高液限土路堤土質(zhì)特性與施工工藝研究

盧劍雄

(湖南省湘筑工程有限公司)

1 工程簡(jiǎn)介

G高速公路是滬蓉國(guó)道主干線重要的一段,其中 B1、B2合同段位于渝東偏東南部位,屬于西南山區(qū)氣候,潮濕多雨,而且路段地下水系發(fā)達(dá)。這里廣泛分布著含水量較大的潮濕性土,它們多為高液限粘土或高液限粉土,其含水量普遍達(dá) 35%以上,并且分布較深。經(jīng)地表調(diào)查及工程鉆探揭露,場(chǎng)地內(nèi)覆蓋層主要為褐黃色的紅粘土,挖方段落的覆蓋層達(dá)十幾米且為含水量過(guò)大(48%～53%)、塑性指數(shù)不合格(32%～35%)的高液限土,而且紅粘土層在水平方向上厚度變化較大,未發(fā)現(xiàn)有裂隙發(fā)育。覆蓋層以下的巖石為液性指數(shù)偏高、塑性指數(shù)合格的軟質(zhì)泥巖,其含水量仍達(dá) 43%～48%,該種巖石的特點(diǎn)為遇水軟化,雪融后翻漿。

(1)K0+590～K0+690段:基巖埋深較大,上覆紅粘土層厚度 9.10～19.60m。

(2)K1+480～K1+980段:K1+600～K1+800段地質(zhì)條件較好,該段鉆孔揭露深度內(nèi)均為基巖;其余地段上覆紅粘土層厚度 5.20～11.80m。

(3)K3+200～K3+270段:上覆紅粘土層為 4.50～6.20m。

(4)K3+940左幅道路中心線:該孔上覆紅粘土層厚8.20m,且7.00～8.20m有土洞發(fā)育。

2 高液限土土質(zhì)特性研究

2.1 高液限土常規(guī)物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)定

為進(jìn)一步查明石忠路高液限土物理力學(xué)性質(zhì),同時(shí)考慮到高液限土填筑路堤在復(fù)浸水不利情況下的結(jié)構(gòu)相似性,分別在不同路段路塹基底鉆取原狀土樣 25組,進(jìn)行土工常規(guī)測(cè)試得到主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

通過(guò)測(cè)試統(tǒng)計(jì)所得石忠路高液限土含水率約為33.92%;天然密度約為 1.84g/cm3;孔隙比約為 1.023;飽和度約為 92.15;液限約為 44.86%;塑限約為 25.19%;抗剪強(qiáng)度(固結(jié)快剪):黏聚力 c取 26.3kPa;內(nèi)摩擦角 φ取 13.2°;壓縮系數(shù)約為0.29MPa-1。按《巖土工程勘察規(guī)范》可知這類(lèi)高液限土屬于紅黏土,但在此基礎(chǔ)上又具有抗剪強(qiáng)度偏低,壓縮性偏高的特殊性,大體來(lái)說(shuō)仍符合高液限土的宏觀范疇。通過(guò)計(jì)算含水比為0.756,按《巖土工程勘察規(guī)范》劃分紅黏土的復(fù)浸水特性屬I(mǎi)類(lèi),即收縮后復(fù)浸水膨脹,能恢復(fù)到原位。

2.2 高液限土路堤填料壓實(shí)度控制指標(biāo)測(cè)定

路堤施工時(shí)壓實(shí)度的主要控制指標(biāo)是最大干密度和最佳含水量,針對(duì)不同填料一般通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定其相應(yīng)的指標(biāo)。對(duì)于高液限土,其土粒成分主要為細(xì)粒土,根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ051-93)中的標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)(T0131-93),通過(guò)干土法來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。取 G高速公路高液限土路段現(xiàn)場(chǎng)挖方土樣,所做的室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖 1所示,由此可得出該土樣在最佳含水量 15%下可得最大干密度1.80kg/cm3。

由于施工現(xiàn)場(chǎng)所填筑的土來(lái)源不一,同一處所取的土體也隨開(kāi)挖從外到內(nèi)風(fēng)化程度逐步減弱,填筑的土體顆粒相當(dāng)不均勻,甚至隨著取土開(kāi)挖深度的加深而大顆粒土壤比例逐漸增加。而室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn),要求試驗(yàn)用土樣要過(guò)38mm的篩子,取 38mm篩下的土樣留用作為試驗(yàn)用土樣,因此,當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)填筑土體中大于 38mm超尺寸顆粒土的含量在 3%～30%的時(shí)候要進(jìn)行校正。

圖 1 最大干密度及最佳含水量圖

2.3 高液限土結(jié)構(gòu)特性研究

(1)抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律研究。

考慮到高液限土隨分布不同其含水量變化較大,為測(cè)定高液限土抗剪強(qiáng)度隨含水量的變動(dòng)而變化的情況,特選取15%、25%、35%三個(gè)不同含水量條件下測(cè)定其各自的抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)選用ZJ-2型等應(yīng)變直剪儀,不同含水量條件下測(cè)得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)平均值列于表 1中。

表1 含水量與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)關(guān)系

由此可見(jiàn)高液限土的抗剪強(qiáng)度隨著含水量的增加而大幅度降低,由此說(shuō)明水對(duì)高液限土具有很大的影響作用。

(2)壓縮性能變化規(guī)律研究。

由于高液限土高壓縮性,土壤顆粒細(xì)小等特點(diǎn),在利用高液限土填筑路堤并對(duì)高液限土路堤進(jìn)行沉降分析時(shí),應(yīng)注意路堤堤身的沉降情況,而這首要問(wèn)題就是必須了解堤身填料的壓縮性能。取本項(xiàng)目高液限土挖方材料進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn),按規(guī)范要求的壓實(shí)度制備高液限土填筑土樣,對(duì)其進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。另一方面,為探討高液限土壓縮性隨不同含水量變化而變化的情況,特針對(duì) 15%最佳含水量并按 93%規(guī)范要求壓實(shí)度壓實(shí)后的土樣與 35%原狀高液限土的壓縮性能進(jìn)行對(duì)比,研究其壓縮指標(biāo)的變化趨勢(shì)。

試驗(yàn)采用高壓固結(jié)壓縮儀,杠桿比例 20∶1,環(huán)刀直徑50cm2,分別進(jìn)行三組試驗(yàn),得到最佳含水量以及規(guī)范要求壓實(shí)功壓實(shí)下的土樣壓縮性能,三組e-p曲線如圖 2所示,變動(dòng)幅度不大,可近似取壓縮系數(shù) α1-2在 0.17～0.20MPa-1,可見(jiàn),標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)后的高液限土土樣仍有一定的壓縮程度。

原狀高液限土含水量平均為 35%左右,通過(guò)之前高液限土基本物理力學(xué)性能試驗(yàn)可知其壓縮系數(shù)一般為 0.28～0.34MPa-1,而 15%最佳含水量的土在 93%的壓實(shí)功壓實(shí)后,其壓縮系數(shù)變?yōu)?0.17～0.20MPa-1。由圖中變化程度可以看出,高液限土的壓縮性能隨著含水量的增大以及外界初始荷載條件的減小而大幅度提高,也從另一個(gè)方面反應(yīng)出水對(duì)高液限土的影響。

圖 2 高液限土路堤填料 e-p曲線

(3)高液限土結(jié)構(gòu)特性分析。

上述兩項(xiàng)補(bǔ)充試驗(yàn)為不同含水量條件及壓實(shí)情況下高液限土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和壓縮性能的變化,說(shuō)明了高液限土結(jié)構(gòu)本身對(duì)含水量變化和外界荷載影響較敏感,是一種結(jié)構(gòu)變動(dòng)很大的土。這也是由高液限土親水,粒徑小,塑性大等特點(diǎn)決定的。首先,隨著填筑,外界荷載逐步增大,填料中水逐步消散,填筑土體自身結(jié)構(gòu)必然持續(xù)改變,而且結(jié)構(gòu)變動(dòng)程度也比一般的填料要高,必然引起路堤堤身一定程度的沉降;其次,由于當(dāng)?shù)貝毫拥臍夂颦h(huán)境,在高液限土路堤運(yùn)營(yíng)期間,隨著雨雪反復(fù)滲入浸潤(rùn),同樣使得填筑土體結(jié)構(gòu)持續(xù)改變,一方面降低填料強(qiáng)度,影響路堤堤身穩(wěn)定性;另一方面也會(huì)造成路堤堤身的不均勻沉降。

3 高液限土路堤施工工藝研究

3.1 施工現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度影響因素分析及其控制方法

(1)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度影響因素分析。

①含水量控制。現(xiàn)場(chǎng)填筑填料時(shí)應(yīng)參考室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo),尤其是對(duì)于高液限土,必須嚴(yán)格控制填料的含水量在最佳含水量附近,一般要求左右偏差不超過(guò) 2%～3%。

②松鋪厚度。在同樣的壓實(shí)功作用下,不同的松鋪厚度有著不同的壓實(shí)效果。松鋪厚度如果過(guò)大,壓實(shí)功消散較快,不能將松鋪層整體壓實(shí),很難達(dá)到指定的壓實(shí)度,過(guò)小填料自身反作用力增大,會(huì)出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。

③碾壓遍數(shù)。通常松鋪厚度和碾壓遍數(shù)可以結(jié)合起來(lái)考慮,針對(duì)具體的路段應(yīng)該設(shè)計(jì)不同的松鋪厚度,并找出各自穩(wěn)定的碾壓遍數(shù),再對(duì)比各組松鋪厚度的穩(wěn)定壓實(shí)效果,選擇最合適的松鋪厚度。

④壓實(shí)機(jī)具選擇與組合。壓實(shí)機(jī)具的選擇與組合對(duì)高液限土路基壓實(shí)度的效果有著很大的影響。對(duì)于高液限土路基,應(yīng)采用三輪壓路機(jī)(18～21t)初壓,接著再根據(jù)實(shí)際情況使用振動(dòng)壓路機(jī)碾壓。當(dāng)土質(zhì)為黏土,擊實(shí)最大干容重為1.80kN/m3左右,最佳含水量為 15%左右時(shí),一般采用18t振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí),有膨脹性時(shí),隨膨脹系數(shù)的增大應(yīng)采用更重的振動(dòng)壓路機(jī);對(duì)于顆粒較大的砂性土和碎石顆粒,擊實(shí)最大干容重較大,而且隨含石率的增大而增大,最佳含水量較低,而且隨含石率的增大而降低,一般采用 25t振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)。

⑤碾壓程序。對(duì)于高液限土路基,可先用三輪壓路機(jī)初壓,由路堤外緣向中間碾壓 2～4遍,然后用振動(dòng)壓路機(jī)按照不同情況再碾壓 2～4遍。要求振動(dòng)壓實(shí)每一遍都進(jìn)行壓實(shí)度檢查,統(tǒng)計(jì)達(dá)到要求的壓實(shí)度不同壓路機(jī)所需的遍數(shù)和最佳適宜的碾壓速度,以保證壓實(shí)質(zhì)量并正確指導(dǎo)之后的施工。

(2)施工現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度控制注意事項(xiàng)。

碾壓前,必須控制填料含水量位于最佳含水量附近,一般可調(diào)整填料含水量略大于最佳含水量。

為促使碾壓更均勻并提高壓實(shí)效率,土塊應(yīng)打碎至5mm以下,每層松鋪厚度應(yīng)小于 30cm,同時(shí)盡可能使填料含水量均勻。

碾壓后壓實(shí)度難以達(dá)到要求時(shí),或是施工期間降雨,影響之前壓實(shí)效果時(shí),應(yīng)進(jìn)行復(fù)壓處理。

對(duì)于填挖交界處,路堤與路塹兩者土內(nèi)的含水量不相同,密實(shí)程度也不相同,高液限土更容易發(fā)生不均勻沉降。因此,壓實(shí)時(shí)應(yīng)達(dá)到壓實(shí)均勻、緊密,同時(shí),交界處 2m范圍內(nèi)的挖方地基表面應(yīng)挖臺(tái)階翻松,對(duì)比填料含水量,選取適當(dāng)壓實(shí)機(jī)具再進(jìn)行壓實(shí)。

3.2 填筑方案施工要點(diǎn)

(1)施工順序及控制。

路堤填筑過(guò)程中,應(yīng)進(jìn)行沉降和穩(wěn)定監(jiān)測(cè),嚴(yán)格控制填筑速率以免由于加載過(guò)快而造成地基破壞。路堤施工期內(nèi)應(yīng)連續(xù)觀測(cè)路堤沉降變形,控制指標(biāo)為路堤中心線地面沉降速率每晝夜不大于 1.0cm;坡腳水平位移速率每晝夜不大于 0.5cm,其填筑速率應(yīng)以水平位移控制為主,如超過(guò)此限應(yīng)立即停止填筑。

各填筑方案施工順序,見(jiàn)表 2。

(2)片石層填筑。

碎石墊層施工關(guān)鍵是如何將碎石加密到設(shè)計(jì)要求的密實(shí)度。加密方法可選用振實(shí)、夯實(shí)或壓實(shí)的方法,常用的有平振法、插振法、水撼法、夯實(shí)法和碾壓法等。這些方法的壓實(shí)效果、分層鋪筑厚度、壓實(shí)遍數(shù)、最優(yōu)含水量等應(yīng)根據(jù)具體施工方法以及施工機(jī)具通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。當(dāng)無(wú)試驗(yàn)資料時(shí),采用 60～100kN壓路機(jī),每層攤鋪厚度為 30cm,壓實(shí)遍數(shù)為 4～6遍。

表2 各方案施工順序表

碎石墊層底面宜鋪設(shè)在同一標(biāo)高上,如填筑厚度不同,墊層下土層面應(yīng)挖成階梯或斜坡搭接,并按先深后淺的順序施工,搭接處應(yīng)夯壓密實(shí)。各分層的搭接位置應(yīng)錯(cuò)開(kāi) 0.5～1.0m的距離。

為防止碎石墊層邊緣部位砂石的流失和保證碎石墊層排水路徑的暢通,在碎石墊層兩側(cè)應(yīng)堆放砂包。

(3)土工格柵的鋪設(shè)。

應(yīng)在邊坡面以?xún)?nèi) 3.5m的范圍內(nèi)鋪設(shè)。當(dāng)路堤基底處理完后,應(yīng)立即鋪設(shè)土工格柵,然后分層填土壓實(shí),直至基床底面。

應(yīng)將抗拉強(qiáng)度較高的縱幅中線置于垂直線路的方向,其外端不宜露出邊坡面,且內(nèi)縮10cm。

(4)隔水土工布的鋪設(shè)。

鋪設(shè)前對(duì)下承層進(jìn)行修整,人工將表面碎、塊石等堅(jiān)硬凸物清除干凈。

沿橫斷面方向鋪設(shè)土工布,人工將土工布拉平,使土工布平順,松緊適度,用長(zhǎng) 10cm的竹簽將土工布的四角固定。在邊坡處土工布回折 1m,待填土后將預(yù)留部分沿修整好的邊坡反包上來(lái),用竹簽在距路基邊緣 20cm處固定。

相鄰兩幅土工布間搭接 30cm,搭接時(shí)高端土工布置于低端土工布的面上,防止土工布褶皺。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)分析了高液限土基本物理力學(xué)性質(zhì);對(duì)高液限土路堤填料壓實(shí)度控制指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,并考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行一定的修正,同時(shí),探索這兩個(gè)指標(biāo)與土體含石率之間的變化規(guī)律,可以靈活地控制不同情況下的壓實(shí)方法;最后,通過(guò)高液限土抗剪強(qiáng)度以及壓縮性能隨不同含水量等條件變化而變化的規(guī)律研究,對(duì)高液限土的結(jié)構(gòu)性進(jìn)行探討。這些為修筑高液限土路堤研究提供了一定的依據(jù)。

(2)根據(jù)G高速公路高液限土地區(qū)路堤分布狀況,對(duì)高液限土路堤的施工工藝進(jìn)行了分析。分析了施工現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度影響因素、控制方法及填筑方案施工要點(diǎn)。

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