广清北段高速公路软弱土基上路面结构设计

广清高速公路银盏至北江二桥段, 是广东省实现2004年全省地级市通高速公路目标的工程之一, 是省的重点工程。本高速公路起点为清远市龙塘镇银盏乡, 终点为清远市市区北江南岸的敢鱼村, 全长20.6km。本高速公路为广东省公路勘察规划设计院承担设计。

在施工过程中, 经检测, 起点右线GRK0-380~GRK0+030段, 土基上加铺换填层之后, 换填层表面实测弯沉值为3.0~4.3mm, 相当于土基回弹模量为15~25MPa, 达不到规范要求的30MPa, 所以只好将该处软弱土基的路面结构作特殊加强。该处沥青路面设置钢筋混凝土基层, 沥青面层采用普通路段的上面层和中面层, 详见“软弱土基路面设计图”,

1 工程状况及其客观条件

该段路基的回弹模量较低、较为软弱的原因为该处路基为挖方段路基, 该土为高液限土, 又处于地下水位、地表水位均较高之处, 本身的毛细管作用很强, 其下充足的水量可源源不断地通过土的毛细作用上升进入该路基土, 使其天然含水量长期处于饱和或接近饱和状态, 即为潮湿或过湿状态;该土的颗粒平均粒径很小, 粒径小于0.002mm的粘粒占98%, 而为高液限含水量、高塑性指数、模量较低的土, 且因水分难于蒸发, 含水量高, 干密度低, 就更决定了其回弹模量较低的这一自身软弱特性;又因该处工程场地的局限, 该处路基须作为施工车辆进出的唯一通道, 因车辆行驶导致该路基已形成两条平面带状软弱带, 软弱带宽约0.8m。因该软弱带的存在, 路面的工后下沉量在横路向是很不均匀的, 这种土基通常需经处理使其回弹模量达到30MPa, 处理办法通常是翻松掺砂晒干从新碾压或换填碾压, 除此之外没有其他较经济简单的办法可使其回弹模量提高到一定程度。该处土基自身特性决定了需要对其进行处理, 若未经处理加强, 一般的路面结构将很难达到使用要求和耐久性要求。

当时已是2004年6月底, 距路面基层交工期限2004年9月仅有2个月时间。又正值雨季, 工期非常紧迫, 已没有时间可等待晴天干燥天气, 即没有条件将该处路基土翻松晒干重新碾压。从施工工期考虑, 不可能采取翻松晒干的处理办法。

该处既是两条高速公路相接的已有路面加宽段而不能较长时间的过多的妨碍现有道路的运行, 又因是该段施工运输的唯一通道而不能将路基深挖翻松。施工条件很受局限。从施工环境条件考虑, 不宜采取翻松晒干的处理办法。

主线行车道路面的结构为总厚度17cm的三层沥青面层、36cm水泥稳定级配碎石基层、20cm水泥稳定粒料底基层、挖方段设置15~30cm透水垫层。但这一路面结构要求土基回弹模量大于30~40MPa, 结构图如下 (图1) :

2 方案选择

上述工程状况及条件说明, 不宜采取翻松晒干的处理办法, 也不能采取深挖换填碾压的处理办法, 即不能对垫层之下的路基土进行处理, 然而对这一段软弱土基的设计处理就只能在路面结构上。在路面结构上进行处理, 路面总厚度又不可加大, 即建筑高度受了限制, 原因是30cm的透水垫层已施工成形, 然而较可行的处理方案只有如下两种:

方案a.减小沥青面层大力加强基层;

方案b.同时加强面层和基层。

下面分析a.b两种处理方案的技术经济指标及技术性能、优缺点。

方案a结构图如下 (图2) :

方案b结构图如下 (图3) :

下面分析a.b两种处理方案的技术经济指标及技术性能、优缺点。

(1) a方案:

结构经验算分析可知, 路表弯沉值可达到设计弯沉值的要求, 即不大于设计弯沉值0.232mm。各沥青面层的弯拉应力因基层的大力加强, 车轮荷载作用下层状体系的弯曲变形曲率明显减小而得到较大的改善, 即沥青层弯拉应力明显减小。剪切应力也能满足规范的相关要求。抗车辙性能因沥青层总厚度有所减小而得到提高。

本方案的显著特点是:基层得到大力加强。25cm厚钢筋混凝土板是刚度大, 抗弯拉、抗裂能力强、全弹性、等各种性能均较好的结构层, 且是耐风化、既耐高温又耐低温、又耐温度剧变等的耐用结构。由于其抗弯拉强度高, 在其上的沥青面层在行车荷载作用下的弯曲拉应力可以大幅度减小, 从而有利于延长沥青面层的使用期。因其本身的耐用性, 可增加沥青面层的使用寿命且给路面大修提供很大的便利, 即不需重新修筑基层。其本身的使用寿命已不是主要由荷载的次数、荷载大小这一因素所决定。与通常采用的水泥稳定土比较, 疲劳强度以数倍的幅度增加。

a方案的造价为280.5元/m2。

(2) b方案:

b方案的特性是沥青面层较厚, 抗车辙性能较差, 验算的各种指标虽然符合规范要求, 但面层的实际使用寿命据以往工程的实际情况归纳出的经验判断, 与其他类似的路面一样, 只能是8年最长10年甚至更短, 而很难达到规范要求的15年。这种设计使用寿命往往长于实际使用寿命的现象产生原因主要是车辆超载;沥青材料露天状态下的老化速度被低估;实际的应力状态是拉、剪、钮三组应力共同产生的主拉应力与单纯验算单一的弯拉应力、剪应力的差异;渗入路面结构内的潜水在车轮荷载作用下形成的压力水的张力和流动水的强大冲刷力的破坏作用被忽略;有些局部基层因各种原因的变弱;等等。从这些不利因素中不难看出, 该方案结构除土基软弱、结构总厚度较大之外, 仍然是普通常用的沥青路面的特性, 不必细述。

b方案的造价为271.3元/m2, 造价较a方案低。经济上虽较划算, 增加投入的资源未能较长期的提供使用效果。具体分析其原因如下:

3 结构设计与验算

以上a、b两个方案未能找到相同或较近似的工程实例可做类比以判断其合理性和可靠性, 故需专门对其进行技术分析、计算、检验。以下简述对a、b两方案的技术分析。

a方案中:土基抗压回弹模量低、土基面存在工后不均匀的塑料下沉这两个客观因素更是难于找到常用的计算方法加于计算分析。路面设计规范对软弱土基、脱空这种问题只提出如何避免的建议, 而未给出无法避免时如何计算分析这种路面结构的受力特点, 受力情况等的指导, 也无法从规范中找到一些经验参数。因此, 结构a的分析与验证只能另找办法。本结构的分析验算先采用分析类比, 然后用有限元计算软件予以计算分析。

分析类比如下:本结构除土基模量低之外, 钢筋混凝土板之下还存在0.1~3.0mm脱空的存在可能, 这两个特点的存在是无法用普通路面结构计算方法进行计算的。即普通路面结构模型是弹性层状半无限体, 层间相接触可传递竖向应力, 而本结构在车轮荷载作用下, 基层与面层先作低弹性大幅度下沉 (0~3mm) , 该低弹性反力是钢筋混凝土基层所产生的弹性反力, 然后是0.2~0.25mm土基受力的弹性压缩下沉。对于沥层路面表面产生1~3mm的下沉, 用普通沥青路面结构的概念去衡量其结构弯拉应力将具有数倍于材料的极限弯拉强度的弯拉应力, 即应该是开裂的, 即是破坏的。而当基层的弯拉应力还未达到材料抗弯拉强度的30%。究其原因:原因一是双层网钢筋混凝土抗弯拉强度比普通半刚性板体基层的抗弯强度高数十倍;原因二是该受荷点下沉的弯沉盘由于钢筋混凝土基层的作用而形成了较大半径的弯沉盘, 弯沉曲线的曲率又远小于普通沥青路面状况。层状路面结构的受荷弯曲拉应力与弯沉值弯曲曲率成正比, 与弯沉盘的大小成反比。由此类比分析可知, 本结构的沥青面层不会因基层板底脱空, 土基模量软弱, 层表弯沉值很大, 大到相当于普通的十倍。这几个因素而产生明显的弯拉应力。沥青层由于其弯拉模量远小于钢筋混凝土基层的弯拉模量而几乎未产生弯拉应力, 这一应力状况在有限元弹性分析结果的数值中可明显反映出来。

A结构有限元程序分析, 其模型如下图示 (图4) :

板底脱空难于在计算模型反映, 对于计算各层弯拉应力及层表弯沉, 可将其分两个阶段计算, 然后叠加即为其实际值。

第一阶段的模型是沥青面层、基层在环型支承状态下中心点产生向下强迫位移, 向下位移值即是假设的基层板底脱空值2.5mm。环型弹性支承的环形半径取为0.5~1.0m, 这一取值对应力大小影响是不大的, 原因是中心的强迫位移值为一定值, 只有2.5mm。环形弹性支承是均匀密集分布于支承面的小弹簧, 一个小弹簧的弹力强度按照弹簧间距垫层面以下的综合抗压回弹模量换算。

这一模型中有几个因子有各自特点, 对某些计算结果影响如何需作进一步说明:

(1) 脱空范围大小:即环形弹性支承的环形半径, 其大小对沥青面层的弯拉应力值有影响, 但很小。

(2) 脱空范围边缘的环形支承:此处假设脱空范围为圆环形, 但实际中脱空范围不是圆形而是各种不同大小、不同形状的不规则形状, 此处假设为圆形, 只图便利而已, 但采用何种平面形状对结构影响是不大的, 只要该支承不是刚性的而是弹性的。若该圆环形支承是刚性的, 半径大时弯拉应力竖向剪应力都将明显变小, 即半径与应力成反比例关系。若该支承面环形半径小到一定程度时, 弯拉应力很大甚至达到材料的极限强度。这就说明脱空范围边缘支承只能采用弹性支承, 且弹性刚度与实际结构应是接近的, 采用刚性支承是不合适的且实际结构状况相符, 得到的计算结果与实际结构的应力状态差异是很大的。

(3) 脱空值的大小:脱空值的大小与基层弯拉应力成正比例关系, 不可过大。在实际的路面结构中, 包括已破坏的路面结构中, 据以往工程实际的检测情况, 脱空值基本上在3.0mm以内, 且实际状态中发现脱空产生后不久, 就可予以灌浆。

(4) 支承面积大小:平面环形支承面积有2~3m2即为合适, 其面积大小可通过调整支承面宽度即可达到。

第二阶段模型是板底脱空已经闭合, 即为正常的路面结构模式, 其受力状况不存在特殊性, 在此无需详述。

上述两阶段某一点同一方向应力叠加即为实际结构中该点的实际应力。

结构分析结论:在计算分析过程中, 对上述几个可变因素作了多种不同值的假定, 得出了如下结论。

(1) 在软弱地基上修筑路青路面, 或因土基平面上不均匀而有可能使路面结构产生层间脱空的沥青路面, 沥青面层下的基层需要柔而耐的钢筋混凝土基层, 有了这样的一层基层才可能并且可以使路面具备应有的承荷能力, 并保持与普通路面相似、相近的耐性和变形特性, 甚或强于普通沥青路面结构。 (2) 钢筋混凝土基层之上的沥青路面层在车轮荷载作用下产生的弯拉应力很小。 (3) 钢筋混凝土基层下脱空范围的大小对基层的弯拉应力影响不大。当脱空范围大小不变, 脱空值大小对基层的弯拉应力影响是明显的, 两者成正比例关系。 (4) 钢筋混凝土基层的厚度25cm左右是较合适的, 不必要采用更大厚度。 (5) 钢筋混凝土基层上下缘均有可能产生弯拉应力, 因而其钢筋网必须设置上下各一层。若设单层筋网置于上缘或下缘或中间, 均不具备应有的受力功能, 形同虚设, 是错误的。 (6) 土基的弹性模量较低时对路面结构层的受力能力影响不大, 在土基模量低至16.0MPa时仍可采用这种路面结构。 (规范要求高速公路土基模量一般不小于30.0MPa) (7) a结构总连底基层、垫层厚度10+25+20+30=75cm, 仍存总厚度富余15~20cm, 即将垫层底基层厚度同时减小到15cm, 即总厚度60cm仍能满足要求。 (8) 路面弯沉值控制对本结构而言没有意义。规范允许的路表弯沉值0.2~0.35mm, 而本路面结构在层间具有最大脱空值达3mm时仍然是满足受力要求的, 也就是路表弯沉值达到3mm时。因而对本结构路面的技术性能评定时不应采用路表弯沉值这一指标。 (9) 可适应的其他场合, 从分析结果数值看, 这种结构还可适用于其他一些特殊场合:如旧路面改造, 尤其是破旧水路面翻新的改造。

4 结束语

本路面随着广清高速公路2004年底建成通车使用至今已3年多, 已经过大暴雨、路基土最大可能含水量、最高和最低气温、最大降温收缩、最大升温膨胀等不利自然因素的考验, 亦经过行车荷载以及超重汽车荷载的3年多考验, 经检查未见裂缝、损毁等情况, 本特殊路面与其前后普通路面相比, 完好度、耐用性、最大承载能力等都明显较好。本路面实际现状反映本路面结构设计是比较成功的, 较令人满意的, 可以得出几个初步结论用于相似的工程实际中。

(1) 实用可靠:本路面结构耐用性、及其承载能力是可靠的。

(2) 值得推广使用。

(3) 价廉物美:造价较低。

(4) 使用效果较佳。

(5) 耐用又易于维修。

(6) 连续配筋, 便于施工行车舒适。本结构钢筋混凝土基层虽为400余m连续配筋, 但经验算, 其裂缝况大致如下:横缝间距0.8m, 缝宽0.02~0.05mm左右, 在20~30年使用期内仍然可以保持其平整的整体连续板状态。

摘要：介绍具体工程在土基条件较差的情况下设计高速公路路面, 该土基回弹模量小于 (180～250) MPa, 未能满足规范要求, 土基密实度不均匀, 路面工后沉降差的产生与结构层间局部脱空无法避免, 通过对路面基层作特殊设计, 在不增加路面结构总厚度, 造价不大幅增加的情况下, 设计符合使用要求和规范要求又较容易施工的沥青路面结构。

关键词：土基软弱,不均匀,沉降差,层间局部脱空,强基抗裂,耐久