基于路基整体刚度的路基填料设计方法

张 建

（1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京；2.中咨华科交通建设技术有限公司，北京）

路基填料的选用是决定路基整体刚度的关键因素，如果路基填料设计不合理、施工质量差，在公路投入使用后容易出现裂缝、车辙、沉陷等病害，缩短公路使用寿命、影响公路行车安全。当施工现场没有合适填料时，施工单位需要采取土体改良的方式对填料进行优化设计，物理改良方法有掺入碎石、砂砾，化学改良方法有掺入石灰、水泥，特殊情况下还可以掺入土壤稳定剂。在开展地质勘察的基础上，结合公路施工需要，科学选择相应的填料优化方案。同时严格加强填料铺筑管理，重点做好摊铺、拌合、碾压等技术要点的控制，切实提高路基整体刚度。

1 路段概况

某公路全长14.6 km，沿线分布有较多的高液限土。考虑到高液限土具有含水率高、稳定性差等特点，为保证公路施工质量需要进行路基加固处理。以K80+100～K80+500 段为试验段，要求路基处理后压实度不低于94%。结合该路段的地质勘察资料，初步拟定的路基填筑方案（原方案）如表1 所示。

表1 试验路段原路基填筑方案

同时，提出了一种基于路基整体刚度的路基填料方案，将上路床填筑材料替换为粉土质砂，下路床填筑材料替换为5%水泥+高液限土，上路堤填筑材料替换4%水泥+高液限土，下路堤材料为高液限土，填筑厚度不变。在试验路段运用两种方案进行路基填筑，并对比两条试验路段的路基顶面压实度，验证两种方案在高液限土路基填筑方面的应用效果。

2 基于路基整体刚度的路基填料设计方案

2.1 下路堤回弹模量快速测定

地质勘察表明，试验路段的下路堤用高液限土填筑，在路基施工完毕后每隔20 m 布置1 个点位，共计6 个测点。分别使用了承载板法和便携式弯沉仪检测下路堤模量。其中，承载板法的计算公式如下

式中:ω 表示路基表面的竖向位移，单位为mm；E 表示回弹模量，单位为MPa；μ 表示泊松比；J(ξr)表示贝塞尔函数；p(ξ)表示荷载的汉克尔积分变换公式；r 表示承载板与测量点位之间的径向距离，单位为m。除了使用承载板法计算回弹模量外，还可以使用便携式弯沉仪（PFWD）直接测量点位的回弹模量[1]。考虑到弯沉试验中反算模量时存在较大误差，为了提高测量结果的精度，本文提出了一种基于弹性模型的改进算法，该算法的计算式为

式中:σ 表示所受应力；E 表示回弹模量；ε 表示应变；η表示粘滞系数；dε 和dt 表示对应变和时间求导。根据上述方法，可以分别求得承载板测试中的回弹模量，以及弯沉试验中常规反算回弹模量和改进反算回弹模量，统计结果见表2。

表2 试验路段下路堤回弹模量检测结果

由表2 可知，采用改进反算方法后6 个测点的平均回弹模量为24.93 MPa，与承载板测试的平均回弹模量24.05 MPa 十分接近。这是因为在弯沉试验中使用改进反算方法，充分考虑了冲击荷载下路基变形的滞后效应。在实际施工中，为了提高路基刚度，在计算下路堤回弹模量时应当向下取整，故本工程中试验段下路堤回弹模量的取值为25 MPa。

2.2 上路堤和路床填料设计

为提升路基填筑质量，新方案中采取了分层填筑、层层压实的施工方式。试验段路基的上路堤厚度为70 cm，分成4 层，最上层为10 cm，下面3 层均为20 cm；路基的上路床厚度为40 cm，分成2 层，上层和下层均为20 cm；路基的下路床厚度为40 cm，上层和下层均为20 cm。各区位的填筑材料、填筑厚度以及回弹模量等见表3。

由表3 数据可知，路基填料模量的预估值和实测值较为接近，可以参考该值开展路基填料的设计，为提高路基刚度同样需要将填筑材料的回弹模量向下取整。

3 路基填筑新方案试验结果

3.1 试验路段路基填筑施工

该试验路段的上路堤和路床采用“路拌法”施工，用水泥改良土加固路基，施工流程如图1 所示。

（1） 上土准备。路基下路堤的填筑材料为高液限土，其松铺厚度不得超过20 cm。多余部分采用人工挖除、挖掘机装车的方式，由自卸汽车将多余的高液限土运送至指定地点。对于上路堤和上下路床，采用路拌法完成填筑材料的摊铺。

（2） 摊铺填料。上路堤填筑材料为5%水泥+高液限土，下路床填筑材料为4%水泥+高液限土。高液限土填筑前应测定其含水率，要求天然含水率应维持在40%～60%之间。提前一天摊铺高液限土，在第二天掺入水泥达到改良效果，摊铺高液限土后使用抹子整平[2]。由于试验路段较长，在填筑填料时采用分段施工，每段的长度要根据水泥掺量、碾压要求等具体确定。

（3） 掺入水泥。在整平的高液限土表面画出方格网，保证水泥掺拌的均匀性。计算每格水泥用量，根据实际用量向水泥撒布车内装入水泥，精确控制撒铺量。每格掺入水泥的计算公式为

式中：M 表示每格掺入水泥的质量，单位为kg；γ 表示填土的干密度，单位为kg/m3；S 表示每格的摊铺面积，单位为m2；H 表示每格的摊铺厚度，单位为m；N 表示水泥掺量，单位为%。按照上述计算结果确定掺量后，使水泥和高液限土拌合均匀，提高水泥改良土的物理性能。

（4） 拌合及整平。选用拌合机将下层高液限土和上层水泥翻拌3～5 遍，为提高作业效率可以使拌合机以5 m/min 的速度匀速形式，边走边拌，观察到混合料上无明显灰条、粒径大小合适后即可停止翻拌[3]。对于机械拌合不到位的边角处，由施工人员借助于工具手动拌合。在填筑层完全翻透后检测水泥土的含水率，要求含水率应大于40%，如果含水率偏低需要进行洒水。

（5） 碾压密实。完成高液限土和水泥的翻拌后，首先使用15 t 光轮压路机进行初压，碾压次数为4次，光轮压路机的行驶速度控制在2.0 km/h；初压结束后，替换成12 t 振动压路机进行复压，碾压次数为3 次，行驶速度控制在4.5 km/h。碾压过程中，保证水泥改良土表面呈湿润状态，避免因为土体过于干燥而出现松散、起皮的情况。复压结束后测量压实度，如果压实度不达标还要继续增加1～2 遍碾压[4]。

（6） 质量检测。在碾压工序结束后，检测填筑层顶面的压实度。

3.2 试验路段上路堤试验结果

在公路的K80+100～300 试验段使用原方案填筑，在K80+300～500 试验段使用新方案填筑，按照上述掺水泥改良土方法完成施工后，在两个试验段上各随机选取6 个测点，选择“灌砂法”测定上路堤压实度，检测结果见表4。

表4 上路堤压实度检测结果

由表4 可知，试验段采用原方案填筑的上路堤压实度平均值为91.7%，使用新方案填筑的上路堤压实度平均值为95.0%。原方案需要在补压1 次后才能使平均压实度达到94.4%，满足压实度要求（94.0%）。对比来看，使用新方案处理路基上路提，取得的压实效果要优于原方案。

3.3 试验路段路床试验结果

路床试验方法与上路堤试验方法相同，检测结果见表5。

表5 路床压实度检测结果

由表5 数据可知，试验段路床在使用两种方案完成填筑后，原方案的平均压实度为93.6%，新方案的平均压实度为95.8%。对比可以发现，新方案对路基压实度的提升效果更加明显。同时，对原方案进行补压1次后，平均压实度提升了2 个百分点，达到了95.6%，与新方案基本持平。由此可知，在使路基达到相同压实度的情况下，使用新方案进行路床填筑能够减少碾压次数，对节约工期和降低成本有积极帮助[5]。

结束语

对于沿线分布有大量高液限土的公路，必须要改良路基填料以提高路基整体刚度。本文设计了掺水泥改良高液限土的路基填料优化方案，并按照摊铺填料、掺入水泥、拌合整平、碾压密实的施工方法完成填料铺筑、压实。从检测结果来看，该方案能够使路基的整体刚度得到提升，对提高公路整体质量有积极帮助。