕車輛荷載和結(jié)構(gòu)自重附加應(yīng)力的角度，開展了人造超固結(jié)應(yīng)力比的計(jì)算分析及輕質(zhì)化換填新技術(shù)的研究，得出以下結(jié)論：

（1） 采取合適的工程技術(shù)措施可使車輛荷載和路基自重產(chǎn)生的附加應(yīng)力小于天然軟土初始流變應(yīng)力值，經(jīng)過試驗(yàn)分析，可知本研究試驗(yàn)段軟土樣品的初始流變應(yīng)力值為軟土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的20%。

（2） 適宜密度輕質(zhì)材料的換填厚度可使路基底部形成人造超固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)，可讓車輛荷載作用下的軟土地基處于彈性變形狀態(tài)，可解決軟基段路基的差異沉降。

（3） 試驗(yàn)路工后1 年，輕質(zhì)化換填路面結(jié)構(gòu)沉降保持在1 mm 左右，差異沉降已趨于穩(wěn)定，而常規(guī)路基填料的路面結(jié)構(gòu)沉降達(dá)到17 mm，大于行車舒適的沉降上限值15 mm，且沉降數(shù)值還在持續(xù)增加中。試驗(yàn)路的差異沉降觀測數(shù)據(jù)表明：基于人造超固結(jié)應(yīng)力比理論的輕質(zhì)化換填技術(shù)可有效解決軟基段路基差異沉降，具有顯著的理論價(jià)值和工程實(shí)踐推廣前景。