基于超固结状态的既有软基段路基轻质换填技术研究

黄宝涛，张牡丹*，黄湘铄，方明山，冯健雪，黄丽珍

（1.浙江海洋大学 海洋工程装备学院，浙江 舟山 316022；2.浙江海洋大学 船舶与海运学院，浙江 舟山 316022；3.浙江交投交通建设管理有限公司，浙江 宁波 310000；4.贵州民族大学 建筑工程学院，贵州 贵阳 550025；5.湖北工程学院 土木工程学院，湖北 孝感 432100）

0 引言

软基段路基不均匀沉降的核心问题就是软基与结构物之间受力变形状态整体协调的问题。工程技术人员通过采用粉喷桩、浆喷桩、真空联合堆载预压、塑料排水板超载预压、砂桩超载预压等对软土地基之间及不同结构物之间的差异沉降进行研究［1-3］。Nakanishi 等［4］计算地基沉降提出了一种确定桩长的优化设计方法；王祥［5］分析了超软土地基产生波浪状破坏的机理，常用处理措施对桩基的影响大等问题的处理方案也得到了深入研究［6-9］；徐林荣等［10］、李海滨等［11］、王灏等［12］对新老路堤结合部进行了为期9 个月的沉降动态监测，分析了过渡段长度和差异沉降的关系。公路工程差异沉降调查发现：软基段路基受力变形状态稳定性不足与软基段路基底部应力大于软土流变下限阈值是影响和解决公路软基段路基不均匀沉降的两个关键因素，也是多种工程措施治理不均匀沉降只有改善、少有根治效果的原因。该文基于人造超固结应力状态，从减小地基的固结沉降和压缩变形的角度，提出工程造价适宜的控制公路软基段路基工后差异沉降的轻质化换填技术。

1 软土初始流变应力值概念的提出

对差异沉降病害严重段的软土路段，通过钻孔对软土取样，取制样过程中尽量保证土体少受扰动，使室内土样力学性能与实际一致，如图1 所示。

对试验段软土芯样进行室内流变试验，每个试件最短加载时间144 h，最长加载时间172 h。根据土质情况，分别采用25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa，或50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa 两种加载方式。试验初期每1 h 记录一次数据，试验中后期每4 h 记录一次数据，试验结果如图2 所示。

图2 软土流变曲线图（取土深度：2.8 m）Figure 2 Rheological curve of soft soil (soil depth of 2.8 m)

由图2 可知：软土在沉降初期随着时间的增长沉降迅速增大，随后增大趋势逐步变小，并趋于稳定状态。对比观察应力水平25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa 时的流变数据可以发现，当应力水平为25 kPa或小于25 kPa时，流变对软土沉降的影响基本可以忽略。而当应力为50 kPa、100 kPa、200 kPa 时，流变对软土沉降的影响极大。由此，本文定义出“初始流变应力值”的概念，即为材料在载荷长期作用下发生明显流变的最小应力值。

在力学上，初始流变应力值与强度值是两个完全不同的概念。强度值是指材料在加载过程直至破坏所能够承受的最大应力值，而初始流变应力值是指材料在载荷长期作用下发生明显流变的最小应力值。图3 为软土的初始流变应力值与强度值的直观比较。从图3 可以看到：软土初始流变应力值大约为软土强度值的20%。

图3 淤泥质软土强度与初始流变应力值差别Figure 3 Difference between strength and initial flow stress of muddy soft soil

经过试验分析，可知本次试验样品所属的软土类型，其初始流变应力值约为25 kPa。即当应力水平低于25 kPa 时，流变的影响很小；当应力水平高于25 kPa 时，忽略流变对软土沉降的影响将对试验结果产生不可忽视的影响。

2 软土人造超固结比状态的理论基础

传统土力学荷载加载—卸载变形理论如图4 所示，可知：随着荷载的持续增大，加载—卸载循环作用下土体都产生了不可恢复的塑性变形积累，初始加载值的大小相当于土体曾经受过的应力历史。

图4 软土的加载—卸载—再加载应力-应变关系曲线Figure 4 Loading-unloading-reloading stress-strain curve of soft soil

从图4 可知：若保持初始加载荷载不变或通过碾压、堆载预压等措施使初始应力值比较大，后续通过轻质材料换填、铺设应力分散扩散下隔板、地基软土原位固化等措施提升整体性，让路面结构填料和车辆荷载组合产生的总荷载都小于这个初始加载荷载值，且附加应力小于软土初始流变应力值时，则软土地基土体就处于一种人造的弹性可恢复的超固结应力状态。

常规路面结构和轻质化换填路面结构的组成如图5 所示，若能够让轻质化换填路面结构承受加载—卸载产生的应力都小于初始加载产生的应力，且附加应力小于软土初始流变应力值时，则地基土就处于完全弹性范围（εe）内。

图5 人造超固结应力比路面结构示意图Figure 5 Pavement structure with artificial overconsolidation stress ratio

如表1 所示，即当轻质化换填路面结构承受加载—卸载产生的应变都小于初始加载产生的应变，且附加应力也小于软土初始流变应力值时，就能够保证轻质化换填路面结构和车辆荷载组合的总荷载产生的变形可以完全恢复，同时不会产生不可恢复的塑性变形积累，从而避免了不均匀差异沉降的产生。

表1 单位面积常规路面结构和轻质化换填路面结构的应力指标Table 1 Stress index of conventional pavement structure and pavement structure with lightweight replacement in unit area

3 基于荷载传递的轻质化换填密度上限值的确定步骤及方法

根据《公路工程技术标准》（JTG B01—2014），取典型汽车参数为车重550 kN（约55 t），中后轮各4 个着地宽度及长度0.6 m×0.2 m，前轮2 个着地宽度及长度0.3 m×0.2 m，车辆外形尺寸取15 m×2.5 m。《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）中将汽车载荷等效成约0.5 m 填土静载均布于软土地基之上，折算成土重度引起的附加应力为8.5 kPa，为安全计取大值。基于超固结应力比的沿海地区路基差异沉降优化方法，包括以下步骤：① 通过钻孔对软土路段的路基土层进行取样，获得试验土样；② 对试验土样进行室内流变试验，获得初始流变应力值σ1；③ 计算该取样深度处的材料自重应力值，将车辆荷载和该深度处的地基材料自重应力值取和，记为该深度自重引起的总附加应力值σ2；④ 比较总附加应力值与初始流变应力下限值，若总附加应力值σ2小于初始流变应力值σ1，表示该软土路段处于安全状态，若总附加应力值σ2大于初始流变应力值σ1，表示该软土路段处于隐患状态，则进入下一步；⑤ 计算，其中：σ1为某层位土样通过试验获得的初始流变下限值；H为该路基土层的拟进行换填的厚度（根据汽车荷载传递影响深度的计算分析可知，2 m ＞H＞1.5 m）；g为重力加速度；ρ为该路基土层拟将轻质化换填材料的密度值；⑥ 选用密度为ρ1的轻质块体换填，其中，ρ1小于ρ。

4 工程试验路轻质化换填方案研究

4.1 工程试验路段概况

试验路段位于浙江省舟山市金塘镇沥小线，标准路基宽24.5 m，路幅布置为：中间带3 m+行车道2×7.5 m+硬路肩2×2.5 m+土路肩2×0.75 m。试验路现状如图6 所示。路基沉降较为明显，纵断面线形呈现波浪趋势，根据建设资料及软基路段施工图设计资料，该路段原为软基段路基，建设期已采用预应力管桩进行处理，初期路面起伏情况良好，后又趋于波浪，路基沉降及路面翘曲现象仍较为明显，严重影响公路行驶质量、舒适度及安全性。分析其原因如下：① 该软基路段路基未进行预压，路基填筑后桩间自然沉降明显；② 二期路面未待路基沉降相对稳定后就实施建设，从而短时间又出现明显沉降；③ 路段内频繁的重型荷载车辆作用，导致沉降日益明显，加快波浪形路面的形成。

图6 原软基段路基沉降病害图Figure 6 Settlement of original soft subgrade

4.2 轻质化换填路面结构分析

设计方案首先采用分层总和法计算确定软土地基某点A处层位所受土体自重合外力G填（自重和车辆荷载之和），即A点层位将受到的附加荷载，计算公式如下：

式中：hci为设计勘察资料提供的A点填土层的厚度（m）；ρci为设计勘察资料提供的A点填土层的密度；GD为车辆动荷载。

由路面结构实测数据可知：软土地基上交通荷载一般应力水平较低，主要作用范围在路面以下2 m内，因而试验路换填深度为2 m。轻质化换填路面结构的设计方案如图7 所示。

图7 试验段轻质化换填路面结构纵剖面图（单位：cm）Figure 7 Longitudinal profile of pavement structure with lightweight replacement in test section（unit：cm）

常规路面结构和轻质化换填路面结构的参数对比分析计算结果如表2 所示。

表2 常规路面结构和轻质化换填路面结构的应力对比Table 2 Stress comparison between conventional pavement structure and pavement structure with lightweight replacement

4.3 路面结构轻质化换填材料的物理力学性能

本试验段实际采用的轻质换填材料密度为 45 kg/m3，其主要组成为水泥、加筋材料、高分子聚合物气泡群以及速凝剂，通过流塑成型工艺预制成轻质块体。轻质化换填的路面结构首先要满足路基长期使用性能所需要的物理力学性能，选取试件对轻质化换填的路基材料进行室内检测试验，试验结果如表3 所示。

表3 换填轻质化材料的实测力学参数Table 3 Measured mechanical parameters of materials for lightweight replacement

由表3 可知：换填的路基轻质化材料符合《公路路基施工技术规范》（JTG/T 3610—2019）和《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）中的参数要求。

4.4 轻质化换填路面结构的施工流程

轻质化换填路面结构由于使用了轻质化的路基填料，在很大程度上减小了地基的附加应力，提高了路堤的变形稳定性。对于行车道，其施工流程为：①挖除现状行车道下路面结构层；② 根据交通荷载主要作用范围在路面以下2 m 内，确定需要下挖的路基深度为2 m；③ 基底压实并找平；④ 铺设荷载分散扩散作用的下承载板；⑤ 安装预制装配式轻质块体；⑥铺设荷载分散扩散作用的上承载板；⑦ 在上承载板浇筑连续配筋水泥混凝土承重板；⑧ 连续配筋水泥混凝土承重板养护到规定龄期；⑨ 连续配筋水泥混凝土承重板上摊铺水泥稳定碎石调平层；⑩ 碾压水泥稳定碎石调平层至规定的压实度；○1 摊铺沥青面层、碾压、开放交通。

4.5 路面结构轻质化换填方案的沉降观测分析

为掌握轻质化换填路面结构的工后沉降程度，也为后续改善沿海地区公路软基段路基差异沉降病害处置方案提供可靠的设计依据，首先对试验现场进行布点测量。共设置40 个观测点，其中轻质化换填路面结构试验段与常规路面结构路段各设置20 个观测点。经过为期1 年的沉降数据采集，轻质化换填路面与常规路面沉降对比如图8 所示。

图8 轻质化换填路面结构与常规路面结构沉降Figure 8 Settlement of pavement structure with lightweight replacement and conventional pavement structure

从图8 可知：工后1 年使用情况下，常规路面结构的沉降量已经发展到15 mm 左右，而轻质化换填路面结构沉降值始终保持在1 mm 左右，虽然换填轻质材料只能减少沉降并不能完全解决沉降变形，但也基本不会对车辆行驶舒适性造成影响。研究结果［11］显示：当不均匀沉降差在 15 mm 以内时，对车辆的行驶几乎无影响，而当不均匀沉降差达 15～35 mm 时，车辆行驶就会有非常不舒适的颠簸感。从纵断面沉降图的数据对比分析可知，在同一纵向线形上，轻质化换填路面结构差异沉降同常规路面相比已明显减小，沉降曲线平缓且已趋于稳定，无突变，纵坡极小，可很好地保证行车的安全性和舒适性，而常规路面结构的差异沉降无法达到稳定。

5 结论

本文基于超固结应力比的弹性变形理论，从减轻车辆荷载和结构自重附加应力的角度，开展了人造超固结应力比的计算分析及轻质化换填新技术的研究，得出以下结论：

（1） 采取合适的工程技术措施可使车辆荷载和路基自重产生的附加应力小于天然软土初始流变应力值，经过试验分析，可知本研究试验段软土样品的初始流变应力值为软土无侧限抗压强度的20%。

（2） 适宜密度轻质材料的换填厚度可使路基底部形成人造超固结应力状态，可让车辆荷载作用下的软土地基处于弹性变形状态，可解决软基段路基的差异沉降。

（3） 试验路工后1 年，轻质化换填路面结构沉降保持在1 mm 左右，差异沉降已趋于稳定，而常规路基填料的路面结构沉降达到17 mm，大于行车舒适的沉降上限值15 mm，且沉降数值还在持续增加中。试验路的差异沉降观测数据表明：基于人造超固结应力比理论的轻质化换填技术可有效解决软基段路基差异沉降，具有显著的理论价值和工程实践推广前景。