車輛荷載下生石灰改良過(guò)濕土硬殼層作用效應(yīng)研究

尚樺雨，朱 福，賴嘉俊，于成江，肖璐沅

(吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院 長(zhǎng)春市 130118)

0 引言

針對(duì)吉舒高速公路工程中過(guò)濕粘性土含水率較大、強(qiáng)度低的特征，本研究對(duì)路基頂部一定范圍內(nèi)過(guò)濕土采用生石灰改良處治，形成一個(gè)生石灰改良過(guò)濕土人工硬殼層，進(jìn)而提高了過(guò)濕土路基的整體強(qiáng)度。目前，許多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了過(guò)濕土處治技術(shù)研究，例如，戴學(xué)臻等[1]對(duì)生石灰處治六盤山地區(qū)過(guò)濕土開(kāi)展了研究，分析了過(guò)濕土含水率損失原理，提出生石灰處治過(guò)濕土的摻量公式。王保田等[2]開(kāi)展了石灰改良過(guò)濕土填料的力學(xué)性質(zhì)和施工工藝研究，得出石灰改良過(guò)濕土施工時(shí)應(yīng)采用濕土擊實(shí)法。趙巖等[3]闡述了石灰處治過(guò)濕土的機(jī)理，并提出了生石灰粉處治過(guò)濕土施工方法。杜延軍等[4]進(jìn)行了電石渣改良路基過(guò)濕土與石灰改良對(duì)比研究，研究表明電石渣改良路基過(guò)濕土早期強(qiáng)度與生石灰改良土接近，后期強(qiáng)度高于后者。王達(dá)等[5]論述了應(yīng)用電滲脫水原理降低過(guò)濕土填筑路基含水率的方法及要點(diǎn)，提出了電滲法處理過(guò)濕土的設(shè)計(jì)、計(jì)算步驟及公式。盡管學(xué)者們已經(jīng)開(kāi)展了較為系統(tǒng)的過(guò)濕土處治研究工作，也取得了一些階段性成果。但生石灰改良過(guò)濕土形成的人工硬殼層作為路基路面結(jié)構(gòu)的一個(gè)組成部分，對(duì)路基路面力學(xué)響應(yīng)將產(chǎn)生如何影響？硬殼層設(shè)計(jì)參數(shù)如何選用？這些問(wèn)題都將影響硬殼層的應(yīng)用。鑒于此，有必要對(duì)硬殼層與路基路面力學(xué)響應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究，通過(guò)力學(xué)分析計(jì)算，探究硬殼層作用效應(yīng)，給出硬殼層的推薦設(shè)計(jì)厚度與模量范圍，從而為生石灰改良過(guò)濕土硬殼層措施在道路工程中更好的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 路基路面結(jié)構(gòu)

吉舒高速公路的路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)參數(shù)取值見(jiàn)圖1。本研究采用多層彈性層狀體系理論對(duì)生石灰處治過(guò)濕土硬殼層進(jìn)行力學(xué)分析，計(jì)算中，將面層、基層、底基層簡(jiǎn)化為彈性層狀結(jié)構(gòu)，將生石灰改良過(guò)濕土視為獨(dú)立的彈性層狀層。

圖1 路基路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

2 硬殼層對(duì)路基力學(xué)響應(yīng)的影響

2.1 硬殼層對(duì)路基頂面豎向壓應(yīng)力分布的影響

生石灰改良過(guò)濕土硬殼層模量依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果取200MPa。分別對(duì)硬殼層厚度為0、20cm、40cm、60cm、80cm條件下，各個(gè)計(jì)算點(diǎn)位的路基頂面豎向壓應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖2(a)。硬殼層厚度取40cm，依據(jù)室內(nèi)生石灰改良過(guò)濕土回彈模量測(cè)試結(jié)果，分別對(duì)硬殼層模量為100MPa、200MPa、300MPa、400MPa、500MPa條件下，各個(gè)計(jì)算點(diǎn)位的路基頂面豎向壓應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖2(b)。

(a)厚度的影響

(b)模量的影響圖2 硬殼層對(duì)路基頂面壓應(yīng)力的影響

由圖2可以看出，在硬殼層作用下，路基頂面的豎向壓應(yīng)力減小，豎向壓應(yīng)力分布趨于平緩。隨著硬殼層厚度與模量的增加，路基頂面的豎向壓應(yīng)力逐漸減小，這表明增加硬殼層厚度與模量，可以有效地減小車輛荷載作用中心附近的大主應(yīng)力。從無(wú)硬殼層到硬殼層厚度80cm，路基頂面的豎向壓應(yīng)力最大減小幅度為58.7%。硬殼層模量由100MPa增加到500MPa，路基頂面的豎向壓應(yīng)力最大減小幅度為20.7%。由此得出，在選定的參數(shù)取值范圍內(nèi)，硬殼層厚度變化比模量變化對(duì)路基頂面豎向壓應(yīng)力的影響更顯著。

2.2 硬殼層對(duì)路基強(qiáng)度的影響

瀝青路面設(shè)計(jì)方法大多采用路基回彈模量表征路基的力學(xué)特性，本研究以路基頂面當(dāng)量回彈模量來(lái)分析硬殼層對(duì)路基強(qiáng)度的影響規(guī)律。基本思路是：以彎沉值等效原則計(jì)算路基頂面當(dāng)量回彈模量，依據(jù)多層彈性層狀體系理論計(jì)算路面結(jié)構(gòu)體系的路基頂面彎沉值，當(dāng)滿足與硬殼層頂面基準(zhǔn)值誤差后，以路基頂面基準(zhǔn)彎沉值所對(duì)應(yīng)的路基當(dāng)量回彈模量值作為路基頂面當(dāng)量回彈模量。

為了分析硬殼層厚度與模量對(duì)路基強(qiáng)度的影響，以路基頂面當(dāng)量回彈模量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)定原路基回彈模量取值范圍10～70MPa，硬殼層厚度0～80cm，硬殼層模量取200MPa，硬殼層泊松比取0.3；硬殼層模量100～500MPa，硬殼層厚度取40cm，路面結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。車輛荷載采用標(biāo)準(zhǔn)雙輪荷載，基于層間連續(xù)狀態(tài)下多層彈性層狀體系理論，進(jìn)行不同設(shè)計(jì)工況的計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖3與圖4。

圖3 硬殼層厚度對(duì)路基強(qiáng)度的影響

由圖3可知，隨著硬殼層厚度的增加，路基強(qiáng)度逐漸增大。原路基回彈模量10MPa時(shí)，從無(wú)硬殼層到硬殼層厚度80cm，路基強(qiáng)度增加了6.9MPa；原路基回彈模量70MPa時(shí)，從無(wú)硬殼層到硬殼層厚度80cm，路基強(qiáng)度增加了25.2MPa，后者是前者的3.65倍。

圖4 硬殼層模量對(duì)路基強(qiáng)度的影響

從圖4可知，隨著硬殼層模量的增加，路基強(qiáng)度逐漸增加。原路基回彈模量10MPa時(shí)，硬殼層模量由100MPa增加到500MPa，路基強(qiáng)度增加了3.5MPa。原路基回彈模量70MPa時(shí)，硬殼層模量由100MPa增加到500MPa，路基強(qiáng)度增加了24.5MPa，后者是前者的7.0倍。

3 硬殼層對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

在層間連續(xù)狀態(tài)下，初步對(duì)選定路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算表明，瀝青層底為壓應(yīng)力，基層底與底基層底最大彎拉應(yīng)力位于車輪中心(圖1中1號(hào)點(diǎn)位置)。因此，本研究重點(diǎn)對(duì)硬殼層參數(shù)變化對(duì)路表彎沉值、基層與底基層底部彎拉應(yīng)力帶來(lái)的影響進(jìn)行分析。設(shè)定硬殼層厚度的取值為0～80cm，硬殼層模量的取值為100～500MPa，硬殼層泊松比為0.3，以圖1路面結(jié)構(gòu)為例，基于層間連續(xù)狀態(tài)下多層彈性層狀體系理論進(jìn)行不同設(shè)計(jì)工況的計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

3.1 硬殼層對(duì)路表彎沉值的影響

由圖5可知，隨著硬殼層厚度與模量的增加，路表彎沉值逐漸減小，硬殼層厚度由0增加到80cm，路表彎沉值減小了0.1002mm，減小幅度為22.9%。硬殼層模量由100MPa增加到500MPa，路表彎沉值減小了0.0582mm，減小幅度為14.4%。上述分析結(jié)果表明，增加硬殼層厚度與模量，均能有效地減小路表彎沉值，相比之下，在本研究選定的硬殼層參數(shù)范圍內(nèi)，增加硬殼層厚度減小路表彎沉值的效果更顯著。

3.2 硬殼層對(duì)基層底彎拉應(yīng)力的影響

由圖6可知，隨著硬殼層厚度與模量的增加，基層底彎拉應(yīng)力逐漸減小，硬殼層厚度由0增加到80cm，基層底彎拉應(yīng)力減小了27.52kPa，減小幅度為41.7%。硬殼層模量由100MPa增加到500MPa，基層底彎拉應(yīng)力減小了25.73kPa，減小幅度為46.6%。隨著硬殼層厚度與模量的增加，基層底彎拉應(yīng)力減小的幅度逐漸降低，硬殼層厚度超過(guò)60cm時(shí)，基層底彎拉應(yīng)力減小幅度僅為4.3%。硬殼層模量超過(guò)400MPa時(shí)，基層底彎拉應(yīng)力減小幅度僅為7.7%。

(a)厚度與彎沉值關(guān)系

(b)模量與彎沉值關(guān)系圖5 硬殼層參數(shù)與路表彎沉值的關(guān)系

上述分析結(jié)果表明，增加硬殼層厚度與模量均能有效地減小基層底彎拉應(yīng)力，硬殼層模量與厚度的持續(xù)提高，對(duì)降低基層底彎拉應(yīng)力的貢獻(xiàn)量越來(lái)越小。因此，綜上給出硬殼層厚度的推薦范圍20～60cm，模量的推薦范圍200～400MPa。

4 結(jié)論

基于多層彈性層狀體系理論，分析了吉舒高速公路生石灰改良過(guò)濕土硬殼層對(duì)路基路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律，取得如下主要結(jié)論：

(1)隨著硬殼層厚度與模量的增加，路基頂面的豎向壓應(yīng)力逐漸減小，路基強(qiáng)度提高，硬殼層厚度變化比模量變化對(duì)路基頂面的豎向壓應(yīng)力的影響更顯著。

(a)厚度與基層底彎拉應(yīng)力關(guān)系

(b)模量與基層底彎拉應(yīng)力關(guān)系圖6 硬殼層參數(shù)與基層底彎拉應(yīng)力的關(guān)系

(2)隨著硬殼層厚度與模量的增加，路表彎沉值、基層底彎拉應(yīng)力逐漸減小，但相比之下，增加硬殼層厚度對(duì)減小路表彎沉值的效果更加顯著。硬殼層模量與厚度的持續(xù)提高，對(duì)降低基層底彎拉應(yīng)力的貢獻(xiàn)量越來(lái)越小。綜合分析給出，生石灰改良過(guò)濕土硬殼層厚度的推薦范圍20～60cm，模量的推薦范圍200～400MPa。