低填浅挖路段砂砾路基工作区深度及施工质量控制研究

DOI:10.16799/j.cnki.csdqyfh.2019.05.074

城市道桥与防洪

2019年5月第5期

低填浅挖路段砂砾路基工作区深度及

施工质量控制研究

郭炎军

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉430015）

摘

针对其松散材料的特点，基于ABAQUS有限元软要：对低填浅挖路段砂砾路基填料的土工参数和强度性能予以探讨，

发现件对荷载附加应力和路基自重应力之比进行了数值计算，深入分析了超载和多轴型作用下砂砾路基的工作区深度，在标准轴载作用下路床范围比现行规范要加深10～20cm，超载相对于轴型变化对砂砾路基会产生更不利的影响。路基模但应该严格满足路基顶面的设计回弹模量对工作区深度有一定影响，但过大的模量对改善路基受力环境并无明显作用，从确保路基抗变形能力和承载能力的基本功能的角度，建立量。指出压实度指标对于砂砾路基施工质量控制的不适应性，

了基于路基横断面关键点沉降差和FWD线性反演模量的双指标控制法及相应标准，并对反演的动态模量和承载板测定的静态回弹模量进行了分析比较，提出便于砂砾路基施工应用的模量修正系数。施工质量；沉降差；关键词：砂砾；路基工作区；超载；FWD中图分类号：U416

文献标志码：A

文章编号：1009-7716（2019）05-0272-04

0引言

路基为路面结构的基础，承受着自重和车辆

荷载传递下来的综合作用，其工作区范围内性能的优劣直接影响着道路各项使用功能的发挥。市政道路工程中修建路基，低填浅挖是经常遇到的路基形式。由于此类路基顶面距离现状地面线距离较近，为保证工作区的承载能力和稳定性以应对车辆荷载的高压应力和地下水的影响，设计时通常需要对原地面进行超挖并选取强度高、透水性能好，以及沉降小的砂砾进行回填碾压压实，处理深度一般统一按规范中给定的路床范围80cm

大量为准，施工质量评定以压实度为指标[1]。然而，

的研究和工程实践表明，这种通过工作区换算得到的路床范围和压实度指标主要是针对标准轴载作用下的细粒土路基提出的；对于低填浅挖路段

其工作的砂砾路基，若考虑超载和多轴型的作用，

区深度有其自身的特点，应根据路基工作区的判定原则进行针对性计算，确定每个断面合理的施

确保工程质量[2]。另外，压工处理深度，优化设计，

实度指标主要起到根据最佳含水率下获取土体最

收稿日期：2019-01-11

（1980—）从事市政工程作者简介：郭炎军，男，高级工程师，

道路交通设计工作。

实际上大干密度的作用，而砂砾材料松散无粘性，

对其讨论最佳含水率并没有太大意义。施工时，应当根据路基使用性能提出更加合适的质量控制指标，使天然砂砾路基处于竖向变形可恢复的弹性范围内，并且与路面变形相协调。

本文将以湖北省武汉市某开发区的一条城市主干路实体工程为依托，通过室内试验和理论分析相结合的方法，探讨低填浅挖路段砂砾路基的材料性能、路基工作区深度和不同轴载下的变化规律，并分析沉降差和弯沉指标双控下施工压实质量的效果。

1砂砾路基的性能特点

湖北省武汉市某开发区在建的一条城市主干路路面结构层组合设计为：18cm厚沥青混凝土面层、30cm厚5%水泥稳定碎石基层和15cm厚4%

全水泥稳定碎石底基层，交通荷载等级为重交通，

线约10km基本均为低填浅挖路段，路基顶面回

以及弹模量设计值为50MPa。为了改善软土地基，

地下水对低填浅挖路段路基强度和稳定性的影

统一采取了对现响，设计在大部分路基不良路段，

状地基超挖后换填80cm砂砾进行处理。为了了解砂砾的路用性能，对其取样并进行筛分和填料强度试验。

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科技研究273经过对试验段5kg砂砾进行筛分分析，发现粒径分布大概处于40～0.075mm之间，其中粒径小于4.75mm的砂砾质量占到30%，粒径小于

0.075mm的细料几乎没有，

颗粒的不均匀系数=21.85≥5，曲率系数=1.21，1≤Cc≤3，可认为是级配良好砂砾，其筛分曲线和土工物理参数试验如图1所示和表1所列。

图1砂土筛分曲线图

表1砂砾土工物理参数试验汇总表

天然含水率/%

液限/%塑限/%相对密度14.6

35.2

12.7

2.68

承载比试验是评定路基填料自身是否满足路用强度性能的基础性试验，通常采用加州承载比CBR指标来表征，即颗粒材料贯入一定标准深度的单位压力对标准碎石压入相同贯入量时强度的比值[3]。为了评价砂砾在不利自然条件下的性能稳定性，分别进行正常状态下和浸水96h后的CBR试验，并测定其体积膨胀率，试验结果如表2所列。

表2砂砾的CBR及体积膨胀试验汇总表%

试验项目CBR膨胀率CBR标准值

正常状态20-8浸水96h

16.5

0.045

8

由此可知，砂砾作为路基填料，

其CBR强度值完全满足要求，并且在浸水96h后强度发生了17.5%的衰减，但试验结果仍然远高于规范要求的标准值，表现出良好的水稳定性。

2砂砾路基工作区深度的数值分析

2.1判定标准和材料参数

随着弹性力学理论的发展和对荷载分布特性的深入研究，出现了多种路基工作区深度的判定

方法。考虑到路基的受力环境，

目前应用最广泛的是基于应力标准的方法，即通过弹性理论计算荷载作用下路基中产生的竖向荷载应力和将路面结

构层换算成等量土柱高后的应力比小于0.1的深度为标准[4]。相关规范规定标准轴载在路基某深度处的附加应力可根据简化的经验公式进行计算。研究为了考虑超载和多轴型下路基工作区深度，建立ABAQUS有限元模型进行不同工况下的数值

分析，其中路基的密度、

泊松比等采用砂砾的实测和特性参数。

2.2建模和荷载参数

通过ABAQUS软件建立的模型平面尺寸为边长为8m的矩形，路基深度同样取8m，并对路基回弹模量以60MPa进行赋值。荷载参数共考虑3

种轴型，即单轴双轮、双轴双轮和三轴双轮，每根轴重均设定为100kN，接地压力为0.707MPa，

另外还考虑单轴双轮200kN的超载情况，

接地压力为0.885MPa。荷载采用对称式布置，

每根轴的荷载图示均为双圆均布荷载，计算点位为双轮轮隙

中间。在模型中各材料层根据其厚度、

弹性模量、泊松比和密度等参数均采用二次三维实体单元C3D27进行数值模拟。2.3计算与分析

根据建立的有限元模型，并设置好结构层材料和荷载参数，便可按照应力比标准对不同轴型和超载工况下砂砾路基的工作区深度进行数值计算，其中路面结构层换算的等量砂砾路基高度为1.2m，计算结果如表3所列。

表3砂砾路基工作区深度数值计算结果一览表%轴型单轴100kN

单轴200kN

双轴三轴工作区2.123.443.253.48路床范围

0.92

2.24

2.05

2.28

从计算结果可知，该工程路基工作区深度计算值扣除砂砾等量高度后的路床范围均大于设计要求的80cm，其中标准轴载作用下的处理深度应达到0.92m，比设计值高出15%，处于不利状态。当单轴双轮比标准轴载超载一倍时，路基工作区深度增加了53%，应严格限制超载。而施加轴重为100kN的双轴双轮和三轴双轮，两者工作区深度

差别不大，但由于多轴载的迭加效应，

相对于标准轴载作用的深度提高了两倍，所以应当在充分调查项目所在地交通特性的基础上进行工作区深度修正。

3路基回弹模量的影响

对路基进行压实，保证其承载能力和性能稳定的最终目的是使得施工后路基的回弹模量值达

274科技研究

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到或超过设计值，为路面结构提供一个稳定坚实的支撑。在弹性理论中，回弹模量可以综合表征路基的整体刚度，会对荷载的扩散深度和范围产生影响，因此影响着路基工作区深度。研究利用上述有限元模型对路基回弹模量以30MPa进行等量递增，从30MPa至150MPa进行赋值，仅考虑标准轴

载和超载一倍的工况，

计算结果如图2所示。图2车辆荷载作用下路面底面（B点）的受力状态曲线图

由图2可知，无论是在标准轴载还是超载，

同一工况下砂砾路基工作区深度随路基模量的增加而逐渐增大，但增加值比较缓慢，模量每增加30MPa，其工作区深度增加约10cm，并且增幅表现出先大后小的规律。同一模量下超载比标准轴载作用下

计算的深度有大幅度增加，

约为50%。说明当砂砾路基模量达到60MPa时，进一步提高模量值虽然对于荷载有一定的扩散作用，但也让荷载更加集中于模量大的层位，理论计算值会偏大，导致工作区深度加大，但总体上影响比较小。不同路基模量下超载作用时仍然对路基工作区深度有很大影响。

4沉降差与FWD反演模量双控法

4.1施工质量控制指标选取

控制砂砾路基的变形和确保路基模量达到设计条件是保证路面结构获得均匀稳定支撑的重要条件，必须进行施工压实来实现。根据路基工作区深度和路基设计高度对现状地面进行超挖后应分

层回填砂砾，并采用振动压路机碾压密实，

提高路基的抗变形能力和承载能力，其中施工过程中碾压遍数、层厚，以及振动频率等参数应根据质量控制指标和试验段进行确定[5]。

由于砂砾路基填料松散，

粒径较大，难以采用细粒土的压实度指标判定施工压实质量，从根据路面对路基的要求，可以在路基横断面上布设一些关键点，然后通过同一点在碾压前后的沉降差

判断施工质量。另一方面，

路基模量作为路面设计的重要结构参数，随着快速模量检测技术的发展，

以及砂砾材料模量在饱水时的相对稳定，可以考虑通过实测弯沉反演后直接作为施工质量控制指标，使得路基施工控制与设计参数的取值保持一致。

4.2沉降差指标及标准

在项目低填浅挖路段试验段每20m桩距确定

一个判定断面。沿着该断面可将路基左边缘、

左幅行车道外边缘、左幅路中点、路基中点、右幅路中点、右幅行车道外边缘和路基右边缘分别选定为

施工质量控制关键点，埋入钢柱标记，

并依次编号A、B、C、D、E、F、G。初步碾压密实后，

采用精密水准仪对关键点的高程进行测量，标注对应点的高程a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1，然后再开动强振功能对

砂砾路基进行振动密实，

达到确定的碾压遍数。最后，再对关键点进行复测，记录高程a2、b2、c2、d2、

e2、f2、g2，对应点两次测量的高程差即为沉降差，

如，沉降差的平均值和均方差按公式（1）和（2）计

算，该项目中n=7。

nΔH=滓=

根据道路姨移i=1ΔH/n

（1）

等级、移ni=1渊ΔH-ΔH冤2/n（2）

砂砾路基特性、

路基工作区深度（或换算成路床的范围）

，在进行现场关键点高程观测时，施工质量控制标准可确定为：

城市主干路砂砾路基关键测点不少于7个，上路床30cm范围内最大沉降差应不大于3mm，平均沉降量应不

大于1.5mm，标准差不大于1。下路床

（30cm～回填砂砾底部）范围内最大沉降差应不大于5mm，平均沉降量应不大于3mm，标准差不大于1.5。4.3落锤式弯沉仪反演模量及标准

路基模量的现场测试方法以往通常采用承载板法，也可以根据贝克曼梁测试弯沉并通过经验

公式反算出回弹模量值，最后进行季节修正，

但这两种方法均具有对测试环境要求严格、操作过程繁琐及效率低等问题。釆用落锤式弯沉仪（FWD）实测动态弯沉，并根据弯沉盆数据反演结构层模量广泛应用于旧路面检测之中，是进行结构层承载能力评估的重要手段。通过建立线性反演模量和路基承载板试验的关系可以用于砂砾路基模量的快速检测，试验数据统计分析后取均值汇总如表4所列。

由上述试验结果可知，

该项目FWD试验后反演所测得的模量值是承载板试验均值的1.52倍，在工程应用时，必须对这种差异进行分析并修正。根据不同测试方法的工作原理和数据处理的方

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表4不同模量测试方法对比一览表

设计指标承载板试验FWD试验

模量75.58115.39

基本方法弹性半空间线性反演

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MPa说明回弹弯沉动态弯沉

科技研究275法，分析可知FWD测得的是动态弯沉盆，若忽略砂砾路基的非线性特性，不考虑沿着测点纵向和径向模量由于应力状态变化而产生的差异，则通过线形反演得到的模量值可以代表着砂砾路基在动荷载作用下的综合变形特性。而承载板试验得到的模量值是静态回弹模量，表征砂砾路基卸载后的弹性性质。针对动态和静态两种模量的差异，国内外也进行了深入研究，试验结果普遍表现出前者大于后者的特点，根据材料的不同基本上为

因此，为了提高施1.3～2.2倍，可认为是系统差异。

该项目可采用FWD动态工检测效率和保证质量，

弯沉反演模量的方法，经过系统修正后（该项目模量修正系数可取1.5）对砂砾路基承载能力进行评定，其标准可与路基设计回弹模量保持一致。

强、稳定性好，适用于软弱地基处低填浅挖路段的

工程需要。标准荷载作用下的路基工作区深度应比规范值应提高10～20cm。

（2）超载和轴型都对路基工作区深度具有明显的影响，其中超载的影响最为显著。随着砂砾路基的模量的增加，对荷载扩散效应起到一定作用，但另一方面却让荷载更加集中于高模量结构层，使

路基模量每增加30MPa，得路基工作区深度加大，

路基模量需深度增加约10cm。考虑到施工效率，

要严格控制达到设计值即可，但高模量路基对于工作区深度并不起到显著降低作用。

采用路（3）压实度指标对于砂砾路基不适用，

基横断面上关键点压实前后的沉降差，以及FWD所测得的动态弯沉值反演模量双指标，可以从变形和承载能力两方面对砂砾路基的施工质量进行有效控制。

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5结语

研究为低填浅挖路段路基填料的选择与施工

过程中进一步理解砂砾的工程特性、不同工况下路基工作区的合理深度以及施工质量控制提供了理论分析依据。主要研究成果如下：

承载力（1）采用砂砾作为路床范围内的填料，

（上接第263页）

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InfluenceofCracksonSafetyPerformanceofConcreteBarriers

LiuRui,ChenJiulong,GaoJianyu,GongShuai,WangYuan(267)

Abstract:Theinfluenceofcracksonthesafetyperformancesofthe280KJsingle-slopeandF-typeslopereinforcedconcretebarriersand520KJcompositebarriersarecalculatedandanalyzedbythefiniteelementsimulationmethod.Thetestsectionofthecracked280KJsingle-slopeandF-typeslopereinforcedconcretebarriers,and520KJcompositebarriers,andthetestsectionof520KJfiberglassreinforcedconcretebarriersaresetup.Therealvehiclecrashtestissuedtofurtheranalyzetheinfluenceofcracksonthesafetyperformanceofconcretebarriers.Thestudyresultshowsthatconcretebarriersarediscontinuousatthecracks,buttheexistenceofconcretelongitudinalandverticalreinforcementsmakestheintegralsafetycapacityofthebarriersasthelongitudinalcontinuousstructurenotyetweakened.Therefore,thecracksofconcretebarriershavelittleinfluenceonitsintegralsafetyperformance.

Keywords:crack,concretebarrier,fiberglassreinforced,safetyperformance,finiteelementsimulation,realvehiclecrashtest

StudyonDepthandConstructionQualityControlofGravelSubgradeWorkingAreainLowFillingandShallowExcavationSection

GuoYanjun(272)

Abstract:Thispaperdiscussesthegeotechnicalparametersandstrengthperformanceofgravelsubgradestuffinginlowfillingandshallowexcavationsection.Accordingtothecharacteristicsofloosematerial,theratioofadditionalloadstresstodeadweightstressofsubgradeiscalculatednumericallybasedonABAQUSfiniteelementsoftware.Theworkingareadepthofgravelsubgradeunderoverloadandmulti-axisloadingisanalyzedindepth.Itisfoundthattherangeofsubgradeunderstandardaxleloadis10~20cmdeeperthanthatundercurrentspecification,andtheoverloadwillhavemoreadverseeffectonthegravelsubgradethanthechangeofaxleshape.Themodulusofsubgradehasacertaineffectonthedepthofworkingarea,buttoolargemodulushasnoobviouseffectonimprovingthesubgradestressenvironment,butitshouldstrictlymeetthedesignmodulusofresilienceofthetopsurfaceofsubgrade.Thispaperpointsoutthatthecompactnessindexisnotsuitableforthequalitycontrolofgravelsubgradeconstruction.Fromtheviewpointofensuringthebasicfunctionsofsubgradedeformationresistanceandbearingcapacity,adouble-indexcontrolmethodandcorrespondingstandardsbasedonsettlementdifferenceofkeypointsinsubgradecross-sectionandFWDlinearinversionmodulusareestablished.Thedynamicinversionmodulusandthestaticresiliencemodulusmeasuredbythebearingplateareanalyzedandcompared.Thispaperputsforwardthemoduluscorrectioncoefficientconvenientfortheapplicationintheconstructionofgravelsubgrade.

Keywords:gravel,subgradeworkingarea,overload,constructionquality,settlementdifference,FWD