摘 要：水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)對(duì)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(lái)改善路面板的工作狀態(tài)、延長(zhǎng)其使用壽命，是必須認(rèn)真研究的一個(gè)重要問(wèn)題。本文在對(duì)連云港新墟一級(jí)公路上路面足尺板進(jìn)行靜載試驗(yàn)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(yàn)

　　公路通過(guò)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(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，這一問(wèn)題近年來(lái)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(duì)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(jì)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(duì)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(jí)公路上多不采用。本文嘗試結(jié)合連云港新墟一級(jí)公路上路面足尺板靜載試驗(yàn)的研究，對(duì)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(yàn)路基本情況
1.1　路基概況
　　連云港新墟一級(jí)公路大部分處于軟土地區(qū)，根據(jù)路線設(shè)計(jì)，均為填方路基。試驗(yàn)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(duì)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(guò)對(duì)埋設(shè)的沉降標(biāo)觀測(cè)，從路基施工開(kāi)始至路面施工，間隔4個(gè)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(duì)比研究，根據(jù)國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)路選擇了兩種結(jié)構(gòu)型式，見(jiàn)圖1所示。

圖1試驗(yàn)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(yàn)路選擇兩種結(jié)構(gòu)同時(shí)試驗(yàn)，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(jì)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(wú)標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)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(yàn)路的平面布置
　　試驗(yàn)路段全長(zhǎng)40m，路面寬8m，按5×4m板塊劃分成二排共計(jì)16個(gè)板塊。為測(cè)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(yàn)路平面布置見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)路平面布置、剖面圖

1.4　路面各結(jié)構(gòu)層的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
1.4.1　泥灰結(jié)碎石結(jié)構(gòu)
　　實(shí)測(cè)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(shí)度符合有關(guān)規(guī)范要求。施工完成一個(gè)半月內(nèi)，多次進(jìn)行彎沉和承載板試驗(yàn)，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(qiáng)度有一個(gè)隨時(shí)間遞增的過(guò)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(shí)同步制作標(biāo)準(zhǔn)試件，7d和28d抗壓強(qiáng)度分別為8.1MPa和11.9MPa，彎拉強(qiáng)度分別為?1.24MPa，?和1.6MPa。由經(jīng)驗(yàn)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(shí)測(cè)，壓實(shí)度均滿足規(guī)范要求。經(jīng)彎沉和承載板試驗(yàn)，推算基層回彈模量E，E值隨齡期增長(zhǎng)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(jì)提出的350MPa約需3個(gè)月的齡期。

1.4.4水泥混凝土面板
　　由于靜載試驗(yàn)需要板塊獨(dú)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(cè)試，獲得28d平均抗壓強(qiáng)度32.6MPa，平均彎拉強(qiáng)度5.14MPa，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(yàn)
2.1　試驗(yàn)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(yàn)路段進(jìn)行足尺板靜載試驗(yàn)。在已經(jīng)施工完成的16塊試驗(yàn)路面板中挑選Ⅰ型、Ⅱ型各兩塊試驗(yàn)路面板進(jìn)行測(cè)試，選擇的主要依據(jù)是施工質(zhì)量良好，無(wú)損壞跡象等。選定的路面板如圖3所示。

圖3靜載試驗(yàn)板塊編號(hào)

2.2　撓度測(cè)點(diǎn)及應(yīng)變片布置
　　試驗(yàn)板頂面布置撓度測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)及應(yīng)變片。

圖4試驗(yàn)板塊撓度測(cè)點(diǎn)及應(yīng)變片布置圖
注：┻23為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，。為撓度測(cè)點(diǎn)

2.3　加荷設(shè)備、荷載位置與級(jí)位
　　試驗(yàn)路加載設(shè)備采用“解放”平板半掛車作為反力架，通過(guò)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(shí)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(jí)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(yàn)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(guò)時(shí)產(chǎn)生干擾。測(cè)定時(shí)，每一級(jí)荷載均記錄撓度及應(yīng)變值。

3　試驗(yàn)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(hào)板(Ⅱ型)與Ⅳ號(hào)板(Ⅰ型)在中心荷載為100kN時(shí)，對(duì)角線方向撓度分布曲線的比較。圖7為Ⅰ號(hào)板(Ⅱ型)、Ⅲ號(hào)板(Ⅰ型)、Ⅳ號(hào)板(Ⅰ型)在中心荷載為100kN時(shí)，短軸方向最大應(yīng)變?chǔ)叛刂行木€的分布曲線。圖8為Ⅰ號(hào)板(Ⅱ型)與Ⅲ號(hào)板(Ⅰ型)最大X方向應(yīng)變?chǔ)臱與最大Y方向應(yīng)變?chǔ)臲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(duì)于中心撓度兩者比較接近，而角隅撓度Ⅰ號(hào)板上翹的量大于Ⅳ號(hào)板，而沿對(duì)角線方向二者的曲率相差較多，若以坡度表示，則Ⅰ號(hào)板較Ⅳ號(hào)板大30%。這充分表明，夾層結(jié)構(gòu)下臥底板擴(kuò)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(jiàn)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(duì)應(yīng)點(diǎn)應(yīng)變值，將Ⅰ號(hào)、Ⅲ號(hào)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(jiàn)，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(duì)降低面板混凝土對(duì)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(cè)點(diǎn)位置處最大應(yīng)變值的變化。曲線表明，不論荷載等級(jí)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(jiàn)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(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)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(cè)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(hào)板上層與下層板撓度的比較。圖10為Ⅳ號(hào)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(jiàn)，在各級(jí)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(huì)減小對(duì)面板的影響，且這種緩沖作用在一定的荷載級(jí)位范圍內(nèi)或沉降差范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定的關(guān)系。此外，由圖10可以看出，在一定的荷載級(jí)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(duì)面層板只起著擴(kuò)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(shí)，底層板將承擔(dān)相當(dāng)部分沉降差值影響，而通過(guò)中間夾層再傳導(dǎo)給面層板的影響將有所減弱。?
　　通過(guò)以上對(duì)實(shí)測(cè)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(diǎn)，它可以改善路面板的工作狀態(tài)，延長(zhǎng)其使用壽命。特別對(duì)于軟土地基，夾層板結(jié)構(gòu)可以降低面板對(duì)沉降的敏感性，從而提高整個(gè)路面結(jié)構(gòu)抵抗不均勻沉降的能力。