软土地基水泥混凝土路面足尺板的静载试验研究

摘 要：水泥混凝土路面结构对软土地基的不均匀沉降非常敏感，选用那种路面结构形式来改善路面板的工作状态、延长其使用寿命，是必须认真研究的一个重要问题。本文在对连云港新墟一级公路上路面足尺板进行静载试验研究的基础上，得到了有益的数据和结论。
关键词：软土 地基 水泥 混凝土 路面 静载试验

　　公路通过软土地区如何选择合理的路面结构?应当采取何种技术措施随着我国交通运输事业的发展，这一问题近年来已得到较为广泛的研究，并取得了一些成果。软土地区路面结构的主要病害是由于软基的沉降所引起的，目前对软土地基进行处理以减少其工后沉降的工程措施已有不少，但不论采用何种措施进行处理，软土地基的工后沉降仍然是客观存在的。因此，选择软土地基上路面结构形式的原则，应是在经济合理的前提下选择能降低沉降敏感性的结构。由于水泥混凝土路面结构对路基的不均匀沉降尤为敏感，因此目前在软土地区高等级公路上多不采用。本文尝试结合连云港新墟一级公路上路面足尺板静载试验的研究，对软土地区水泥混凝土路面结构进行一些探讨。

1　试验路基本情况
1.1　路基概况
　　连云港新墟一级公路大部分处于软土地区，根据路线设计，均为填方路基。试验路选择在K0+500附近，是考虑其填筑高度、估算沉降量均适中，对软土地基不进行特殊处理，有一定代表性。?
　　根据地质资料，该地区硬壳层厚度为2m，软土层厚度为10m，估算总沉降量约为50cm。通过对埋设的沉降标观测，从路基施工开始至路面施工，间隔4个月，地面沉降平均为5cm，为总量的10%。

1.2　路面结构型式
　　为了进行对比研究，根据国内外工程实践经验，试验路选择了两种结构型式，见图1所示。

图1试验路路面结构型式

　　(1)多层地基结构(即普通结构)。选择若干层次，其弹性模量自下而上逐层提高，以达到分层吸收不均匀沉降的目的。?
　　(2)夹层板结构，在路基之上铺筑贫混凝土板，板上加铺基层材料，顶层铺筑混凝土面板，这种路面结构下的地基不均匀沉降，首先由下层板体吸收，再传至上层面板，其影响程度可大为削弱。
　　试验路选择两种结构同时试验，将夹层结构称为Ⅰ型，多层结构称为Ⅱ型。?
　　路面结构的材料，根据当地条件进行选择。Ⅱ型结构厚度依据部颁规范进行计算，总厚度为65cm(25cm水泥混凝土板+25cm碎石二灰土+15cm泥灰结碎石)。Ⅰ型结构厚度无标准方法计算，仍按总厚65cm采用(25cm水泥混凝土板+20cm碎石二灰土+20cm贫混凝土底板)。

1.3　试验路的平面布置
　　试验路段全长40m，路面宽8m，按5×4m板块划分成二排共计16个板块。为测试方便，分为A和B二区，分别采用Ⅰ型和Ⅱ型路面结构。试验路平面布置见图2。

图2 试验路平面布置、剖面图

1.4　路面各结构层的实测数据
1.4.1　泥灰结碎石结构
　　实测泥灰结碎石垫层湿容重2.374t/m3，干容重2.230t/m3，含水量6.46%，压实度符合有关规范要求。施工完成一个半月内，多次进行弯沉和承载板试验，并推算垫层顶面当量回弹模量Et和垫层回弹模量E，Et为73.80～98.57MPa，E为252.15～349.94MPa。数据表明，垫层的强度有一个随时间递增的过程。

1.4.2　贫混凝土底板
　　贫混凝土底板采用一次性整块浇筑，平面尺寸为850×2050cm，终凝后切割分为8块，每块平面尺寸为425×512.5cm。施工时同步制作标准试件，7d和28d抗压强度分别为8.1MPa和11.9MPa，弯拉强度分别为?1.24MPa，?和1.6MPa。由经验公式推算弯拉弹性模量E?W=1.8×10?4MPa。

1.4.3　碎石二灰土基层
　　碎石二灰土基层经取样实测，压实度均满足规范要求。经弯沉和承载板试验，推算基层回弹模量E，E值随龄期增长明显，7d龄期为174.1MPa，35d龄期为277.25MPa，96d龄期为397.2MPa。表明设计提出的350MPa约需3个月的龄期。

1.4.4水泥混凝土面板
　　由于静载试验需要板块独立，所以全部接缝均采用1.0cm的薄木板。根据标准试件测试，获得28d平均抗压强度32.6MPa，平均弯拉强度5.14MPa，根据经验公式推算弯拉弹性模量EW=3.05×104MPa。

2　路面结构静载试验
2.1　试验板的选择
　　为了比较Ⅰ、Ⅱ型两种路面结构的受力特性，在试验路段进行足尺板静载试验。在已经施工完成的16块试验路面板中挑选Ⅰ型、Ⅱ型各两块试验路面板进行测试，选择的主要依据是施工质量良好，无损坏迹象等。选定的路面板如图3所示。

图3静载试验板块编号

2.2　挠度测点及应变片布置
　　试验板顶面布置挠度测点及应变片如图4所示，Ⅰ型结构(夹层结构)的下卧混凝土底板在板中亦布置挠度测点及应变片。

图4试验板块挠度测点及应变片布置图
注：┻23为应变测点，。为挠度测点

2.3　加荷设备、荷载位置与级位
　　试验路加载设备采用“解放”平板半挂车作为反力架，通过油压千斤顶施加荷载。平板半挂车轴距6.5m，满载总重为200kN，加载装置如图5所示。

图5静载加荷装置示意图

　　加荷位置一律取板中加荷，通常板中加荷时挠度、应变都比较稳定，不同结构之间的比较可以突出其差别。
加荷级位及顺序：
　　0-10kN预
　　0-10-0-25-0-40-0-55-0kN?
　　0-70-0-85-0-100-0-115-0kN?
　　路面足尺板静载试验分4d完成(每日一块板)，均在后半夜进行，以避免另半幅路面白天车辆通过时产生干扰。测定时，每一级荷载均记录挠度及应变值。

3　试验结果的分析与讨论
3.1　两种结构的比较
　　为了比较多层地基板与夹层板结构的应力、应变与挠度，取其中部分数据作分析，图6所示为Ⅰ号板(Ⅱ型)与Ⅳ号板(Ⅰ型)在中心荷载为100kN时，对角线方向挠度分布曲线的比较。图7为Ⅰ号板(Ⅱ型)、Ⅲ号板(Ⅰ型)、Ⅳ号板(Ⅰ型)在中心荷载为100kN时，短轴方向最大应变ε沿中心线的分布曲线。图8为Ⅰ号板(Ⅱ型)与Ⅲ号板(Ⅰ型)最大X方向应变εX与最大Y方向应变εY随板中心荷载值而变化的分布曲线。

图6

图7

　　由图6所示挠度曲线的比较可以看出，对于中心挠度两者比较接近，而角隅挠度Ⅰ号板上翘的量大于Ⅳ号板，而沿对角线方向二者的曲率相差较多，若以坡度表示，则Ⅰ号板较Ⅳ号板大30%。这充分表明，夹层结构下卧底板扩大了地基压力的分布范围，使上层面板的反力分布适当分散，减少了坡度差，明显改善其应力状态与挠度坡差。?
　　由图7可以明显地看出，在相同荷载作用之下，在中心挠度很接近的情况下(见图6)，多层地基的面层应变值明显大于夹层结构的对应点应变值，将Ⅰ号、Ⅲ号板的应变值列表比较如表1所示。

图8

两种结构在100KN作用下应变的比较(με)　　表1

　　由表1所列结果可见，Ⅰ型结构(夹层结构)与Ⅱ型结构(多层结构)相比，后者的应变值较前者增大38%～60%，明显地表示出下卧层底板对降低面板混凝土对抗弯曲变形的敏感性。图8所示为两种结构在不等量的中心荷载作用下，同一测点位置处最大应变值的变化。曲线表明，不论荷载等级增大或减小，不论X方向应变或Y方向应变，Ⅰ型结构总是明显地小于Ⅱ型结构。两种结构在不同荷载作用下最大应变比较见表2。?
　　由表2可以看出，不论荷载增大或减小，Ⅱ型结构的最大应变与Ⅰ型结构的对应测点相比，全部增大40%～60%。

两种结构在不同荷载作用下最大应变比较(με)　　表2

3.2　夹层结构底层板与上层面板的比较
　　在同一荷载作用之下，量测下卧底层板与上层面板的应力、应变、挠度，分析其受力状态与工作状态。图9为Ⅳ号板上层与下层板挠度的比较。图10为Ⅳ号板上层与下层板在不同荷载作用之下X方向与Y方向最大应变的分布曲线。

图9图10

　　由图9可见，在各级荷载作用下，下层板的中心挠度约为面板中心挠度的40%左右，表明二层板之间的夹层材料有一种缓冲作用，车轮荷载自上而下传递，缓冲层可以减少底层板的挠度，而地基不均匀沉降差自下而上传递也必然会减小对面板的影响，且这种缓冲作用在一定的荷载级位范围内或沉降差范围内保持相对稳定的关系。此外，由图10可以看出，在一定的荷载级位范围内，底层板的应变量极其微小，几乎为零，主要由面层板承担，因此底层对面层板只起着扩大分布面达到均匀支承的作用，很少分担车载应力。由此推理，夹层结构由于有中间层的缓冲作用，当地基产生不均匀沉降时，底层板将承担相当部分沉降差值影响，而通过中间夹层再传导给面层板的影响将有所减弱。?
　　通过以上对实测数据的分析表明，夹层板结构比多层地基结构具有明显的优点，它可以改善路面板的工作状态，延长其使用寿命。特别对于软土地基，夹层板结构可以降低面板对沉降的敏感性，从而提高整个路面结构抵抗不均匀沉降的能力。