一种基于回弹模量的路基质量控制施工方法

摘要

本发明涉及固定建筑物中现场铺筑的凝结性铺面技术领域，具体是一种基于回弹模量的路基质量控制施工方法，其步骤为：a.确定路表设计弯沉值ls；b.根据路表计算弯沉值＜路表设计弯沉值，通过计算得出路基顶面抗压回弹模量值E0；c.根据E0值，通过模量衰减法得到路基模量分层控制标准；d.数据处理；回弹模量是道路系统中一个重要的力学参数，在施工过程中能避免压实度可能无法真实反映路基整体强度的不利情况出现；本发明利用计算并通过直接控制路基的力学性能指标来控制路基质量。各分层控制指标是在计算的基础上获得，因而路基施工质量的回弹模量控制法更合理；同时，采用回弹模量来控制路基质量能使路基、路面部门在工程交接验收时衔接更为密切。

说明书

[技术领域]

本发明涉及固定建筑物中现场铺筑的凝结性铺面技术领域，具体是一种基 于回弹模量的路基质量控制施工方法。

[背景技术]

传统的公路路基建设均以压实度法进行路基设计和施工质量控制，比如土 质路基顶面以下0～0.8m深度范围内压实度要求大于或等于96%，0.8～1.5m深度 范围内压实度要求大于或等于94%。一方面，压实度法分层控制指标是根据工程 经验总结获得，缺乏理论计算支持。另一方面，由于填筑方法、填土土质以及 含水量等因素的不同，相同压实度的路基，其力学性能可能会出现较大的差异， 这可能引起两种不利工程情况：1)即使压实度满足规范要求，路基的整体刚度 和强度却无法保证路用性能要求；2)尽管压实度还未达到设计要求，而路基的 整体刚度和强度已经满足路用性能要求。其原因主要是，压实度本质上是表征 路基结构的物理性指标，不能直接反映路基的力学性能。同时，路面部门在路 面设计时要求路基的回弹模量达到设计要求值；而路基部门在路基设计与施工 过程均以压实度为控制指标，因而在工程交接验收时，两个部门之间难以实现 良好的衔接。

[发明内容]

本发明就是为了解决现有技术中路基质量难以达到设计要求等不足和缺 陷，提供一种方法新颖、安全可靠，可实现在不同土质、方法等基础上建造且 符合设计要求的路基的质量控制施工方法。

为实现上述目的，设计一种基于回弹模量的路基质量控制施工方法，其特 征在于所述的路基质量控制施工方法先通过已知设计条件计算出各个分层的模 量要求值，然后通过控制路基的力学性能指标来控制路基质量，具体步骤为：

a.确定路表设计弯沉值l_s；

b.根据路表计算弯沉值＜路表设计弯沉值，通过计算得出路基顶面抗压 回弹模量值E₀；所述的路表计算弯沉值l_s计算方法为：

$l_S=1000\frac{2\mathrm{P\delta }}{E_1}{\alpha }_{c}F,$其中：${\alpha }_c=f(\frac{h_1}{\delta },\frac{h_2}{\delta },...,\frac{h_{n-1}}{\delta },\frac{E_2}{E_1},\frac{E_3}{E_2},...,\frac{E_0}{E_{n-1}}),$式中：l_S为路表计算弯沉值，单位为： 0.01mm；F为弯沉综合修正系数；p为标准车型的轮胎接地压强，单 位为：MPa；δ为标准车型的轮胎当量圆半径，单位为：cm；α_c为理 论弯沉系数，通过专用程序或诺模图计算；E₀为路基顶面抗压回弹模 量值，单位为：MPa；E₁，E₂，……，E_n-1为路面各层材料抗压回弹模 量值，单位为：MPa；h₁，h₂，……，h_n-1为路面结构层厚度，单位为： cm；其中，路面材料回弹模量E_i可根据室内试验确定，路表实际弯 沉值l_s是路面层厚度h_i、路面材料的回弹模量E_i和路基顶面抗压回弹 模量值E₀的复杂函数，实际弯沉值l_s需满足l_s<l_d的条件，按上述公式 可计算出满足设计要求的路基顶面抗压回弹模量值；计算可采用试算 法：先拟定某一E₀值从而求得F和α_c值，然后试算弯沉值l_s是否小于 设计弯沉值l_d；若满足则E₀符合要求；反之则继续试算直至获得适 合的E₀值，该计算可采用人工计算或电算程序进行。

c.根据E₀值，通过模量衰减法得到路基模量分层控制标准；所述的模量 衰减法为：路基设计时将轮载简化为当量圆均布荷载，根据圆形均布 荷载应力衰减曲线，对路基顶部回弹模量进行沿深度方向同比例的衰 减，并通过对圆形均布荷载下路基中竖向应力σ₁以及各分层回弹模量 E_i的计算获得模量分层控制指标的具体值；路基回弹模量衰减分析时， 应减去路面折算成路基的当量厚度，当量厚度为2.5～3m，即路基深度 2.5m～3m以下位置处，所述的圆形均布荷载下路基中竖向应力σ₁的计 算方法为：σ₁＝α·p，式中：p为均布荷载，单位为：kN；α为应力系 数，计算点位于荷载作用处中心点下方时，R为 应力圆面积的半径，单位为：m；Z为考虑路面的当量厚度换算以后 的路基深度，单位为：m；各分层回弹模量计算方法为：E_i＝α·E₀， 式中：α为应力系数，计算点位于荷载作用处中心点下方时， E_i为路基不同深度处的回弹模量，单位为：MPa； E₀为路基顶面抗压回弹模量值，单位为：MPa。

d.数据处理；所述的数据处理为：按圆形均布荷载应力衰减曲线进行回 弹模量的衰减计算，最终模量控制值中保证E₀₄不小于20MPa，计算 得到E₀₁、E₀₂、E₀₃、E₀₄后即可控制施工并选择填料、填筑压实及基 底处理，路基压实时根据回弹模量分层控制标准进行路基压实质量控 制，保证路基各层满足各分层模量控制标准。

所述的路表设计弯沉值l_d计算方法为：l_d＝600N_e^-0.2A_cA_sA_b，式中：l_d为设 计弯沉值，单位为：0.01mm；N_e为设计年限内一个车道累计当量轴次，单位为： 次/车道；A_c为公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三、 四级公路为1.2；A_s为面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0，热拌和冷拌沥青 碎石、沥青贯入式路面，含上拌下贯式路面、沥青表面处治为1.1；A_b为路面结 构类型系数，根据公路路面典型结构或标准断面可确定路面类型，半刚性基层 沥青路面为1.0，柔性基层沥青路面为1.6。

沥青路面的当量厚度换算公式为：式中：Z₀为换算为路基 土层的当量厚度，单位为m；h_i为路面各层厚度，单位为m；E_i为路面材料的回 弹模量，单位为MPa；E₀为路基土的回弹模量，单位为MPa；m为指数，对于 多层沥青路面m=2.5。对于常见的公路沥青路面结构，根据上式计算得到的沥青 路面当量厚度Z₀=2.5～3.0m。

本发明同现有技术相比，其优点在于本发明利用理论计算提供路基各个分 层的模量要求值，通过直接控制路基的力学性能指标来控制路基质量。回弹模 量是道路系统中一个重要的力学参数，直接反映路基的力学性能，在施工过程 中能避免压实度可能无法真实反映路基整体强度的不利情况出现；各分层控制 指标是在计算的基础上获得，因而路基施工质量的回弹模量控制法更合理；同 时，采用回弹模量来控制路基质量能使路基、路面部门在工程交接验收时衔接 更为密切。

[附图说明]

图1是本发明的主要流程示意图；

图2是本发明的回弹模量分层控制指标示意图；

图3是本发明实施例中路面结构组合6层体系的实施例示意图；

其中：1.当量圆均布荷载  2.应力衰减曲线  3.路基分层模量控制指标；

指定图1为本发明的摘要附图。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作进一步说明，这种装置的结构和原理对本专业的 人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发 明，并不用于限定本发明。

本发明为一种回弹模量路基施工质量控制方法，其利用理论计算提供路基 各个分层的模量要求值，通过直接控制路基的力学性能指标来控制路基质量。

公路设计任务书中提供了公路等级，面层、基层等级和设计使用年限等已 知条件，根据上述条件可计算获得路表设计弯沉值l_d。

l_d=600N_e^-0.2A_cA_sA_b            式(1)

式中：l_d──设计弯沉值（0.01mm）；

N_e──设计年限内一个车道累计当量轴次（次/车道）；

A_c──公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1， 三、四级公路为1.2；

A_s──面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0，热拌和冷拌沥青碎石、 沥青贯入式路面（含上拌下贯式路面）、沥青表面处治为1.1；

A_b──路面结构类型系数，半刚性基层沥青路面为1.0，柔性基层沥 青路面为1.6。

各个地区都有公路路面典型结构或标准断面，由此可确定路面结构类型、 路面层厚度h_i等参数。路面材料，如级配沥青混凝土、二灰砂砾、级配碎石等 是人工生产材料，性质均匀，其回弹模量E_i可根据单轴压缩试验（圆柱体法） 或室内承载板试验确定。单轴压缩试验（圆柱体法）可参见《公路工程沥青及 沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）中T0713—2000节；室内回弹模量试验 可参见《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）中T0135—1993节。同时，在《公 路沥青路面设计规范》（JTGD50—2006）的附录E中也提供了常规路面材料的 回弹模量设计参考值。路表实际弯沉值l_s是路面层厚度h_i、路面材料的回弹模量 E_i和路基顶面抗压回弹模量值的复杂函数，且实际弯沉值l_s需满足l_s<l_d的条件， 按式(2)和(3)可计算出满足设计要求的路基顶面抗压回弹模量值。计算可采用试 算法：先拟定某一E₀值，通过式(3)求得F和α_c值，然后试算式(2)确定的弯沉值 l_s是否小于设计弯沉值l_d。若满足则E₀符合要求；反之则继续试算直至获得符 合要求的E₀值。该计算可采用人工计算或专用电算程序进行，以简化计算过程。

$l_S=1000\frac{2\mathrm{P\delta }}{E_1}{\alpha }_{c}F$      式(2)

其中：

$\left(\begin{array}{c}{\alpha }_c=f(\frac{h_1}{\delta },\frac{h_2}{\delta },...,\frac{h_{n-1}}{\delta },\frac{E_2}{E_1},\frac{E_3}{E_2},...,\frac{E_0}{E_{n-1}})\\ F=1.63{\left(\frac{l_S}{2000\delta }\right)}^{0.38}{\left(\frac{E_0}{p}\right)}^{0.36}\end{array}\right)$       式(3)

式中：l_S──路表计算弯沉值(0.01mm)；

F──弯沉综合修正系数；

p──标准车型的轮胎接地压强(MPa)；

δ──标准车型的轮胎当量圆半径(cm)

α_c──理论弯沉系数，可通过诺模图计算；

E₀──路基顶面抗压回弹模量值(MPa)；

E₁，E₂，……，E_n-1──路面各层材料抗压回弹模量值(MPa)；

h₁，h₂，……，h_n-1──路面结构层厚度(cm)；

f为函数，由于该函数很复杂，故一般不通过计算来获得α_c的值， 而是通过诺模图（已经将h1/δ，h3/δ，…，hn-1/δ，E2/E1,E3/E2,…，E0/En-1 与αc的关系绘制成标准图表，若知道了前面参数的值就可在诺模图中找到对应 的αc值）来求解。

荷载作用与道路上，产生的竖向应力和应变会随深度递减，因而路基各层 应按强度和模量自上而下递减的方式组合，这样可充分发挥各结构层材料的能 力。本方法中将路基分为4层，从上至下依次采用4个回弹模量分层控制指标 (E01、E02、E03、E04)对路基的施工质量进行控制。路基设计时将轮载简化为 当量圆均布荷载，根据圆形均布荷载应力衰减曲线，对路基顶部回弹模量进行 沿深度方向同比例的衰减，以获得模量分层控制指标的具体值。根据布辛奈斯 克解计算得到路基内部各个深度处的竖向应力。法国数学家布辛奈斯克 (J.Boussinesq)指出，在地基表面作用有竖向集中荷载P时，在地基内任意一点的 应力分量及位移分量可用弹性理论求解得出，并给出了具体的计算公式。该计 算方法对本领域的技术人员来说是公知的，故在此不做赘述。将竖向应力沿深 度绘制在图上便得到了圆形均布荷载应力衰减曲线。根据应力衰减曲线，对路 基顶部回弹模量进行沿深度方向同比例的衰减，以获得模量分层控制指标的具 体值，图2是模量沿深度的分布曲线。计算圆形均布荷载作用下路基中的竖向 应力分布时，应考虑路面对路基的影响，将路面厚度折算为与路基同性质的当 量厚度。沥青路面的当量厚度换算公式为

$Z_0=\Sigma {h_i}^m\sqrt{\frac{E_i}{E_0}}$

式中：Z₀——换算为路基土层的当量厚度（m）；

h_i——路面各层厚度（m）；

E_i——路面材料的回弹模量（MPa）；

E₀——路基土的回弹模量（MPa）；

m——指数，对于多层沥青路面m=2.5。

对于常见的公路沥青路面结构，根据上式计算得到的沥青路面当量厚度Z₀一般在2.5～3.0m之间，为了计算上的简便，优选将Z₀保守取值2.5m。

圆形均布荷载下路基中竖向应力σ₁的计算公式见式(4)。

σ₁＝α·p             式(4)

式中：p──均布荷载(kN)；

α──应力系数，计算点位于荷载作用处中心点下方时， $\alpha =1-\frac{1}{{(1+R^2/Z^2)}^{1.5}};$

R──应力圆面积的半径(m)；

Z──考虑路面的当量厚度换算以后的路基深度(m)

回弹模量衰减公式采用与式(4)相同的折减系数α：

E_i＝α·E₀            (5)

式中：E_i──路基不同深度处的回弹模量(MPa)；

E₀──路基顶面抗压回弹模量值(MPa)。

路基回弹模量衰减分析时，应减去路面折算成路基的当量厚度，即从路基 深度2.5m以下位置处，按圆形均布荷载应力衰减曲线进行回弹模量的衰减计算。 最终E₀₁、E₀₂、E₀₃、E₀₄的计算结果见图2和表1。路基对填料的最小强度有要 求，模量控制值中需要保证E₀₄不小于20MPa。路基压实时根据表1中的回弹模 量分层控制标准进行路基压实质量控制，只需保证路基各层满足各分层模量控 制标准即可。

表1

某公路路面类型为沥青混凝土路面，路面结构组合为6层体系，如图3所 示，图中荷载为标准双轮轴载BZZ-100，h为层厚，E为回弹模量，u为泊松比。 该道路路面设计弯沉值l_d为0.31mm，路面各层材料的回弹模量及强度值根据工 程经验可确定，见图3，此时只有E₀是未知数。利用专用电算程序，即英荷Shell 石油公司研究组开发研制BISAR软件进行反复进行试算，每次试算时取一个E₀值，E₀按照一定的差值由小至大进行取值，将会得到一个对应的路表实际弯沉 值ls值，直至满足条件l_s<l_d=0.31mm时结束计算，最终得到路基顶面的回弹模 量控制值为40MPa。最后根据图2中的模量衰减法得到路基模量分层控制标准， 结果见表2。

路基施工时，其质量便按照表中的分层模量值进行控制。利用现场承载板 法即回弹模量的标准检测方法或者其它方法进行模量检测，当路面的模量达到 表1中的要求时，即认为该层路基压实质量已经合格。

表2路基回弹模量控制标准