软弱岩土挖方段公路路基换填深度研究

　　软弱岩土挖方段公路路基换填深度一直是业内备受关注却未能得到较好解决的一个问题。严格地讲，只有实现路基路面协同变形的换填深度才能称作为适宜的换填深度。由于受上部路面结构型式、交通荷载等级、填料及地基的长期强度等多因素影响，路基路面协同设计是一个非常复杂的过程。近些年来，路基路面协同设计及动力设计理念逐渐被广大科研和公路工程技术人员所接受。新版《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）[1]第3.2.4条对路基结构的动力设计指标和验算指标做出了明确规定。＂路基应以路床顶面回弹模量为设计指标，以路床顶面竖向压应变为验算指标＂，＂路基在平衡湿度状态下，路床顶面回弹模量不应低于现行《公路沥青路面设计规范》（JTG D50）[2]和《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40）[3]的有关规定＂，＂沥青路面路床顶面竖向压应变的计算值应满足沥青路面永久变形的控制要求＂。
　　路基动力设计的目的在于控制路基填土因交通荷载引起过大变形而导致路面结构的破坏，同时保证土体结构本身不发生破坏。根据控制参数和设计侧重点的不同，路基动力设计方法有所不同。主要有动应变控制法、动应力控制法和动变形控制法。
　　鉴于目前关于路基土破坏动应变的具体取值尚无统一的认识或规定，结合《公路沥青路面设计规范》（JTG D50）[2] 关于路面弯沉控制的思想，本文采用文献[4]所提供的动变形设计方法开展软弱岩土挖方段路基适宜换填深度研究。
　　1动变形法设计步骤
　　（1）确定计算参数
　　确定设计采用的汽车动荷载参数，根据设计文件，计算设计年限内一个车道的累计标准当量轴次，同时确定设计交通量与交通等级、面层、基层类型以及公路结构组合类型及相关参数。
　　（2）路基顶面允许动变形计算
　　利用规范对路面弯沉的控制标准，结合路面路基协调变形条件，得到路基顶面允许动变形值Ud。
　　Ud=600Ne-0.2AcAsAbAa (1)
　　式中：Ud为允许动变形值（0.01mm）；Ne为设计年限内一个车道累计当量轴次；Ac、As和Ab为与公路等级、结构层类型和性质有关的系数，可参考文献[2]确定；Aa是路基顶面动变形与路表面动变形幅值之比，也称为公路路面结构组合系数，可参考文献[5]确定。
　　（3）路基顶面动变形计算
　　软弱岩土挖方段路基结构可以概化成一个典型的多层结构体系，其主要结构层由上至下依次为：面层、基层、底基层、换填层和地基。计算模型如图1所示。
　　图1软弱岩土挖方段路基层状结构模型
　　Fig.1 Multilayered structure model of soft rock-soil cut subgrade
　　已知换填层和软弱岩土地基回弹模量，拟定一个换填层厚度，根据路基分层结构体系，参考文献[5]，计算得到路基顶面动变形Uz，
　　式中：
　　其中：G2 和 λ2为路基土体的Lame常数； ρ2为路基土体密度； ν、ω 分别为行车速度和振动圆频率。 β、γ 为积分变换参数；A2 、B2 、C2 和 D2为待求积分常数； z2为路面表面到路基顶面的垂直距离。
　　（4）适宜换填层厚度
　　路基动变形控制设计应满足路基顶面抵抗变形破坏的要求：即
　　Uz ≤ Ud （3）
　　如计算所得Uz＞Ud，则应适当增大换填层厚度，并重复步骤1.3，重新计算UZ，如此往复，只至计算所得满足Uz ≤ Ud，此时所对应厚度即为当前软弱岩土地基回弹模量对应的换填层的最小允许厚度Hmin，也即适宜换填厚度，软弱岩土挖方路基换填深度设计时应满足：
　　Hd≥Hmin （4）
　　式中Hd为换填层设计厚度，Hmin为换填层最小允许厚度。
　　2 软弱岩土挖方路基换填适宜深度研究
　　软弱岩土挖方路基换填深度受路面结构型式、交通荷载等级、现场所能方便取得的非软弱岩土类填料强度、软弱岩土地基的长期强度等多因素影响，因此其设计是一个非常复杂的过程。本文结合贵州省高速公路所惯用的典型沥青路面结构，对重交通条件下软弱岩土挖方段路基换填深度开展研究。设计所用路面结构数据采用依托工程——三黎高速公路的沥青路面结构型式和设计参数。三黎高速公路路面结构如表1，交通荷载等级为重交通，设计弯沉值为0.230mm，路面设计结构层参数详见表2。
　　规范[1]中规定轻、中等及重交通路床结构层厚度为0.8m，特重、极重交通路床结构层厚度为1.2m，公路网中轻、中等及重交通等级在公路网中占绝大部分，特重和极重交通路基路面结构一般需要专门论证和特殊设计。因此，本文以重交通对应的累计标准轴次的上限值进行相应的计算，即BZZ-100累积标准轴次Ne=2500（万次/车道），其结论将更具有普遍性和适用性。
　　将Ne=2500（万次/车道）代入公式（1），计算得到路基顶面允许动变形值（0.01mm）为0.165mm。
　　换填层采用未筛分碎石或级配良好的硬质岩石渣，回弹模量参考规范[1]附录B取E=200Mpa，通过将不同的换填深度和地基动态回弹模量进行组合，带入公式（2），即可求得满足路基顶面允许动变形的不同软弱岩土地基动态回弹模量所对应换填深度，如图2所示（图较大，附后）。
　　将图2中的数据简化成表，可得到表3。
　　对表3中的数据进行拟合可得：
　　H换=270-3MR （5）
　　式中H换——适宜换填深度（cm）；
　　MR——地基土长期相对稳定的动态回弹模量。
　　表3所列地基回弹模量为其长期相对稳定动态回弹模量，需结合地基所处自然环境条件，在考虑干湿循环或冻融循环基础上采用动三轴试验测得，动三轴试验方法可参照规范[1]附录A。
　　考虑到目前还没有标准的动态回弹模量试验方法，根据规范[1]第3.2.6款中提供的动态回弹模量与CBR之间的经验关系式：
　　MR=17.6CBR0.64 （2＜CBR≤12） （6）
　　MR=22.1CBR0.55 （12＜CBR＜80） （7）
　　对表3进行转换，可得到基于CBR的贵州省重交通高速公路软弱岩土挖方段路堤换填深度阈值，见表4。
　　对表4中的数据进行拟合可得：
　　H换=203.66-16.24CBR （8）
　　表4所列地基CBR为其长期相对稳定CBR，需结合地基所处自然环境条件，在考虑干湿循环或冻融循环基础上采用现场CBR试验测得，CBR现场测试试验可参照《公路土工试验规程》（JTG E40）[7]进行。
　　4 结论和建议
　　（1）本文采用动变形控制法，对贵州省重载高速公路软弱岩土挖方路堤换填适宜深度进行了研究，得到了换填深度与软弱岩土地基长期相对稳定动态回弹模量和CBR之间的对应关系，可供贵州省及其他路面结构和交通荷载相近的省份借鉴和参考。
　　（2）软弱岩土挖方段路基换填深度受上部路面结构、换填料和路基强度等因素影响，其计算过程较为复杂，表3和表4所列不同动态回弹模量和CBR对应换填深度是基于贵州省典型沥青路面结构和采用级配良好的硬质岩石渣或非筛分碎石作为换填料的基础上计算得到的，实际使用中如路面结构或者采用的换填料种类发生改变，则应对换填深度做出相应调整。