摘 要：水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)對軟土地基的不均勻沉降非常敏感，選用那種路面結(jié)構(gòu)形式來改善路面板的工作狀態(tài)、延長其使用壽命，是必須認(rèn)真研究的一個重要問題。本文在對連云港新墟一級公路上路面足尺板進(jìn)行靜載試驗研究的基礎(chǔ)上，得到了有益的數(shù)據(jù)和結(jié)論。
關(guān)鍵詞：軟土 地基 水泥 混凝土 路面 靜載試驗

　　公路通過軟土地區(qū)如何選擇合理的路面結(jié)構(gòu)?應(yīng)當(dāng)采取何種技術(shù)措施隨著我國交通運輸事業(yè)的發(fā)展，這一問題近年來已得到較為廣泛的研究，并取得了一些成果。軟土地區(qū)路面結(jié)構(gòu)的主要病害是由于軟基的沉降所引起的，目前對軟土地基進(jìn)行處理以減少其工后沉降的工程措施已有不少，但不論采用何種措施進(jìn)行處理，軟土地基的工后沉降仍然是客觀存在的。因此，選擇軟土地基上路面結(jié)構(gòu)形式的原則，應(yīng)是在經(jīng)濟合理的前提下選擇能降低沉降敏感性的結(jié)構(gòu)。由于水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)對路基的不均勻沉降尤為敏感，因此目前在軟土地區(qū)高等級公路上多不采用。本文嘗試結(jié)合連云港新墟一級公路上路面足尺板靜載試驗的研究，對軟土地區(qū)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些探討。

1　試驗路基本情況
1.1　路基概況
　　連云港新墟一級公路大部分處于軟土地區(qū)，根據(jù)路線設(shè)計，均為填方路基。試驗路選擇在K0+500附近，是考慮其填筑高度、估算沉降量均適中，對軟土地基不進(jìn)行特殊處理，有一定代表性。?
　　根據(jù)地質(zhì)資料，該地區(qū)硬殼層厚度為2m，軟土層厚度為10m，估算總沉降量約為50cm。通過對埋設(shè)的沉降標(biāo)觀測，從路基施工開始至路面施工，間隔4個月，地面沉降平均為5cm，為總量的10%。

1.2　路面結(jié)構(gòu)型式
　　為了進(jìn)行對比研究，根據(jù)國內(nèi)外工程實踐經(jīng)驗，試驗路選擇了兩種結(jié)構(gòu)型式，見圖1所示。

圖1試驗路路面結(jié)構(gòu)型式

　　(1)多層地基結(jié)構(gòu)(即普通結(jié)構(gòu))。選擇若干層次，其彈性模量自下而上逐層提高，以達(dá)到分層吸收不均勻沉降的目的。?
　　(2)夾層板結(jié)構(gòu)，在路基之上鋪筑貧混凝土板，板上加鋪基層材料，頂層鋪筑混凝土面板，這種路面結(jié)構(gòu)下的地基不均勻沉降，首先由下層板體吸收，再傳至上層面板，其影響程度可大為削弱。
　　試驗路選擇兩種結(jié)構(gòu)同時試驗，將夾層結(jié)構(gòu)稱為Ⅰ型，多層結(jié)構(gòu)稱為Ⅱ型。?
　　路面結(jié)構(gòu)的材料，根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件進(jìn)行選擇。Ⅱ型結(jié)構(gòu)厚度依據(jù)部頒規(guī)范進(jìn)行計算，總厚度為65cm(25cm水泥混凝土板+25cm碎石二灰土+15cm泥灰結(jié)碎石)。Ⅰ型結(jié)構(gòu)厚度無標(biāo)準(zhǔn)方法計算，仍按總厚65cm采用(25cm水泥混凝土板+20cm碎石二灰土+20cm貧混凝土底板)。

1.3　試驗路的平面布置
　　試驗路段全長40m，路面寬8m，按5×4m板塊劃分成二排共計16個板塊。為測試方便，分為A和B二區(qū)，分別采用Ⅰ型和Ⅱ型路面結(jié)構(gòu)。試驗路平面布置見圖2。

圖2 試驗路平面布置、剖面圖

1.4　路面各結(jié)構(gòu)層的實測數(shù)據(jù)
1.4.1　泥灰結(jié)碎石結(jié)構(gòu)
　　實測泥灰結(jié)碎石墊層濕容重2.374t/m3，干容重2.230t/m3，含水量6.46%，壓實度符合有關(guān)規(guī)范要求。施工完成一個半月內(nèi)，多次進(jìn)行彎沉和承載板試驗，并推算墊層頂面當(dāng)量回彈模量Et和墊層回彈模量E，Et為73.80～98.57MPa，E為252.15～349.94MPa。數(shù)據(jù)表明，墊層的強度有一個隨時間遞增的過程。

1.4.2　貧混凝土底板
　　貧混凝土底板采用一次性整塊澆筑，平面尺寸為850×2050cm，終凝后切割分為8塊，每塊平面尺寸為425×512.5cm。施工時同步制作標(biāo)準(zhǔn)試件，7d和28d抗壓強度分別為8.1MPa和11.9MPa，彎拉強度分別為?1.24MPa，?和1.6MPa。由經(jīng)驗公式推算彎拉彈性模量E?W=1.8×10?4MPa。

1.4.3　碎石二灰土基層
　　碎石二灰土基層經(jīng)取樣實測，壓實度均滿足規(guī)范要求。經(jīng)彎沉和承載板試驗，推算基層回彈模量E，E值隨齡期增長明顯，7d齡期為174.1MPa，35d齡期為277.25MPa，96d齡期為397.2MPa。表明設(shè)計提出的350MPa約需3個月的齡期。

1.4.4水泥混凝土面板
　　由于靜載試驗需要板塊獨立，所以全部接縫均采用1.0cm的薄木板。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試件測試，獲得28d平均抗壓強度32.6MPa，平均彎拉強度5.14MPa，根據(jù)經(jīng)驗公式推算彎拉彈性模量EW=3.05×104MPa。

2　路面結(jié)構(gòu)靜載試驗
2.1　試驗板的選擇
　　為了比較Ⅰ、Ⅱ型兩種路面結(jié)構(gòu)的受力特性，在試驗路段進(jìn)行足尺板靜載試驗。在已經(jīng)施工完成的16塊試驗路面板中挑選Ⅰ型、Ⅱ型各兩塊試驗路面板進(jìn)行測試，選擇的主要依據(jù)是施工質(zhì)量良好，無損壞跡象等。選定的路面板如圖3所示。

圖3靜載試驗板塊編號

2.2　撓度測點及應(yīng)變片布置
　　試驗板頂面布置撓度測點及應(yīng)變片如圖4所示，Ⅰ型結(jié)構(gòu)(夾層結(jié)構(gòu))的下臥混凝土底板在板中亦布置撓度測點及應(yīng)變片。

圖4試驗板塊撓度測點及應(yīng)變片布置圖
注：┻23為應(yīng)變測點，。為撓度測點

2.3　加荷設(shè)備、荷載位置與級位
　　試驗路加載設(shè)備采用“解放”平板半掛車作為反力架，通過油壓千斤頂施加荷載。平板半掛車軸距6.5m，滿載總重為200kN，加載裝置如圖5所示。

圖5靜載加荷裝置示意圖

　　加荷位置一律取板中加荷，通常板中加荷時撓度、應(yīng)變都比較穩(wěn)定，不同結(jié)構(gòu)之間的比較可以突出其差別。
加荷級位及順序：
　　0-10kN預(yù)
　　0-10-0-25-0-40-0-55-0kN?
　　0-70-0-85-0-100-0-115-0kN?
　　路面足尺板靜載試驗分4d完成(每日一塊板)，均在后半夜進(jìn)行，以避免另半幅路面白天車輛通過時產(chǎn)生干擾。測定時，每一級荷載均記錄撓度及應(yīng)變值。

3　試驗結(jié)果的分析與討論
3.1　兩種結(jié)構(gòu)的比較
　　為了比較多層地基板與夾層板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變與撓度，取其中部分?jǐn)?shù)據(jù)作分析，圖6所示為Ⅰ號板(Ⅱ型)與Ⅳ號板(Ⅰ型)在中心荷載為100kN時，對角線方向撓度分布曲線的比較。圖7為Ⅰ號板(Ⅱ型)、Ⅲ號板(Ⅰ型)、Ⅳ號板(Ⅰ型)在中心荷載為100kN時，短軸方向最大應(yīng)變ε沿中心線的分布曲線。圖8為Ⅰ號板(Ⅱ型)與Ⅲ號板(Ⅰ型)最大X方向應(yīng)變εX與最大Y方向應(yīng)變εY隨板中心荷載值而變化的分布曲線。

圖6

圖7

　　由圖6所示撓度曲線的比較可以看出，對于中心撓度兩者比較接近，而角隅撓度Ⅰ號板上翹的量大于Ⅳ號板，而沿對角線方向二者的曲率相差較多，若以坡度表示，則Ⅰ號板較Ⅳ號板大30%。這充分表明，夾層結(jié)構(gòu)下臥底板擴大了地基壓力的分布范圍，使上層面板的反力分布適當(dāng)分散，減少了坡度差，明顯改善其應(yīng)力狀態(tài)與撓度坡差。?
　　由圖7可以明顯地看出，在相同荷載作用之下，在中心撓度很接近的情況下(見圖6)，多層地基的面層應(yīng)變值明顯大于夾層結(jié)構(gòu)的對應(yīng)點應(yīng)變值，將Ⅰ號、Ⅲ號板的應(yīng)變值列表比較如表1所示。

圖8

兩種結(jié)構(gòu)在100KN作用下應(yīng)變的比較(με)　　表1

　　由表1所列結(jié)果可見，Ⅰ型結(jié)構(gòu)(夾層結(jié)構(gòu))與Ⅱ型結(jié)構(gòu)(多層結(jié)構(gòu))相比，后者的應(yīng)變值較前者增大38%～60%，明顯地表示出下臥層底板對降低面板混凝土對抗彎曲變形的敏感性。圖8所示為兩種結(jié)構(gòu)在不等量的中心荷載作用下，同一測點位置處最大應(yīng)變值的變化。曲線表明，不論荷載等級增大或減小，不論X方向應(yīng)變或Y方向應(yīng)變，Ⅰ型結(jié)構(gòu)總是明顯地小于Ⅱ型結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下最大應(yīng)變比較見表2。?
　　由表2可以看出，不論荷載增大或減小，Ⅱ型結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變與Ⅰ型結(jié)構(gòu)的對應(yīng)測點相比，全部增大40%～60%。

兩種結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下最大應(yīng)變比較(με)　　表2

3.2　夾層結(jié)構(gòu)底層板與上層面板的比較
　　在同一荷載作用之下，量測下臥底層板與上層面板的應(yīng)力、應(yīng)變、撓度，分析其受力狀態(tài)與工作狀態(tài)。圖9為Ⅳ號板上層與下層板撓度的比較。圖10為Ⅳ號板上層與下層板在不同荷載作用之下X方向與Y方向最大應(yīng)變的分布曲線。

圖9圖10

　　由圖9可見，在各級荷載作用下，下層板的中心撓度約為面板中心撓度的40%左右，表明二層板之間的夾層材料有一種緩沖作用，車輪荷載自上而下傳遞，緩沖層可以減少底層板的撓度，而地基不均勻沉降差自下而上傳遞也必然會減小對面板的影響，且這種緩沖作用在一定的荷載級位范圍內(nèi)或沉降差范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定的關(guān)系。此外，由圖10可以看出，在一定的荷載級位范圍內(nèi)，底層板的應(yīng)變量極其微小，幾乎為零，主要由面層板承擔(dān)，因此底層對面層板只起著擴大分布面達(dá)到均勻支承的作用，很少分擔(dān)車載應(yīng)力。由此推理，夾層結(jié)構(gòu)由于有中間層的緩沖作用，當(dāng)?shù)鼗a(chǎn)生不均勻沉降時，底層板將承擔(dān)相當(dāng)部分沉降差值影響，而通過中間夾層再傳導(dǎo)給面層板的影響將有所減弱。?
　　通過以上對實測數(shù)據(jù)的分析表明，夾層板結(jié)構(gòu)比多層地基結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)點，它可以改善路面板的工作狀態(tài)，延長其使用壽命。特別對于軟土地基，夾層板結(jié)構(gòu)可以降低面板對沉降的敏感性，從而提高整個路面結(jié)構(gòu)抵抗不均勻沉降的能力。