公路改擴建工程老路基處治深度研究

張軍輝，劉杰，鄧宗煌，王新宇，李周強

(1.長沙理工大學(xué) 公路養(yǎng)護技術(shù)國家工程實驗室，湖南 長沙 410114；2.湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四○二隊)

中國南方路網(wǎng)密度大，修筑時間早，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，很多公路急需通過改擴建提高通行能力。由于南方濕熱多雨，老路基與周圍環(huán)境的濕熱交換導(dǎo)致其含水率逐漸從修筑時的最佳含水率增加到某一與氣候、土質(zhì)等相適應(yīng)的平衡狀態(tài)，含水率最大增加65%以上，導(dǎo)致老路基剛度顯著降低。對這些老路基進行拼接時，由于其剛度低，無法滿足路床要求，需進行石灰或水泥等改良土換填。

目前對路床填筑改良土的研究多集中在新建路基，而對老路基處治深度研究較少，路基的處治深度取值主要依賴于工程經(jīng)驗，無理論依據(jù)，或者取上路床或整個路床深度，由此可能導(dǎo)致路基處治深度不夠，處治后仍不能滿足路面對路基的要求；或路基處治深度過大，造成浪費。因此，如何有效確定老路路基處治深度是老路基拼接的關(guān)鍵技術(shù)之一。

該文依托湖南省第一條高速公路改擴建工程——蓮株公路改擴建工程，開展老路基水泥改良處治前后彎沉測試，并建立其與PFWD模量之間的相互關(guān)系，進而根據(jù)路基彎沉設(shè)計要求，計算得到對路基PFWD模量的要求，并以此為標準，建立不同老路基狀況下的處治深度確定方法，以便在蓮株公路改擴建工程全線進行推廣應(yīng)用。

1 依托工程介紹

依托工程蓮株公路改擴建工程起于湘贛省界蓮花沖，穿越醴陵市規(guī)劃區(qū)北側(cè)至板杉，經(jīng)蘆淞區(qū)的姚家壩、白關(guān)至株洲市紅旗立交橋東側(cè)，順接蓮易公路株洲至易家灣段，全長50.384 km。該工程采用“單側(cè)整體加寬為主，局部分離”的方式進行“兩車道改四車道”擴建，擴建后路段為四車道整體式路基，路床厚度1.2 m，路床頂-15 cm至路床頂為15 cm碎石墊層，新設(shè)計路床頂-15 cm設(shè)計彎沉值為178(0.01 mm)，采用7%水泥改良方案且最大處治深度為整個新設(shè)計路床深度。

蓮株公路經(jīng)過22年的運營，老路基壓實度、回彈模量均顯著降低，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，蓮株公路老路基壓實度和回彈模量分別為75.5%～91.3%(平均值為83.4%)、35.9～46.8 MPa(平均值為40.0 MPa)，遠低于JTG D30-2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》規(guī)定高速公路路床壓實度96%和JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》規(guī)定特重交通等級道路的回彈模量60 MPa的要求，因此需對老路基進行適當處治。因此，如何有效確定老路路基處治深度是保障公路改擴建工程質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2 老路基處治深度確定所用檢測方法及研究思路

2.1 老路基處治深度確定所用檢測方法介紹

(1)貝克曼梁

在老路基表面采用長度為5.4 m的貝克曼梁進行彎沉檢測，可作為判定路基承載能力最直接的指標。每個測點需要4個檢測人員，耗時約10 min。

(2)便攜式落錘彎沉儀(PFWD)

便攜式落錘彎沉儀其工作原理是采用10 kg落錘從一定高度自由落下，通過阻尼裝置、承載板(直徑30 cm)對路基產(chǎn)生瞬間的沖擊，使路基產(chǎn)生變形。模擬車輛運行時對路基產(chǎn)生的動荷效應(yīng)沖擊路基，在沖擊能相同的條件下，測試路基的垂直變形值，以此計算路基的模量Ep。從理論上講，路基碾壓越密實，變形值越小，路基的模量Ep越高。每個測點需要3個檢測人員，耗時約3 min。

2.2 老路基處治深度研究思路

(1)在依托工程蓮株公路改擴建工程不同填料老路基段，各選取1個試驗段(長50～100 m)，將路面清除后，在老路基上各選取20個測點，各測點上依次用PFWD檢測模量Ep、貝克曼梁檢測彎沉L，建立不同填料原狀土模量Ep與彎沉L之間的相關(guān)關(guān)系。

(2)從試驗段老路基頂面向下開挖至新設(shè)計路床底，對底部進行碾壓后采集模量Ep與彎沉L。JTG D30-2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，對于特重和極重交通路床厚度為120 cm，故蓮株高速公路路床設(shè)計為120 cm?？紤]到蓮株公路改擴建工程路基頂面鋪設(shè)15 cm碎石墊層的設(shè)計要求，確定老路基處治深度為0～105 cm。根據(jù)水泥改良土的適宜碾壓厚度，確定每層壓實厚度為21 cm。待每層水泥改良土強度穩(wěn)定(養(yǎng)生7 d)后，為減少誤差和保證樣本數(shù)，選取兩個測點檢測模量Ep和彎沉L，并取二者平均值作為最終結(jié)果。不同層位的測點豎向需保持在同一中心線上。建立不同土質(zhì)改良土模量Ep與彎沉L之間的相關(guān)關(guān)系，并分析得到每填筑一層水泥改良土對彎沉值的減少效果。

(3)在未改良且土質(zhì)相同路段的老路基頂采集模量Ep，反算彎沉L。根據(jù)老路基頂面彎沉值和新建路床驗收容許彎沉值之間的差值和每填筑一層水泥改良土對彎沉值的減少效果，確定改良土處治深度。

3 老路基不同填料彎沉L與模量Ep的相關(guān)關(guān)系

3.1 不同填料素土彎沉L與模量Ep的相關(guān)關(guān)系

在依托工程蓮株公路改擴建工程選取K1 105+000～K1 105+100黏土質(zhì)砂段、K1 117+260～K1 117+310含砂低液限黏土段為試驗段，測點沿行車道或超車道中心線按等距5 m布置，共計20個測點，分別檢測PFWD模量、貝克曼梁彎沉。并建立便攜式落錘彎沉儀(PFWD)模量Ep與貝克曼梁彎沉L之間的相關(guān)關(guān)系，如圖1所示。

圖1 不同填料素土彎沉L與模量Ep的相關(guān)關(guān)系

由圖1可知：對于蓮株公路改擴建工程老路基不同填料段，模量Ep與彎沉L的相關(guān)系數(shù)R2都超過了0.9，表明二者具有良好的相關(guān)關(guān)系。由于便攜式落錘彎沉儀具有操作簡單、所需時間短等優(yōu)點，有利于大規(guī)模應(yīng)用，因此可用便攜式落錘彎沉儀代替貝克曼梁進行老路基性能檢測，并用PFWD模量Ep根據(jù)關(guān)系式反算彎沉L。

3.2 不同填料改良土彎沉L與模量Ep的相關(guān)關(guān)系

為考察每填一層水泥改良土對路基性能的影響，在黏土質(zhì)砂、含砂低液限黏土試驗段不同層位的兩個測點采集老路基、各改良土層PFWD模量、貝克曼梁彎沉數(shù)據(jù)。并建立各層便攜式落錘彎沉儀(PFWD)模量Ep與貝克曼梁彎沉L之間的相關(guān)關(guān)系，如圖2所示。由圖2可知：不同土質(zhì)路基的改良土模量Ep與彎沉L的相關(guān)系數(shù)R2都超過了0.9，因此，可用便攜式落錘彎沉儀代替貝克曼梁進行老路基填料改良后的性能檢測。

圖2 不同填料改良土彎沉L與模量Ep的相關(guān)關(guān)系

4 老路基處治深度確定

4.1 黏土質(zhì)砂路段處治深度確定

對黏土質(zhì)砂試驗段老路基開展換填不同水泥改良土層數(shù)后頂面PFWD模量測試，并根據(jù)圖1，計算得到換填不同層數(shù)改良土后其頂面彎沉。換填層數(shù)和其頂面彎沉的相關(guān)關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知：在黏土質(zhì)砂試驗路段，隨著水泥改良土的填筑，改良土頂面彎沉值減小的規(guī)律為：① 第1層改良土頂面彎沉值相比于原狀土減小92(0.01 mm)；② 第2層改良土頂面彎沉值相比于第1層減小76(0.01 mm)；③ 第3層改良土頂面彎沉值相比于第2層減小68(0.01 mm)；④ 第4層改良土頂面彎沉值相比于第3層減小54(0.01 mm)；⑤ 第5層改良土頂面彎沉值相比于第4層減小46(0.01 mm)。

因此，根據(jù)彎沉值減小的規(guī)律，提出0、21、42、63、84、105 cm共6個老路基處治深度標準，見表1。

圖3 黏土質(zhì)砂試驗段改良土彎沉減小效果圖

表1 黏土質(zhì)砂路段老路基處治深度標準

4.2 含砂低液限黏土路段處治深度確定

對含砂低液限黏土路段的老路基，測試換填不同水泥改良土層數(shù)后頂面PFWD模量，并根據(jù)圖1計算彎沉，從而建立不同改良土層數(shù)與其頂面彎沉的相關(guān)關(guān)系，如圖4所示。

圖4 含砂低液限黏土試驗段改良土彎沉減小效果圖

由圖4可知：在含砂低液限黏土試驗路段，隨著水泥改良土的填筑，改良土頂面彎沉值減小的規(guī)律為：① 第1層改良土頂面彎沉值相比于原狀土減小120(0.01 mm)；② 第2層改良土頂面彎沉值相比于第1層減小79(0.01 mm)；③ 第3層改良土頂面彎沉值相比于第2層減小64(0.01 mm)；④ 第4層改良土頂面彎沉值相比于第3層減小54(0.01 mm)；⑤ 第5層改良土頂面彎沉值相比于第4層減小35(0.01 mm)。

因此，根據(jù)彎沉值減小的規(guī)律，提出0、21、42、63、84、105 cm共6個老路基處治深度標準，見表2。

表2 含砂低液限黏土路段老路基處治深度標準

5 老路基處治效果

前述老路基處治深度確定方法在依托工程蓮株公路改擴建工程全線進行了推廣應(yīng)用。為驗證老路基處治厚度確定方法的有效性，對按該方法確定的處治深度換填后的路基頂面進行了彎沉測試。表3為部分段落的測試結(jié)果，從表3可知：改良層鋪設(shè)后其頂面彎沉接近并小于設(shè)計彎沉，從而驗證了該文確定的老路基處治深度確定方法的有效性。

表3 蓮株公路老路改良層測試結(jié)果

續(xù)表3

6 結(jié)論

依托蓮株公路改擴建工程，分別在黏土質(zhì)砂、含砂低液限黏土老路基段選取試驗段，以PFWD模量Ep為關(guān)鍵指標，進行老路基處治深度研究，現(xiàn)場試驗段檢測了老路基及改良土層的模量Ep和彎沉L并建立了二者的相關(guān)關(guān)系，提出了老路基處治深度確定方法，獲得如下主要結(jié)論：

(1)無論是黏土質(zhì)砂，還是含砂低液限黏土，亦或是其水泥改良土，其PFWD模量與彎沉之間存在良好的相關(guān)關(guān)系。由于便攜式落錘彎沉儀具有操作簡單、所需時間短等優(yōu)點，有利于大規(guī)模應(yīng)用，因此可用便攜式落錘彎沉儀代替貝克曼梁進行老路基性能檢測，并用PFWD模量Ep根據(jù)關(guān)系式反算彎沉L。

(2)在各老路基路段以老路基頂PFWD模量Ep為關(guān)鍵指標，提出了無需處治、水泥改良土回填21、42、63、84、105 cm等幾種處治方案的控制方法，在依托工程推廣應(yīng)用證明了該方法的有效性。