阮艷彬， 何斌， 吳萬平

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前許多工程師、學(xué)者結(jié)合公路工程的交通荷載條件、地質(zhì)水文特征、長期性能保障措施等開展了路基結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)研究，分別針對(duì)路基宏觀結(jié)構(gòu)、中觀材料參數(shù)、微觀土水動(dòng)力學(xué)特性等方面做了大量的模擬分析與試驗(yàn)研究，并在現(xiàn)行規(guī)范中給出了適應(yīng)中國公路建設(shè)條件的土基回彈模量建議值范圍。關(guān)于環(huán)境作用下公路路基在施工階段及在役運(yùn)營階段的路基回彈模量變化情況研究大多在室內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，室內(nèi)外試驗(yàn)對(duì)比研究尚不多見。該文結(jié)合中國典型路基土的結(jié)構(gòu)與環(huán)境特性以及改擴(kuò)建工程檢測調(diào)研機(jī)遇，開展室內(nèi)外環(huán)境濕度與溫度作用下的路基濕度狀態(tài)及回彈模量影響對(duì)比分析，以期探尋從路基施工階段到在役運(yùn)營階段回彈模量變化成因，為高質(zhì)量路基工程建設(shè)提出相應(yīng)防控技術(shù)建議。

2 路基土回彈模量影響因素分析

2.1 路基土結(jié)構(gòu)特性影響

路基土的結(jié)構(gòu)特性受路線位置、地形地質(zhì)特征、路基斷面形式、路基土類型、顆粒級(jí)配、含水率、施工壓實(shí)度、公路排水設(shè)計(jì)等因素的影響。其中路線位置、地形地質(zhì)、路基斷面形式、排水設(shè)計(jì)等在工程設(shè)計(jì)施工中已被充分考慮，該文不做分析。下面進(jìn)行路基土質(zhì)類型、含水率與壓實(shí)度等影響因素的試驗(yàn)分析。

2.1.1 土質(zhì)類型

公路路基強(qiáng)度和長期性能直接與填料的物理力學(xué)性質(zhì)、水穩(wěn)定特性密切相關(guān)。礫石土和砂土等屬于良好的路基填料。其原因?yàn)榈[石土填料中集料和礫石具有較好的嵌鎖作用和較高的抗剪摩阻角，其永久變形能力好；砂土顆粒間具有足夠的內(nèi)摩擦力和黏聚力，易壓實(shí)成平整堅(jiān)實(shí)的路基。而粉質(zhì)土因黏聚力低、水穩(wěn)定性差、路基強(qiáng)度較低；黏質(zhì)土因天然含水率高、固結(jié)滲透性差、難以達(dá)到施工最佳含水率，需反復(fù)晾曬才能達(dá)到較理想的施工密實(shí)度。因此，粉質(zhì)土、黏質(zhì)土等細(xì)粒料含量高，水穩(wěn)定性差的土類屬于較差的路基填料，只有在適當(dāng)?shù)暮?、充分壓?shí)并采取良好的隔排水措施下，才可保持路基穩(wěn)定；否則，在不良水溫狀態(tài)下，易產(chǎn)生凍脹和翻漿。

2.1.2 含水率與壓實(shí)度

土樣的飽和度和密實(shí)度的變化會(huì)引起路基土物理力學(xué)參數(shù)的改變，對(duì)路基強(qiáng)度影響十分明顯，是影響路基回彈模量的關(guān)鍵因素之一。文中選取黏性砂土、黏質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土3種不同土質(zhì)試樣進(jìn)行室內(nèi)回彈模量測試。分別以最佳含水率范圍附近5個(gè)點(diǎn)及90%、93%和96%3個(gè)壓實(shí)度組合配制試件，土質(zhì)參數(shù)見表1。測試結(jié)果如圖1所示。

表1 不同土樣的土質(zhì)類型與物性參數(shù)

圖1 不同壓實(shí)度與含水率條件下土樣回彈模量測試結(jié)果

圖1表明：土質(zhì)類型對(duì)回彈模量有決定性影響，所選黏質(zhì)砂土干燥壓實(shí)狀態(tài)下回彈模量為114～135 MPa，遠(yuǎn)大于黏質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土。另外，3種土樣回彈模量值受含水率變化影響顯著，且含水率超過最佳含水率后，壓實(shí)度影響下降，回彈模量只與含水率大小有關(guān)。因此，路基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選取良好級(jí)配的礫石土、砂類土，需要選用粉質(zhì)土、黏質(zhì)土?xí)r，填料要在最佳含水率附近做好施工壓實(shí)，并做好路基防排水技術(shù)措施。

2.2 環(huán)境因素影響

環(huán)境影響因素主要為溫度和濕度。環(huán)境溫濕度對(duì)路基結(jié)構(gòu)性能的影響主要表現(xiàn)為路表水下滲、地下水位變化及季節(jié)性凍融引起路基填料強(qiáng)度與含水率的變化。為進(jìn)一步探究環(huán)境作用下路基土強(qiáng)度衰變?cè)蚺c特征，選擇黏質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土，模擬環(huán)境條件，進(jìn)行干濕/凍融循環(huán)作用下路基土回彈模量變化測試。

2.2.1 干濕循環(huán)影響

選用黏質(zhì)粉土，模擬南方非冰凍區(qū)環(huán)境下降雨入滲及地下水位變化引起的路基土干濕循環(huán)試驗(yàn)，測試不同循環(huán)次數(shù)的回彈模量值。試件條件為：① 壓實(shí)度的96%，最佳含水率OMC為13.2%，平衡含水率EMC為18%～22%，干濕循環(huán)幅度DMC=±2%；②壓實(shí)度的93%，OMC=13.2%，EMC=18%，DMC=±4%；干濕循環(huán)方案為：上下兩塊透水石透水吸濕和烘箱低溫烘干脫濕模擬干濕循環(huán)濕度狀態(tài)，土樣靜置吸濕與烘干脫濕時(shí)間均控制在7 d，偏應(yīng)力75 kPa，圍壓30 kPa，加載頻率1 Hz。測試結(jié)果如圖2所示。

注：N=-1次代表試件在施工壓實(shí)含水率狀態(tài)，N=0代表路基平衡含水率狀態(tài)；N=1、2、3、4次分別代表在經(jīng)歷N次干濕循環(huán)的含水率狀態(tài)。下同。

圖2 干濕循環(huán)條件下黏質(zhì)粉土路基模量的變化

圖2表明：土樣從施工含水率至平衡含水率變化期間，回彈模量明顯衰減，降低約50%；進(jìn)入平衡含水率與干濕循環(huán)濕度疊加段后，循環(huán)次數(shù)N=4與N=1次的模量比較降低約15%，回彈模量衰減幅度降低。說明在潮濕多雨、地下水源補(bǔ)給充沛的南方地區(qū)路基土回彈模量大幅衰減主要發(fā)生在施工后路基土達(dá)到平衡含水率的過程，路基土濕度狀態(tài)基本穩(wěn)定后，干濕循環(huán)作用對(duì)路基土模量影響趨于平緩。因此，加強(qiáng)南方地區(qū)公路地下水、路表及坡面水防控技術(shù)措施，保障路基土濕度狀態(tài)可控，有利于減緩路基填料含水率變化引起的路基強(qiáng)度衰減。

2.2.2 凍融循環(huán)影響

選用粉質(zhì)黏土，模擬北方季凍區(qū)冬凍春融環(huán)境溫度、濕度變化引起的路基凍融循環(huán)試驗(yàn)，測試不同凍融循環(huán)次數(shù)下的回彈模量值。試驗(yàn)條件為：路基土樣分別在最佳含水率OMC為15.7%、壓實(shí)度96%和平衡含水率EMC為18%、壓實(shí)度93%下成型，凍融循環(huán)過程采用凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置控制，設(shè)補(bǔ)水閥門模擬土樣凍結(jié)過程水分補(bǔ)給，土樣凍融正溫為15 ℃，負(fù)溫為-15 ℃，土樣凍結(jié)與融化時(shí)間均控制在2 d，測試分析路基土經(jīng)歷凍融循環(huán)次數(shù)N=-1、0、1、2、3、4次的回彈模量衰變情況。試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 凍融循環(huán)條件下粉質(zhì)黏土路基模量的變化

圖3表明：① 路基土在環(huán)境凍融條件下回彈模量急劇衰減。分析認(rèn)為隨著環(huán)境溫度變化，路基土凍脹過程，水分向上遷移的速率及遷移量增大，在路基土上層內(nèi)凍結(jié)形成聚冰帶，溫度回暖上層聚冰帶融化，水分無法排除，引起路基土樣上部濕度急劇增加，路基回彈模量急劇衰減；② 在凍融條件下路基土達(dá)到平衡含水率狀態(tài)，路基模量大幅衰減，降低50%～60%，在經(jīng)歷4次凍融循環(huán)后，路基土回彈模量為10～15MPa，較初始值衰減了80%，路基土回彈模量衰減達(dá)到最大，性能基本趨于穩(wěn)定；③ 含水率為18%、壓實(shí)度為90%的土樣凍融循環(huán)后的路基模量明顯低于最佳含水率為15.7%和96%壓實(shí)度下成型的土樣，說明路基土樣成型含水率越大、密實(shí)度越低，凍結(jié)時(shí)水分遷移速率和補(bǔ)給量就越大，融化后測試的路基模量越小。因此，在季凍區(qū)路基土盡量在最佳含水率附近做好施工壓實(shí)，并注意做好防排水技術(shù)措施，以助于減緩路基填料含水率變化引起的路基強(qiáng)度衰減。

3 運(yùn)營公路路基濕度狀態(tài)與強(qiáng)度衰變調(diào)研測試

在實(shí)際工程中，公路路基土在最佳含水率附近施工碾壓成型，路基濕度小于環(huán)境濕度處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在運(yùn)營期路基土體與外界環(huán)境相互影響，路基含水率不斷波動(dòng)，水分發(fā)生遷移與重分布，路基強(qiáng)度逐漸降低。為進(jìn)一步對(duì)比驗(yàn)證室內(nèi)模擬環(huán)境路基強(qiáng)度衰變規(guī)律與運(yùn)營期路基土濕度與強(qiáng)度的差異，下面在非冰凍區(qū)與季凍區(qū)各調(diào)研了一處改擴(kuò)建公路路基性狀。

3.1 非冰凍區(qū)公路路基性狀調(diào)查

對(duì)安徽界阜蚌高速公路黏質(zhì)粉土路基土進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)運(yùn)營8年后路面以下1～3 m路基含水率較施工含水率增大了11%，最大含水率高達(dá)27.04%?，F(xiàn)場采用落錘式彎沉儀FWD檢測路基頂面模量為72.6～95.5 MPa，但路堤部位模量衰減嚴(yán)重，有的已不足20 MPa。檢測結(jié)果見圖4～6。

圖4 阜蚌高速公路路基濕度狀態(tài)變化

圖5 阜蚌高速公路路基密實(shí)度狀態(tài)變化

圖6 阜蚌高速公路路基回彈模量隨深度變化

從圖4～6可以看出：① 同一深度處運(yùn)營后的路堤含水率普遍高于路基施工含水率，含水率隨著路基深度加深而增大，與地下水毛細(xì)現(xiàn)象影響特征相符；② 運(yùn)營期隨著路基含水率的增大，路基密實(shí)度降低1%～10%，說明粉土在吸水時(shí)除含水率增加外，其土體的體積也會(huì)發(fā)生膨脹；③ 受地下水影響路基潮濕，回彈模量在深度方向衰減嚴(yán)重，衰減情況與室內(nèi)干濕循環(huán)模擬結(jié)果吻合。

3.2 季凍區(qū)公路路基性狀調(diào)查

吉林G302國道白城線公路改建工程，路基填土為粉質(zhì)黏土，鉆孔凍深為地下1.5 m左右，工程現(xiàn)場開挖測得路面以下1～3 m含水率增加均超過15%，最大含水率高達(dá)30%左右，路基處于中濕和過濕狀態(tài)，路基土回彈模量多低于15 MPa，模量值衰減至施工期模量的60%～40%，衰減幅度大，與室內(nèi)土樣凍融循環(huán)模擬結(jié)果基本吻合。

通過現(xiàn)場開挖與鉆探發(fā)現(xiàn)，兩處路基工作區(qū)范圍含水率變化總趨勢相似。在道路凍深線1.5 m附近出現(xiàn)水分積聚現(xiàn)象，含水率急劇攀升；凍深線上下土層含水率受凍結(jié)溫度梯度影響，水分向凍層位置遷移，含水率較凍深線處低。

另外，調(diào)查發(fā)現(xiàn)路基2 m以下深處含水率變化情況與是否有外來水源補(bǔ)給有關(guān)(圖7)。兩處鉆孔位置地下水位均在路面以下4 m附近，圖7(a)路基2 m以下土層含水率主要受地下毛細(xì)水補(bǔ)給影響，路基濕度持續(xù)增大；圖7(b)因在地下2.7 m附近存在一層約10 cm厚的砂礫層，有效阻斷地下毛細(xì)水上升的影響，故在砂礫層之上的路基無外來水源補(bǔ)給，路基含水率僅受凍結(jié)溫度梯度影響隨深度增加持續(xù)減小，最小含水率為15%，相比圖7(a)有地下水源補(bǔ)給時(shí)降低約10%。

圖7 季凍區(qū)粉質(zhì)黏土路基2處鉆孔含水率情況

因此，建議細(xì)粒土路基設(shè)計(jì)施工應(yīng)結(jié)合環(huán)境溫濕度條件加強(qiáng)公路地下水、路表、中央分隔帶及坡面滲水防控技術(shù)措施，特別是受地下水位影響較大的粉質(zhì)土、黏質(zhì)土，應(yīng)做好地下水的防滲隔離措施，保障路基濕度處于干燥或中濕狀態(tài)，以減緩環(huán)境溫濕度作用對(duì)路基回彈模量的影響。

4 結(jié)論

(1) 路基土回彈模量與土質(zhì)類型、路基含水率狀態(tài)密切相關(guān)，回彈模量隨路基濕度增加而降低。

(2) 非冰凍區(qū)公路受環(huán)境濕度影響，路基在干濕循環(huán)作用下模量急劇衰減。含水率從施工最佳含水率到運(yùn)營初期平衡含水率，土樣回彈模量降幅最大，約為50%；隨后衰減幅度趨于平緩。

(3) 季凍區(qū)公路受環(huán)境凍融與濕度影響，路基在凍融作用下模量急劇衰減。在有水分補(bǔ)給條件下，經(jīng)歷一次凍融循環(huán)，路基模量衰減50%～60%，經(jīng)歷4次凍融循環(huán)，路基回彈模量降至10～15 MPa。

(4) 結(jié)合改擴(kuò)建工程對(duì)運(yùn)營公路路基濕度狀態(tài)與模量調(diào)研，發(fā)現(xiàn)受環(huán)境影響路基濕度增大10%～15%，達(dá)到平衡含水率，密實(shí)度降低10%，模量衰減幅度達(dá)到50%以上?；貜椖Ａ康乃p幅度與路基土質(zhì)類型及濕度狀態(tài)關(guān)系密切，與室內(nèi)測試結(jié)果基本吻合。

(5) 公路路基設(shè)計(jì)時(shí)盡量選取良好級(jí)配的礫石土、砂類土。當(dāng)采用細(xì)粒土路基填料設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮填料含水率變化影響，做好填料濕度控制，在最佳含水率附近施工壓實(shí)，并結(jié)合環(huán)境溫濕度條件加強(qiáng)路基地下水及地表水的排放、防滲、隔離等，保障路基濕度處于干燥或中濕狀態(tài)，減緩環(huán)境溫濕度對(duì)回彈模量的不利影響。