1、蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文膨脹土路基對(duì)路面工作性能的影響Zornberg, J.G. Fluor Centennial 副教授,土木工程署,德克薩斯大學(xué)(位于奧斯汀),美國(guó)78712 Gupta, R 研究助手,土木工程署,德克薩斯大學(xué)(位于奧斯汀),美國(guó)78712Ferreira, J.A.Z. 研究助手,土木工程署,德克薩斯大學(xué)(位于奧斯汀),美國(guó)78712關(guān)鍵詞:加固路面,膨脹土;土工織物;土工格柵;水分傳感器 摘要；在半干旱、干旱地區(qū)的德州由于膨脹土和季節(jié)變化的的原因而導(dǎo)致水分的波動(dòng)引起路面的大體積變化。據(jù)觀察雨季的浸泡和旱季的收縮導(dǎo)致了路面的起伏變化。以前的德州交通部門(TxDOT)

2、的試驗(yàn)指出這些循環(huán)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致人行道上的結(jié)構(gòu)嚴(yán)重的損壞，且在在縱向上形成裂縫。從傳統(tǒng)意義上來(lái)說(shuō),對(duì)于相關(guān)的問(wèn)題,對(duì)膨脹土通過(guò)移除或以石灰處理路基層的辦法來(lái)解決問(wèn)題。運(yùn)用土工合成材料,提出了將一種土工格柵、土工織物的技術(shù)應(yīng)用到這項(xiàng)研究中,最大限度地減少的縱向裂縫的發(fā)展。具體地說(shuō),本文介紹了施工和結(jié)果監(jiān)測(cè)綜合領(lǐng)域,包括32個(gè)試驗(yàn)路段路面與各種組合加固路段。計(jì)劃包括水分傳感器領(lǐng)域,這個(gè)型材安裝在低于路面施工水平和垂直方向的位置。在不同的試驗(yàn)路段，通過(guò)這些傳感器獲得的信息輔之測(cè)量條件是為了追蹤和評(píng)價(jià)裂縫的發(fā)展。初步測(cè)試結(jié)果表明,這個(gè)監(jiān)控程序的使用可以有效地緩和膨脹土路基在柔性路面縱向裂縫和相關(guān)的體積變化對(duì)

3、路面產(chǎn)生的較大的影響。第 1 頁(yè)蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文1 引言基底加固系統(tǒng)應(yīng)用于路面的目的:(1)提高路面的壽命而維持基礎(chǔ)基層的厚度(2)減少基層的厚度而保持路面的壽命。應(yīng)用三分之一的水泥混凝土路面,即基底加固,提出了在膨脹土路基通過(guò)高度塑料路面構(gòu)造來(lái)控制路面縱向裂縫(Gupta 2009, Zornberget.al 2008, Zornberg and Gupta 2009)。在旱季以前路面的縱向裂縫的發(fā)展是由于拉應(yīng)力引起彎曲引起的。圖1所表示的,認(rèn)為在干季時(shí)導(dǎo)致縱向裂縫的發(fā)展的作用機(jī)理。在其附近有降低土壤的含水量的路面肩膀(圖1a)。這導(dǎo)致的區(qū)域?yàn)橛壹鐓^(qū)域,而不是鄰近中央線的地區(qū)的路面

4、,在干燥的季節(jié)里那里的含水率大約仍然為常數(shù)。另一方面,在潮濕的季節(jié),在土壤中的附近的路面水分增加(圖1b肩膀)。在他的例子里,所舉的事發(fā)生在附近的右肩區(qū)域,而不是在路面中央線附近的地區(qū)。圖1:膨脹組份人行道縱向裂紋發(fā)展的機(jī)制, 第 2 頁(yè)蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文裂縫的開(kāi)展使得所在地區(qū)的水分從人行道的肩最大量的滲透進(jìn)去。曾有報(bào)告指出,縱向裂縫病害容易發(fā)生在臨近結(jié)束時(shí)的天氣干燥的季節(jié)中,這是比較符合這個(gè)設(shè)想的機(jī)制。在膨脹黏土水泥混凝土路面的施工,如德州中部地區(qū)由于水分波動(dòng)引起縱向裂縫的發(fā)展往往會(huì)導(dǎo)致不良的工作表現(xiàn)。這樣的環(huán)境條件通常不能夠完全評(píng)價(jià)水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)特點(diǎn),其特點(diǎn)在于更直接地投資于交

5、通情況而有所差異。目前的研究顯示,在德克薩斯州的這些路面上他們一直在致力于穩(wěn)定膨脹土路基的加強(qiáng)與材料的合成。本文總結(jié)了田野調(diào)查的結(jié)果包括水分監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)調(diào)查,在人行道上在一定程度上研究了這些靈活的加筋土裂紋縱向開(kāi)裂的機(jī)理及效果,，2 工作場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)德克薩斯州的Farm-to-Market2號(hào)路坐落在吉姆縣即在東南部德克薩斯下面，如圖2a?？傞L(zhǎng)度是6.4公里的道路,2.4英里路段位于州際高速公路6(SH 6)西面而后4英里繼續(xù)向東,終點(diǎn)至362站點(diǎn)如圖2b。在SH6和FM362之間的這段路上建立了測(cè)試網(wǎng)點(diǎn)。公路養(yǎng)護(hù)和修復(fù)工程均是測(cè)試網(wǎng)站的一部分。在德克薩斯州的Bryan路段國(guó)家建設(shè)了一段用于監(jiān)測(cè)合成

6、材料強(qiáng)度的車流量較少的路段。第 3 頁(yè)蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文圖2:FM2部分細(xì)節(jié)(a)距離主要城市德克薩斯(b)FSH6至FM362的盡頭試驗(yàn)程序包括加強(qiáng)和加固路段。加固路段利用了3個(gè)土工合成材料的其中一個(gè)類型。第一類土工格柵加筋（G1）或第二類土工加筋（G2）或土工織物（G3）。沒(méi)有加固的部分被標(biāo)簽為G0。進(jìn)一步的,每一個(gè)以上的部分被構(gòu)造過(guò)了lime-treated及非lime-treated的基本項(xiàng)目。因此,構(gòu)建了8個(gè)這樣的部分。為比較評(píng)價(jià),每一組的八種不同的試驗(yàn)路重復(fù)四次，因此一共有32個(gè)測(cè)試部分如圖3(4 reinforcementtypes×4×2穩(wěn)定化方法）F

7、M2被重復(fù)修建。第 4 頁(yè)蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文圖3:在FM2布置測(cè)試部分3，使用水分傳感器現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)水分遷移和縱向開(kāi)裂之間的強(qiáng)的的聯(lián)系在文獻(xiàn)中并未建立。因此，這也是為了評(píng)估人行道上中心和邊緣的微收縮和腫脹的可能性而決定研究路面下的水分遷移。水分傳感器應(yīng)用于該研究來(lái)推斷重力水含量，在特定位置路基利用來(lái)自于Decagon公司的ECH20傳感器，如圖4a如下。他們被附在發(fā)作的數(shù)據(jù)是使用標(biāo)準(zhǔn)堿性電池監(jiān)測(cè)器測(cè)得如圖4b。圖4:使用測(cè)量?jī)x器在田野調(diào)查(a)濕度傳感器(b)數(shù)據(jù)的日志記錄器在柔性路面,瀝青密封層的較低的水力傳導(dǎo)系數(shù)(<10-9 m/s)引起的沖擊到路面表面的降水徑流進(jìn)入排水溝。因此,

8、在本路基的研究中排水溝中被假設(shè)為主要滲透途徑。此外,次要的水源通過(guò)路面的斜坡進(jìn)入路基被確定為滲流。這兩種入水的來(lái)源截面處的路面如圖5a級(jí)。上述路基中四種水分運(yùn)移可能的來(lái)源設(shè)想,包括:(1)通過(guò)水平邊坡垂直滲流,(2)通過(guò)斜坡邊坡路面進(jìn)入(3)通過(guò)pheratic表面橫向滲流的性能,(4)水塘的水垂直滲流進(jìn)入溝里,如圖5b。因此,沿著路面所截取的部分道路其水平和垂直方向的水分截面已經(jīng)被確定。此外,中線的路面假設(shè)為無(wú)流動(dòng)邊界條件作為設(shè)計(jì)目的。因此,水平陣列傳感器位于 第 5 頁(yè)蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文人行道的中線處,垂直陣列傳感器置于離路面下面兩英尺的深度。,(A) (B) 圖5:排水通道低于路面

9、(a)水源入口(b)徑流的邊界條件四個(gè)水分傳感器分別安裝了在給定截面下面的人行道上。對(duì)水平剖面,水分傳感器被放置從彼此的中心開(kāi)始到路面的邊緣每隔兩米的位置處如圖2。垂直水分傳感器被安裝在接近人行道上邊緣的溝里。他們被放置在距離150毫米,300毫米,450mm 600毫米以下的路面和路基層如圖6b。第 6 頁(yè)蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（a） （b）圖6:濕度傳感器 ，(a)水平剖面 (b)垂直水平排列的84號(hào)傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7a。2005年12月后,34號(hào)濕度傳感器有明顯的水分的波動(dòng)，從16%到46%。而含水量下推斷這三傳感器的路沒(méi)有變化，并且接近30%。時(shí)間歷程等時(shí)曲線的時(shí)間歷程的繪制是基

10、于四個(gè)傳感器的測(cè)量如圖7b。這張圖表明,水分變化僅限于路面邊緣的路面,而中心路面仍然保持不變。第 7 頁(yè)蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(a) (b)圖7:84號(hào)點(diǎn)的四個(gè)傳感器的水平水分?jǐn)?shù)據(jù)(a)時(shí)間序列(b)等時(shí)曲線垂直陣列傳感器被安裝在排水溝184號(hào)站點(diǎn)處,一年之后在84號(hào)點(diǎn)安裝了水平陣列傳感器。在184號(hào)點(diǎn)的水分傳感器的時(shí)間序列如圖8。在這個(gè)位置的水分被觀察到有變化從26%到43%，表明在這個(gè)潮濕的環(huán)境的位置盛行的持續(xù)監(jiān)測(cè)土壤的極限收縮值是13%。顯示了所有的傳感器的含水量隨時(shí)間變化,雖然最高的傳感器在讀 第 8 頁(yè)蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文數(shù)上有最大程度上波動(dòng)。圖8.系列8字形:次為垂直方向的水

11、分?jǐn)?shù)據(jù)從四個(gè)傳感器在184站點(diǎn)水分監(jiān)測(cè)的初步結(jié)果表明在路面下該區(qū)域的水分波動(dòng)在水平方向被限制2米而在接近人行道邊緣的垂直方向?yàn)?.3米。而且,在路面施工后路面中心處的含水量仍保持在恒定的水平。由于環(huán)境負(fù)荷的影響在人行道上行外觀測(cè)量。整個(gè)過(guò)程包括是行走的測(cè)試部分的長(zhǎng)度,緊隨其后的追蹤裂縫隨時(shí)間的發(fā)展。從重建的FM2路,進(jìn)行了八個(gè)條件的調(diào)查。這些調(diào)查,分別從2006年得8月到11月間,2007年5月和11月,2008年4月到8月,和2009年的5月。從第一次調(diào)查(2006年5月)到第五調(diào)查(2007年11月)進(jìn)行觀察的縱向裂紋沒(méi)有明顯的變化。這可能是由于路面時(shí)最近被建成的緣故。然而到2008念得4

12、月,縱向裂縫開(kāi)始被觀測(cè)到了。最初,裂縫的發(fā)展在溝里和靠近路面邊緣的土路肩部分,然后隨著時(shí)間的推移拓寬，如圖9所示。隨著時(shí)間的推移,觀測(cè)到這些裂縫接近到了路面上。第 9 頁(yè)蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文圖9:研究基地裂縫隨時(shí)間的的變化兩種重要的觀測(cè)報(bào)告完成了。在有加固部分(有或沒(méi)有石灰處理),這些裂紋是在人行道外面,靠近外部路肩的末端,裂縫的發(fā)展遠(yuǎn)離人行道,如圖10a。另一方面,在這兩個(gè)控制下的裂縫(如下，沒(méi)有加固、截面沒(méi)有石灰處理)開(kāi)始將從路肩向路面發(fā)展如圖10b。裂縫發(fā)展的數(shù)量在路面控制截面的發(fā)生率最高。因此,一個(gè)關(guān)于控制和加固的明顯的區(qū)分被顯現(xiàn)。但是,自從建筑的路面受到一些水分循環(huán)后所有的加固路

13、段似乎表現(xiàn)得更好。圖10 裂縫類型的不同,（a)加固部分（b）未加固部分第 10 頁(yè)蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文5，結(jié)論實(shí)地考察評(píng)價(jià)膨脹粘土的路面構(gòu)造表明：依據(jù)調(diào)察水分波動(dòng)在干旱和潮濕季節(jié)是存在的。水分傳感器顯示了一組接近人行道邊緣的水分波動(dòng)的數(shù)據(jù)。這些水分波動(dòng)的主要原因是由于膨脹粘土縱向裂縫的發(fā)展。人行道縱向裂縫發(fā)展三年后開(kāi)始通車。再進(jìn)一步,加固和不加固下的裂縫開(kāi)展是不同的。加固路面能夠有效的減緩縱向裂縫的發(fā)展。利用土工格柵加固能有效處理加固區(qū)域外的縱向裂縫的發(fā)展。 參考文獻(xiàn)Gupta, R., (2009),對(duì)柔性路面產(chǎn)生較大的影響一項(xiàng)研究,增哲學(xué)博士學(xué)位。論文提交到德克薩斯大學(xué)(位于奧斯汀)Austin, 317pp。Gupta, R., McCartney J.S.,Nogueira, C.L. and Zornberg, J.G.,(2008),“水分運(yùn)移在土工格柵加筋膨脹地基加固，”Geoamericas 2008, Cancun, Mexico。Zornberg, J.G., Prozzi, J.A., Gupta, R., Luo, R., McCartney, J.S.,Ferreira, J.Z.