高填黃土路基施工原理淺析

曹衛(wèi)東

甘肅省正寧縣縣鄉(xiāng)道路管理站，甘肅慶陽 745300

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以后，高等級(jí)公路的發(fā)展日新月異。由于高等級(jí)公路線形要求縱坡平緩、彎道半徑大，加之甘肅大部分屬黃土高原，溝壑縱橫，路線通過山區(qū)或丘嶺區(qū)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較多的高填和深挖情況，筆者就近幾年在公路工程中的施工實(shí)踐對(duì)此問題進(jìn)行了簡(jiǎn)單的探討。

1 高填黃土路基的施工原理

黃土是一種第四紀(jì)沉積物，以松土顆粒為主，富含石英、長石、方解石、高嶺石等碳酸鈣鹽類，土質(zhì)均勻，比較疏松，具有大孔性，有的黃土還具有嚴(yán)重的濕陷性。甘肅省黃土分布主要在黃河流域及渭河以北地區(qū)，許多的國道省道就是從這里穿過，黃土是公路建設(shè)中重要的工程材料，以黃土高塬的黃土沉積最為典型。

1.1 黃土的工程特性

黃土以黃色、褐黃色為主，有時(shí)呈灰黃色。顆粒組成以粉粒（0.05～0.005mm）為主，含量一般在60%以上，幾乎沒有粒徑大于0.25mm的顆粒，其中粗粉粒（0.05～0.01mm）的含量又大于細(xì)粉粒（0.01～0.005mm）的含量?？紫侗容^大，一般在1.0左右，垂直節(jié)理發(fā)育，因而其滲水性垂直方向大于水平方向，容易形成裂縫、剝落。由于以上特性，黃土的抗剪強(qiáng)度以水平方向?yàn)樽畲螅怪狈较蜃钚。?5℃方向居中。更重要的一點(diǎn)是黃土在一定壓力（即土自重壓力或附加壓力）下，受水浸濕后結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著附加下沉現(xiàn)象，這就是人們常說的黃土的濕陷性，具有這種特性的黃土，我們稱之為濕陷性黃土。根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)表明：由于黃土的濕陷性而導(dǎo)致建筑物地基的下沉量最大可達(dá)60～70cm，由此而產(chǎn)生的裂縫寬度可達(dá)10cm以上。

1.2 土基壓實(shí)原理

黃土土體是由固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三相所組成，亦稱為土粒，水份和空氣組成的三相體系，它們都具有各自特性，相互制約，共同存在于統(tǒng)一的土體之中，反映著黃土的一系列物理力學(xué)性質(zhì)，如抗剪強(qiáng)度、彈性、塑性、滲透性、粘滯性、濕陷性等。壓實(shí)黃土就是用人為的方法來改變土體結(jié)構(gòu)。路基土受壓，土?？障兜目諝獬龢O少在壓力作用下溶于水中外，大部分被排除土外，土粒不斷靠攏使土的內(nèi)摩阻力和粘結(jié)力不斷增加，從而提高了土的強(qiáng)度，同時(shí)由于土粒不斷靠攏，使水份進(jìn)入土體的通道減少而阻力增加，于是就降低了土的滲透性，減少了毛細(xì)水的上升高度。

1.3 土基壓實(shí)中諸因素與壓實(shí)度的影響關(guān)系

1）含水量對(duì)壓實(shí)度的影響。黃土的三相體中，水的存在形式主要有3種，一是強(qiáng)結(jié)合水，它是由于土粒對(duì)于水分子和離子之間的吸引力而致水分緊緊吸附在土粒周圍，并且對(duì)土體的力學(xué)性質(zhì)起著重要影響；二是弱結(jié)合水，由于分子引力附著于強(qiáng)結(jié)合水周圍的水膜，具有定向排列和滲透性。弱結(jié)合水的存在使黃土表現(xiàn)出塑性和粘聚性。在壓實(shí)過程中起到增加土粒之間相互滑動(dòng)的作用；三是自由水，自由水是分布在土粒電分子引力作用范圍以外的孔隙水，它又分為重力水和毛細(xì)水。

黃土最容易壓實(shí)時(shí)的含水量稱之為最佳含水量，用W0表示，與之相應(yīng)的密實(shí)度稱之為最大密實(shí)度用D0表示。我們?cè)趪繥211線銀西公路451k+370～452k+400段土橋水毀修復(fù)工程施工中，實(shí)驗(yàn)測(cè)出的黃土最大干容重D0一般為1.85t/m3-1.95t/m3，最佳含水量一般為12%～15%。

含水量是影響壓實(shí)度的重要因素之一，在最佳含水量時(shí)，土質(zhì)處于硬塑狀態(tài)，最容易獲得最佳壓實(shí)效果。當(dāng)含水量較小時(shí)，土體中的水主要是強(qiáng)結(jié)合水，土粒周圍的水膜很簿，土粒間具有很大的分子引力，阻止土粒移動(dòng)，土體的塑性變形很小，需很大的壓實(shí)外力克服引力，壓實(shí)要達(dá)到最大密度比較困難。當(dāng)含水量達(dá)到最佳含水量時(shí)，土中既有強(qiáng)結(jié)合水，又有弱結(jié)合水，結(jié)合水膜變厚，弱結(jié)合水的存在和增加，使土粒之間的引力和內(nèi)摩阻力減弱，滑動(dòng)性增加，土體的塑性和粘聚性也增加，壓實(shí)效果較好，土粒排列緊密。事實(shí)上，黃土處于最佳含水量時(shí)就是土粒弱結(jié)合水達(dá)到滿足狀態(tài)。當(dāng)含水量超過最佳含水量時(shí)，土中出現(xiàn)了自由水，壓實(shí)時(shí)孔隙中自由水分占居一部分體積且不易立即排出，勢(shì)必阻止土粒的靠攏，因而壓實(shí)效果差。在實(shí)際施工中，最常見的現(xiàn)象是含水量不足以及水分分布不均勻。通常在施工中的做法是攤土灑水碾壓，但由于施工機(jī)具不配套，灑水很難保證均勻，即使使用灑水車灑水，也只僅能保證在平面層次上的均勻含水，并不能保證整個(gè)攤土厚度上均勻含水，這就使得路基成型后經(jīng)行車碾壓發(fā)生不均勻變形。我們?cè)趪繥211線銀西公路451K+370～452K+400段土橋水毀修復(fù)工程的高填土路基施工中采用在取土點(diǎn)預(yù)先放水浸土的方法，有效地解決了這一問題。

2）壓實(shí)機(jī)型和壓實(shí)遍數(shù)對(duì)壓實(shí)度的影響。一般來講，夯擊式機(jī)具的壓力傳布最深，振動(dòng)式次之，碾壓式最淺。我們?cè)趪繥211線銀西公路451K+370～452K+400段土橋修復(fù)施工中的壓實(shí)資料表明，不同的壓實(shí)機(jī)型對(duì)黃土的壓實(shí)效果不同。在含水量相同的黃土中，當(dāng)壓實(shí)機(jī)具不是很重且荷載作用時(shí)間越長，土的密實(shí)度越高。但密實(shí)度的增加速度隨壓實(shí)遍數(shù)的增加而減少，這是因?yàn)橥馏w在荷載作用下，逐漸提高密度，強(qiáng)度也逐漸提高，變形逐漸減少的緣故。當(dāng)壓實(shí)機(jī)具很重時(shí)，土的密實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的增加而迅速增加，超過某一遍數(shù)限度后土的變形急劇增加，甚至達(dá)到破壞。當(dāng)機(jī)具過重，以至超過土的強(qiáng)度極限時(shí)，會(huì)引起土體破壞。破壞的時(shí)間與壓實(shí)機(jī)型、輕重有關(guān)，荷載越重，破壞時(shí)間越短。我們通過對(duì)施工資料分析表明，黃土含水量在11%左右時(shí)（接近最佳含水量），當(dāng)采用推土機(jī)和小型振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)時(shí)，機(jī)型較輕，壓實(shí)度上升較慢，碾壓5遍，壓實(shí)度方能達(dá)到93%；當(dāng)采用8t和15t光輪壓路機(jī)壓實(shí)時(shí)，壓實(shí)度增長速度很快，壓實(shí)4遍，壓實(shí)度就能達(dá)到94.5%，繼續(xù)增加壓實(shí)遍數(shù)，壓實(shí)度有所下降，表明土體出現(xiàn)破壞現(xiàn)象或軟彈現(xiàn)象。在施工檢測(cè)中我們發(fā)現(xiàn)，用振動(dòng)式壓路機(jī)碾壓路基時(shí)，由于表面壓力很大，常使土體破壞，使表層壓實(shí)度往往不夠而表層以下的土體則達(dá)到密實(shí)。光輪壓路機(jī)壓實(shí)比推土機(jī)和振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)效果好。而且壓實(shí)噸位越大，密實(shí)度越高，依據(jù)這一特性，在施工中如果土的含水量低于最佳含水量，且加水又有困難，我們都采用增加壓實(shí)噸位或增加壓實(shí)遍數(shù)的辦法來提高其密實(shí)度。黃土的天然含水量一般在8%～10%之間，當(dāng)采用分層厚度25cm時(shí)，12t～15t壓路機(jī)壓實(shí)5遍，經(jīng)試驗(yàn)壓實(shí)度即可達(dá)到93%以上。

另外，還應(yīng)該注意碾壓速度對(duì)壓實(shí)效果也有很大影響。碾壓速度越高，壓實(shí)效果越差。因此，在施工中應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范控制壓路機(jī)的行駛速度。

3）厚度與壓實(shí)度的關(guān)系。路堤填筑要求分層攤鋪，分層碾壓，分層厚度的大小，這些都直接影響壓實(shí)效果。對(duì)于不同的壓實(shí)機(jī)型和不同的壓實(shí)遍數(shù)，分別有不同的最佳分層厚度。當(dāng)壓實(shí)厚度較厚時(shí)，灑水難以滲透，機(jī)械行走困難，壓實(shí)效果不良；當(dāng)壓實(shí)厚度較小時(shí)，施工中既不經(jīng)濟(jì)，又造成浪費(fèi)。根據(jù)工地試驗(yàn)，最佳含水量時(shí)，采用推土機(jī)或8t～10t壓路機(jī)壓實(shí)，分層厚度適宜選擇20cm；當(dāng)采用12t～15t光輪壓路機(jī)碾壓，分層厚度適宜選擇25cm；若由于工作面限制，機(jī)械難以壓實(shí)須采用人工夯實(shí)時(shí)，分層厚度宜選10cm。分層鋪土要求將土塊打碎成細(xì)土，其目的是增加土粒的表面積，使土粒能夠均勻地吸收更多的水份變成弱結(jié)合水，便于壓實(shí)成型及壓實(shí)機(jī)具均勻行駛。同時(shí)，路基土攤鋪時(shí)要求在松鋪厚度范圍內(nèi)保持平整，因?yàn)楣廨嗢o碾壓路機(jī)與地面接觸基本上是線型接觸，其壓力是個(gè)常數(shù)，如果土基不平整，那么碾壓后各點(diǎn)上土的變形就不同，造成路基強(qiáng)度不均勻。日后易形成不均勻變形及沉降。路基填筑中，平整度一般控制在30mm以內(nèi)，基本可以避免上述問題的發(fā)生。

以上諸因素及其對(duì)壓實(shí)度的影響是相互聯(lián)系、相互制約的。當(dāng)土體中含水量接近最佳含水量時(shí)，路基土的壓實(shí)度與壓實(shí)遍數(shù)、壓實(shí)重量成正比，與分層鋪土厚度成反比。當(dāng)土體含水量小于最佳含水量時(shí)，可采用增加壓實(shí)噸位和壓實(shí)遍數(shù)或減少分層厚度的辦法增加壓實(shí)度，反之亦可減小分層厚度。

[1]劉隴生.濕陷性黃土地區(qū)筑路及壓實(shí)工藝的探討[J].青海交通科技,2000(3).