風積沙路基壓實工藝及控制措施研究

趙文紅

(河北冀通路橋建設(shè)有限公司)

在公路建設(shè)過程中,由于特殊的地理環(huán)境影響,常常會遇到極為松散的風積沙土。風積沙土結(jié)構(gòu)疏松,剖面發(fā)育微弱,當風積沙處于飽和狀態(tài)時具有液化現(xiàn)象,用天然風積沙土修建道路時,常造成道路嚴重破壞,如路基沉陷,路面結(jié)構(gòu)層斷裂或開裂,路基邊坡失穩(wěn),雨水沖刷流失嚴重等病害,給道路建設(shè)和交通運輸?shù)陌l(fā)展帶來嚴重的障礙。利用我國廣泛分布的風積沙做公路路基填料,研究其路用性能,制定道路運營期間病害控制措施尤為重要。

河北省承德市圍場壩上地區(qū)也有著豐富的風積沙土資源,已有圍多公路、棋塞公路、卸克公路多條重要的路線通過這些沙區(qū),并成功應(yīng)用風積沙作為路基填料修筑了多條二級公路,解決了壩上地區(qū)沿線筑路材料匱乏的實際情況,加快了施工進度,大大降低了工程造價。

1 風積沙壓實原理

風積沙是通過碾壓、沖壓等外力手段,克服土顆粒間的粘聚力和內(nèi)摩擦力,將空氣和水分擠出,使土顆粒間相互位移靠攏,從而提高土的密度,以增強土體抵抗外部壓力的能力。對于風積沙來說,由于干燥松散,粉粒與粘粒含量很少,粘聚力近似為零。因此,對沙基施加的壓實力只是用于克服其土顆粒間的內(nèi)摩擦力。

靜力壓路機是利用壓路機自身的靜荷載對材料產(chǎn)生剪應(yīng)力,當剪應(yīng)力接近按壓實材料的最大剪切強度時,材料產(chǎn)生塑性變形,迫使土顆粒相互靠近,移動到更穩(wěn)定的位置。因它受材料性質(zhì)的限制較大,對級配較差的風積沙(不均勻系數(shù)約為 1.4),較難使其顆粒相互嵌擠,達到最佳位置。另一方面,靜碾壓力影響隨著深度的增加而不斷減弱,其靜碾壓力主要集中在表層,有效壓實深度近似等于兩倍壓路機與土顆粒接觸表面的最小橫向距離。這對難于嚴格分層碾壓的沙基極為不利。此外,靜力壓路機工作效率也較低。

振動壓實是通過振動壓實機械的往復(fù)作用,給被壓材料連續(xù)的沖擊力,通常是正弦被動的振動荷載,導(dǎo)致材料強迫振動,振動一方面使材料顆粒間的內(nèi)摩擦力減小,另一方面使顆粒本身產(chǎn)生振動力來消除顆粒間的粘聚力和內(nèi)摩擦力,使顆粒重新排列組合,相互嵌擠,達到最佳密實狀態(tài)。因此,振動壓實理論可簡單地解釋為通過振動壓路機振動輪的誘發(fā)力,使被壓實材料中的顆粒產(chǎn)生共振,而共振減少了材料顆粒間的內(nèi)摩擦力,從而使顆粒移動到密實、穩(wěn)定的狀態(tài)。振動壓路機的壓實作用基本上歸納為:對材料施加了沖擊力,減少了材料顆粒間的內(nèi)摩擦力;由于振動使被壓實材料顆粒易于移動。

對于風積沙來說,由于粘聚力基本為零,振動時易使顆粒處于運動狀態(tài),所需的慣性力也較小,從而使得振動壓力波波及到較大的深度,獲得較大的有效壓實深度和較好的壓實效果,有效壓實深度一般可達到 1～2m。另一方面,從振動原理可知,當振動壓路機的振動頻率接近風積沙的自振頻率時,其顆粒的被迫振幅將增大,同時內(nèi)摩擦力降低,這是獲得良好壓實的有效途徑。因此,振動壓實是對沙基進行壓實的最有效手段。

2 包邊土施工

2.1 包邊土

在風積沙墊層的設(shè)計施工中,包邊土的作用主要是防止或者說是限制風積沙墊層的側(cè)向位移,并防止風積沙路基邊坡遭受風蝕、雨水沖刷,同時當人、畜對邊坡踐踏時,也起一定的保護作用。包邊土在風積沙墊層中的位置見圖 1。

圖 1 包邊土在風積沙路基中的位置

2.2 包邊土的施工

按設(shè)計要求,先掛線放樣,然后指揮汽車或挖掘機在檢測合格的土基上按一定間距倒土,最后由人工鏟(銷)平、并修整。施工時應(yīng)注意揀除草根、剔除大土塊、打碎小土塊,隨時確定不同土質(zhì)的松鋪厚度,以保證松散土體壓實后,其梯形包邊土的上底邊位置達到設(shè)計所要求的高度。具體圖示見圖 2。

圖 2 包邊土施工放樣圖

根據(jù)包邊土的施工情況,并參照土路肩施工的技術(shù)要求,對包邊土的施工作出如下的施工要求,從完成情況看,效果良好。

每一層包邊土的壓實厚度不超過 30 cm,以確保包邊土能夠達到設(shè)計所要求的壓實度,并與所對應(yīng)的風積沙墊層的壓實厚度相一致。

包邊土的壓實度開始規(guī)定為不小于 90%,從現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn),這一規(guī)定的數(shù)值偏小,施工單位一般均可達到壓實度 93%以上。后將包邊土的壓實度規(guī)定為不小于93%。

包邊土的頂面寬度不小于設(shè)計值、內(nèi)邊緣線橫向位置允許偏差不大于 50mm。

橫坡允許誤差不大于 0.5%。

平整度要求為 3m直尺最大間隙不大于20mm。

3 風積沙壓實工藝

根據(jù)擊實試驗的結(jié)果,結(jié)合壩上地區(qū)氣候特點和水文地質(zhì)條件,沙基采用干壓。由于一般壓實機械,特別是靜力光輪壓路機不能直接在沙面上作業(yè),自行式寬體輪胎驅(qū)動光輪振動壓路機(如W 1102系列壓路機)可以在經(jīng)過分層初壓和調(diào)平復(fù)壓的沙基上直接行走作業(yè),這樣不僅可大大提高沙基的壓實效果,而且提高施工效率,具有顯著的經(jīng)濟效益。

3.1 沙基干壓實原則

根據(jù)壓實動態(tài)試驗和現(xiàn)場試驗,沙基干壓實應(yīng)遵循以下原則:

(1)采用振動壓實方法;

(2)振動壓路機應(yīng)選擇重型(大于 104 kg)和寬體輪胎驅(qū)動光輪機型;

(3)碾壓時采用高頻低幅的方式,振動頻率為 40 Hz左右,振幅為 0.4～1mm。

3.2 風積沙碾壓工藝

具體的碾壓工藝流程如圖3所示。

圖 3 沙基干壓實振動壓實工藝流程

(1)填筑沙基:指揮車輛,在填筑好包邊土路槽內(nèi),沿一側(cè)傾倒所需數(shù)量的風積沙,另一側(cè)留做施工工作面。根據(jù)施工圖放樣后,從路線兩側(cè)推筑,一般每層填筑厚度不大于50 cm。

(2)分層碾壓;填筑一層后,由推土機大致整平。并借助推土機履帶碾壓 4～6遍,達到設(shè)計標高。

(3)調(diào)平復(fù)壓:采用鏟運機調(diào)平時進行復(fù)壓,鏟運機自重 3×104kg左右,另裝 10m3左右的風積沙,總重達 4.5×104～5×104kg,利用其寬體的輪胎碾壓 2～3遍。

(4)振動碾壓:調(diào)平復(fù)壓結(jié)束后,由振動壓路機采用高頻、低幅振動將風積沙墊層連同包邊土一起從路基邊緣向路中心碾壓 2～3遍,碾壓速度 3～4 km/h。直到滿足設(shè)計所要求的風積沙和包邊土壓實度,最后由輪胎式壓路機碾壓 2遍。

(5)鋪設(shè)土工布及天然沙礫:按設(shè)計要求鋪設(shè)土工布,并攤鋪約 10 cm的天然沙礫,并用平地機整平。

(6)表層碾壓:天然沙礫整平后,用 1.2×104kg以上的靜力壓路機碾壓 4～6遍,或振動壓路機振動碾壓 3～4遍。這是由于沙基通過直接振動碾壓后,表層(約 10 cm范圍內(nèi))仍處于松散狀態(tài),通過本次碾壓后使其密實,完成對沙基的全面壓實。

風積沙材料如果采用干壓工藝,不但技術(shù)先進、設(shè)計科學,而且施工簡單、檢驗方便,最主要的是在不降低設(shè)計標準的前提下,最大限度地降低了工程造價。

4 壓實過程中應(yīng)注意的問題

4.1 施工機械對壓實層的影響

一般而言,地基穩(wěn)定的風積沙路基具有沉降量小,沉降速度快,沉降均勻及水穩(wěn)定性好等優(yōu)點,但風積沙在天然狀態(tài)下呈松散狀態(tài),內(nèi)聚力幾乎為零,抗剪能力很差,在外力作用下易發(fā)生移動。工程實踐表明,風積沙路基填筑過程中機械會對下壓實層產(chǎn)生擾動影響。

風積沙路基在碾壓過程中不同機械組合的碾壓方式中對下層均有一定擾動,同時對下層風積沙密度也有影響,試驗結(jié)果表明其影響范圍在0～80 cm。

因此,在風積沙路基填筑時一般需要采取以下措施。

修筑試驗路確定最佳機械組合方式與碾壓工藝。施工前應(yīng)通過試驗路段確立既要達到上面層的壓實度要求,又不會導(dǎo)致對下承層有過大擾動的壓實遍數(shù)及機械組合方式。經(jīng)過在試驗段上反復(fù)碾壓,得出風積沙壓實最佳的機械組合方式為:采用T140以上推土機配合 18 t以上雙驅(qū)動壓路機進行碾壓,其最佳的機械組合方式根據(jù)壓實控制區(qū)間確定,見表 1。

另外,可用水墜法配合推土機碾壓,且水頭高度 15 cm時,T140以上推土機碾壓 7遍時,即可接近最大干密度,如果再碾壓就會出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。

4.2 對施工車輛的控制

風積沙易剪切破壞,因此在施工上土過程中以翼側(cè)開始,作業(yè)段不宜過長。車輛在風積沙路基上要避免車輛在路基上卸料時調(diào)頭,打小轉(zhuǎn)向、剎車等,這樣車輛行走順暢,安全省工省時,如果按常規(guī)方法上土施工,車輛在路基上行走路線長,卸土時要調(diào)頭打小轉(zhuǎn)向,重載車與空返車對行,對風積沙的路基面破壞性極大,直接影響上土后二層施工的壓實度,同時增加了施工作業(yè)難度,造成不應(yīng)有的浪費。

表 1 機械組合方式表

4.3 避免液化現(xiàn)象

下層飽和松沙在震動荷載作用下,由于原先由沙礫間傳遞的有效應(yīng)力傳給孔隙水承擔,引起孔隙水的上排和沙礫在一定時間內(nèi)的懸浮,導(dǎo)致部分或全部強度喪失,造成沙土變?yōu)橐环N類似液體的狀態(tài),造成路基失穩(wěn)的后果。所以,在施工中除了加強弱振壓實,增大密實度外,還對邊坡進行了夯實加固,嚴格控制包邊土尺寸。為了防止在施工或日后使用荷載下發(fā)生液化,應(yīng)采用“疏導(dǎo)為主”的處理方法,加強排水、泄水系統(tǒng)的疏通、引導(dǎo),使中央分隔帶的水通過泄水槽排入邊溝,從而使水較少滲入路基,以免影響投入使用的路基路面強度。

5 結(jié) 語

通過研究風積沙路用性能,針對其結(jié)構(gòu)疏松,剖面發(fā)育微弱,處于飽和狀態(tài)時具有液化現(xiàn)象的特點,對風積沙路基施工采用包邊土,并進行了包邊土斷面設(shè)計和施工控制要求制定,對包邊土內(nèi)的風積沙采用分層填筑,干壓施工,確保了風積沙路基的施工質(zhì)量,減少了道路運營期間的病害發(fā)生,避免了遠運換填材料,加快了施工進度,降低了施工成本。

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