軟土地基水泥混凝土路面足尺板的靜載試驗研究

摘 要：水泥混凝土路面結構對軟土地基的不均勻沉降非常敏感，選用那種路面結構形式來改善路面板的工作狀態、延長其使用壽命，是必須認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行靜載試驗研究的基礎上，得到了有益的數據和結論。
關鍵詞：軟土 地基 水泥 混凝土 路面 靜載試驗

　　公路通過軟土地區如何選擇合理的路面結構?應當采取何種技術措施隨著我國交通運輸事業的發展，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。軟土地區路面結構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構形式的原則，應是在經濟合理的前提下選擇能降低沉降敏感性的結構。由于水泥混凝土路面結構對路基的不均勻沉降尤為敏感，因此目前在軟土地區高等級公路上多不采用。本文嘗試結合連云港新墟一級公路上路面足尺板靜載試驗的研究，對軟土地區水泥混凝土路面結構進行一些探討。

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，根據路線設計，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，對軟土地基不進行特殊處理，有一定代表性。?
　　根據地質資料，該地區硬殼層厚度為2m，軟土層厚度為10m，估算總沉降量約為50cm。通過對埋設的沉降標觀測，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　路面結構型式
　　為了進行對比研究，根據國內外工程實踐經驗，試驗路選擇了兩種結構型式，見圖1所示。

圖1試驗路路面結構型式

　　(1)多層地基結構(即普通結構)。選擇若干層次，其彈性模量自下而上逐層提高，以達到分層吸收不均勻沉降的目的。?
　　(2)夾層板結構，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，這種路面結構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。
　　試驗路選擇兩種結構同時試驗，將夾層結構稱為Ⅰ型，多層結構稱為Ⅱ型。?
　　路面結構的材料，根據當地條件進行選擇。Ⅱ型結構厚度依據部頒規范進行計算，總厚度為65cm(25cm水泥混凝土板+25cm碎石二灰土+15cm泥灰結碎石)。Ⅰ型結構厚度無標準方法計算，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，分別采用Ⅰ型和Ⅱ型路面結構。試驗路平面布置見圖2。

圖2 試驗路平面布置、剖面圖

1.4　路面各結構層的實測數據
1.4.1　泥灰結碎石結構
　　實測泥灰結碎石墊層濕容重2.374t/m3，干容重2.230t/m3，含水量6.46%，壓實度符合有關規范要求。施工完成一個半月內，多次進行彎沉和承載板試驗，并推算墊層頂面當量回彈模量Et和墊層回彈模量E，Et為73.80～98.57MPa，E為252.15～349.94MPa。數據表明，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。施工時同步制作標準試件，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
　　碎石二灰土基層經取樣實測，壓實度均滿足規范要求。經彎沉和承載板試驗，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。根據標準試件測試，獲得28d平均抗壓強度32.6MPa，平均彎拉強度5.14MPa，根據經驗公式推算彎拉彈性模量EW=3.05×104MPa。

2　路面結構靜載試驗
2.1　試驗板的選擇
　　為了比較Ⅰ、Ⅱ型兩種路面結構的受力特性，在試驗路段進行足尺板靜載試驗。在已經施工完成的16塊試驗路面板中挑選Ⅰ型、Ⅱ型各兩塊試驗路面板進行測試，選擇的主要依據是施工質量良好，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　撓度測點及應變片布置
　　試驗板頂面布置撓度測點及應變片如圖4所示，Ⅰ型結構(夾層結構)的下臥混凝土底板在板中亦布置撓度測點及應變片。

圖4試驗板塊撓度測點及應變片布置圖
注：┻23為應變測點，。為撓度測點

2.3　加荷設備、荷載位置與級位
　　試驗路加載設備采用“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、應變都比較穩定，不同結構之間的比較可以突出其差別。
加荷級位及順序：
　　0-10kN預
　　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)，均在后半夜進行，以避免另半幅路面白天車輛通過時產生干擾。測定時，每一級荷載均記錄撓度及應變值。

3　試驗結果的分析與討論
3.1　兩種結構的比較
　　為了比較多層地基板與夾層板結構的應力、應變與撓度，取其中部分數據作分析，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方向應變εX與最大Y方向應變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，夾層結構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分散，減少了坡度差，明顯改善其應力狀態與撓度坡差。?
　　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)，多層地基的面層應變值明顯大于夾層結構的對應點應變值，將Ⅰ號、Ⅲ號板的應變值列表比較如表1所示。

圖8

兩種結構在100KN作用下應變的比較(με)　　表1

　　由表1所列結果可見，Ⅰ型結構(夾層結構)與Ⅱ型結構(多層結構)相比，后者的應變值較前者增大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所示為兩種結構在不等量的中心荷載作用下，同一測點位置處最大應變值的變化。曲線表明，不論荷載等級增大或減小，不論X方向應變或Y方向應變，Ⅰ型結構總是明顯地小于Ⅱ型結構。兩種結構在不同荷載作用下最大應變比較見表2。?
　　由表2可以看出，不論荷載增大或減小，Ⅱ型結構的最大應變與Ⅰ型結構的對應測點相比，全部增大40%～60%。

兩種結構在不同荷載作用下最大應變比較(με)　　表2

3.2　夾層結構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力、應變、撓度，分析其受力狀態與工作狀態。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或沉降差范圍內保持相對穩定的關系。此外，由圖10可以看出，在一定的荷載級位范圍內，底層板的應變量極其微小，幾乎為零，主要由面層板承擔，因此底層對面層板只起著擴大分布面達到均勻支承的作用，很少分擔車載應力。由此推理，夾層結構由于有中間層的緩沖作用，當地基產生不均勻沉降時，底層板將承擔相當部分沉降差值影響，而通過中間夾層再傳導給面層板的影響將有所減弱。?
　　通過以上對實測數據的分析表明，夾層板結構比多層地基結構具有明顯的優點，它可以改善路面板的工作狀態，延長其使用壽命。特別對于軟土地基，夾層板結構可以降低面板對沉降的敏感性，從而提高整個路面結構抵抗不均勻沉降的能力。