昔格達(dá)土路基填料壓實(shí)度影響因素的試驗(yàn)研究

王維早，許 強(qiáng)

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059;2.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北石家莊050031;3.河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊050031)

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西南地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)正進(jìn)入迅猛發(fā)展階段。很多大型的工程要修建在一些比較特殊的地層，這些地層的適宜性就成為工程建設(shè)研究的重點(diǎn)課題。昔格達(dá)組土就是其中的一種比較特殊的地層，主要是由淺黃色、肉紅色、灰黑色泥巖與淺黃色細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖呈韻律互層的靜水河湖相沉積地層［1－2］，以淺黃色黏土層和細(xì)砂層互層為主，屬于上新統(tǒng)(N2)。由于昔格達(dá)地層形成時(shí)代較新，先期固結(jié)壓力較小，沒有完成沉積成巖作用，是弱膠結(jié)半成巖地層，導(dǎo)致了其具有強(qiáng)度低、性質(zhì)不穩(wěn)定、易滑等工程地質(zhì)問題［3］。昔格達(dá)填料是開挖昔格達(dá)地層后將其各巖性混合在一起形成的，由于其復(fù)雜的工程特性，昔格達(dá)土作為路基填料也具有復(fù)雜的工程性質(zhì)，因此應(yīng)該對(duì)昔格達(dá)土填料引起足夠的重視。

路基壓實(shí)度是衡量道路施工質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是保證道路有足夠高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以及較長使用壽命的關(guān)鍵［4－7］。對(duì)昔格達(dá)土這種特殊填料而言，壓實(shí)度指標(biāo)是否滿足要求顯得尤為重要。筆者在大量現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)影響昔格達(dá)土填料路基壓實(shí)度的因素進(jìn)行研究，為其在路基、壩基工程中的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

1 含水量對(duì)壓實(shí)度的影響

在壓實(shí)過程中，昔格達(dá)土填料的含水量對(duì)所能達(dá)到的密實(shí)度起著非常重要的作用。當(dāng)昔格達(dá)土填料含水量較小時(shí)，其粒間引力較大，在一定的外部壓實(shí)功能作用下，不能有效地克服引力而使土粒相對(duì)移動(dòng)，這時(shí)壓實(shí)效果就比較差。當(dāng)增大昔格達(dá)土填料含水量時(shí)，結(jié)合水膜逐漸增厚，減少了引力，土粒在相同壓實(shí)功能條件下易于移動(dòng)而擠密，所以壓實(shí)效果較好。但當(dāng)昔格達(dá)土填料含水量增大到一定程度后，孔隙中就出現(xiàn)了自由水，此時(shí)自由水填充在孔隙中，從而阻止土粒移動(dòng)，所以壓實(shí)效果又趨下降，故只有在最佳含水量時(shí)，土填料才能被擊實(shí)至最大干密度［8］。

昔格達(dá)填料為一種混合填料，它不同于其它任何單一填料類型，為確定其最大干密度與最佳含水量，對(duì)現(xiàn)場機(jī)械開挖后隨機(jī)混合的填料進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)，在對(duì)現(xiàn)場取樣的試驗(yàn)中模擬了現(xiàn)場壓實(shí)的真實(shí)過程，即將原樣篩除大于40 mm的顆粒后，從濕到干進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1和圖1。

表1 現(xiàn)場隨機(jī)取的昔格達(dá)混合填料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Fruits of compaction test on Xigeda composite filling chosen randomly on site

圖1 現(xiàn)場隨機(jī)取樣擊實(shí)結(jié)果Fig.1 Fruits of compaction test on samples chosen randomly on site

由表1和圖1可知，現(xiàn)場隨機(jī)混合樣因均勻性差別大，最大干密度變化也較大，小值為1.74 g/cm3，大值可達(dá)到1.87 g/cm3，平均值為1.78 g/cm3。最佳含水率變化范圍為11% ～15.5%。

本次試驗(yàn)是在8個(gè)層位上采用18 t壓路機(jī)對(duì)昔格達(dá)土填料壓實(shí)，其含水量與壓實(shí)度的關(guān)系成果如表2和圖2。

表2 含水量與壓實(shí)度關(guān)系結(jié)果Tab.2 Relationship between moisture content and compaction degree

圖2 18 t壓路機(jī)壓試驗(yàn)法含水量與壓實(shí)度的關(guān)系曲線Fig.2 Curve of moisture content and compaction under the test with 18t road roller

由表2和圖2可以看出:當(dāng)昔格達(dá)混合填料中砂巖含量過大時(shí)，混合填料的含水量較低，約為8%左右，當(dāng)混合填料的泥巖含量較高時(shí)，混合填料的含水量較高，約為22%左右。在相同的壓實(shí)方式下路基壓實(shí)度總體上表現(xiàn)出隨含水量的增加先增大而后減小的趨勢;昔格達(dá)土填料的不均一性，導(dǎo)致填料最佳含水量并不是一個(gè)定值，但不同填料條件下路基最佳壓實(shí)效果所對(duì)應(yīng)的含水量總體在12%～17%之間，這與現(xiàn)場擊實(shí)試驗(yàn)所得的最佳含水量為11%～15.5%的結(jié)果相差不多。

2 顆粒級(jí)配對(duì)壓實(shí)度的影響

填料的級(jí)配對(duì)碾壓層所能達(dá)到的密實(shí)度有著明顯的影響。實(shí)踐證明，均勻顆粒的砂、單一尺寸的礫石和碎石都很難碾壓密實(shí)。在路基施工時(shí)，粗料過多或細(xì)料過多，都達(dá)不到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。只有在良好級(jí)配的條件下才能達(dá)到要求的密實(shí)度，也才能滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求。

昔格達(dá)填料是一種混合填料，在現(xiàn)場施工過程中，可以發(fā)現(xiàn)，泥質(zhì)灰?guī)r和砂質(zhì)結(jié)核塊體大，普遍粒徑超過30 cm。它必須要清除掉，否則影響壓實(shí)的效果。對(duì)于較大的泥巖和砂巖，可以敲碎。

本次試驗(yàn)是對(duì)昔格達(dá)土填料碾壓前后做顆粒分析試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如圖3。由圖3(a)可知:昔格達(dá)填料的不均勻系數(shù)Cu=7.8，曲率系數(shù)Cc=2.9，按照規(guī)范滿足Cu≥5，Cc=1～3的要求［5］，說明昔格達(dá)土填料是一種級(jí)配良好的填料。由圖3(b)可知:碾壓后，昔格達(dá)土填料的不均勻系數(shù)Cu=7.3，曲率系數(shù)Cc=2.7，按照規(guī)范滿足Cu≥5，Cc=1～3的要求［5］，昔格達(dá)土填料碾壓前后，它的級(jí)配變化也不大，說明昔格達(dá)土填料是一種級(jí)配良好的填料，其壓實(shí)效果是較好的。

圖3 昔格達(dá)土填料顆粒分析曲線Fig.3 Curve of grading analysis of Xigeda Filling

3 施工工藝對(duì)壓實(shí)度的影響

施工工藝對(duì)路基的壓實(shí)質(zhì)量有著直接的影響，最佳的施工工藝是保證高等級(jí)公路壓實(shí)質(zhì)量的關(guān)鍵，對(duì)昔格達(dá)土路基而言，施工工藝對(duì)路基的壓實(shí)度顯得尤為重要。本次試驗(yàn)主要研究昔格達(dá)土填料的松鋪厚度、碾壓方式和碾壓遍數(shù)對(duì)昔格達(dá)土路基壓實(shí)度的影響。

3.1 松鋪厚度對(duì)壓實(shí)度的影響

松鋪厚度對(duì)壓實(shí)度具有非常明顯的影響，松鋪厚度較薄時(shí)，對(duì)面積施工而言浪費(fèi)經(jīng)費(fèi)，而且拖延施工進(jìn)度，松鋪厚度較厚時(shí)，路基的密實(shí)程度達(dá)不到要求，需要合理的確定松鋪厚度，不同壓實(shí)機(jī)械的有效壓實(shí)深度各有不同。因此，規(guī)范要求路基應(yīng)分層壓實(shí)。對(duì)路基填料分層的最佳松鋪厚度應(yīng)根據(jù)壓實(shí)機(jī)械類型、填料的土質(zhì)、對(duì)路基壓實(shí)的基本要求等因素通過鋪設(shè)試驗(yàn)段確定。

本次試驗(yàn)采用YZ18C、LSS216A兩種振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)昔格達(dá)土填料進(jìn)行壓實(shí)。YZ18C型振動(dòng)壓路機(jī)強(qiáng)振時(shí)頻率29 Hz、振幅1.88 mm、激振力320 kN，弱振時(shí)頻率 35 Hz、振幅 0.99 mm、激振力 260 kN;LSS216A型振動(dòng)壓路機(jī)強(qiáng)振時(shí)頻率30 Hz、振幅1.8 mm、激振力310 kN，弱振時(shí)頻率33 Hz、振幅0.9 mm、激振力180 kN。在2種壓實(shí)機(jī)械下，研究松鋪厚度對(duì)壓實(shí)度的影響。在現(xiàn)場壓實(shí)度檢測中，采用2種碾壓方式:先強(qiáng)振后弱振為，靜壓1遍+強(qiáng)振1遍+弱振6遍+靜壓1遍;先弱振后強(qiáng)振為，靜壓1遍+弱振6遍+強(qiáng)振1遍+靜壓1遍，然后進(jìn)行壓實(shí)度檢測。最后得到16 t和18 t壓路機(jī)在各松鋪厚度的壓實(shí)度，其試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 松鋪層厚與壓實(shí)度關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between different loose laying depths and compaction

從圖4(a)中可以看出，無論是先弱振后強(qiáng)振還是先強(qiáng)振后弱振的碾壓方式，在松鋪厚度達(dá)到35 cm之前，壓實(shí)度隨著松鋪厚度的增加而逐漸增加。這主要是因?yàn)樗射伜穸容^薄時(shí)已經(jīng)壓密實(shí)的路基被后面的強(qiáng)振或者被后面的弱振又振松了，壓實(shí)度有所降低，隨著松鋪厚度的增加，已經(jīng)壓密實(shí)的路基被后面的強(qiáng)振或者被后面的弱振振松的越來越少了，也就是說壓實(shí)度降低得越來越少了，表現(xiàn)為壓實(shí)度隨著松鋪厚度的增加而逐漸增加。在松鋪厚度達(dá)到35 cm時(shí)，壓實(shí)度達(dá)到峰值，其值分別是94.5%和93.9%，對(duì)先弱振后強(qiáng)振而言，松鋪厚度超過35 cm以后，壓實(shí)度隨著松鋪厚度的增加而逐漸減小，對(duì)先強(qiáng)振后弱振而言，松鋪厚度超過35 cm以后，壓實(shí)度隨著松鋪厚度的增加先減小后增加。從圖4(a)還可以看出，在松鋪厚度為35 cm以上時(shí)，壓實(shí)度曲線已開始下降，為此，可以選擇35 cm為16 t壓路機(jī)碾壓方式下昔格達(dá)土填料的適合松鋪厚度，參照規(guī)范中的取值，適合昔格達(dá)土填料的松鋪厚度也可取為一個(gè)區(qū)間值。松鋪厚度為30 cm時(shí)，其壓實(shí)度為94.4%和93.8%，與35 cm時(shí)的峰值很接近，所以在16 t壓路機(jī)碾壓方式下適合昔格達(dá)土填料的松鋪厚度為30～35 cm。

從圖4(b)中可以看出，無論是先弱振后強(qiáng)振還是先強(qiáng)振后弱振的碾壓方式，在松鋪厚度達(dá)到40 cm之前，壓實(shí)度隨著松鋪厚度的增加而逐漸增加。這主要是因?yàn)樗射伜穸容^薄時(shí)已經(jīng)壓密實(shí)的路基被后面的強(qiáng)振或者被后面的弱振又振松了，壓實(shí)度有所降低，隨著松鋪厚度的增加，已經(jīng)壓密實(shí)的路基被后面的強(qiáng)振或者被后面的弱振振松的越來越少了。也就是說壓實(shí)度降低得越來越少了，表現(xiàn)為壓實(shí)度隨著松鋪厚度的增加而逐漸增加。在松鋪厚度達(dá)到40 cm時(shí)，壓實(shí)度達(dá)到峰值，其值分別是94.5%和93.5%，松鋪厚度超過40 cm以后，壓實(shí)度隨著松鋪厚度的增加而逐漸減小，在這2種壓實(shí)方式下，松鋪厚度在30～40 cm之間時(shí)，均能達(dá)到壓實(shí)度93%的要求。從圖4(b)還可以看出，在松鋪厚度為40 cm以上時(shí)，壓實(shí)度曲線已開始下降，為此，可以選擇40 cm為18 t壓路機(jī)碾壓方式下昔格達(dá)土填料的適合松鋪厚度，參照規(guī)范中的取值，適合昔格達(dá)土填料的松鋪厚度也可取為一個(gè)區(qū)間值。松鋪厚度為35 cm時(shí)，其壓實(shí)度為94.4%和93.3%，與40 cm 時(shí)的峰值很接近，所以在18 t壓路機(jī)碾壓方式下適合昔格達(dá)土填料的松鋪厚度為35～40 cm。

3.2 碾壓方式對(duì)壓實(shí)度的影響

本次試驗(yàn)采用先弱振后強(qiáng)振和先強(qiáng)振后弱振的碾壓方式，碾壓方式對(duì)壓實(shí)度存在一定的影響，由圖4可以看出:對(duì)16 t和18 t壓實(shí)機(jī)械而言，采用先弱振后強(qiáng)振的碾壓方式要比采用先強(qiáng)振后弱振的碾壓方式所得到的壓實(shí)度普遍要高。所以無論對(duì)16 t壓實(shí)機(jī)械還是18 t壓實(shí)機(jī)械，采用先弱振后強(qiáng)振的碾壓方式得到壓實(shí)度高，效果較好。

3.3 碾壓遍數(shù)對(duì)壓實(shí)度的影響

本次試驗(yàn)采用16 t和18 t壓路機(jī)分別對(duì)松鋪厚度為30 cm和35 cm的昔格達(dá)土填料進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)，研究各碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系，其試驗(yàn)成果如圖5。

圖5 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系曲線Fig.5 Curve of different rolling times and compaction

由圖5(a)可知，16 t壓路機(jī)的壓實(shí)度峰值出現(xiàn)在碾壓7遍時(shí)，為94.5%，碾壓6遍時(shí)壓實(shí)度為93.4%，此時(shí)碾壓6遍與碾壓7遍的效果相差不大。由圖5(b)可知，18 t壓路機(jī)的壓實(shí)度峰值出現(xiàn)在碾壓6遍時(shí)，為94.4%，但在碾壓5遍時(shí)就已達(dá)到了93.8%的要求。這主要是因?yàn)?6 t壓路機(jī)在碾壓7遍和18 t壓路機(jī)在碾壓6遍時(shí)路基壓實(shí)的效果最好，再碾壓時(shí)路基容易被振松，壓實(shí)度降低，然后隨著碾壓遍數(shù)的增加，路基又逐漸被壓密實(shí)，壓實(shí)度又隨著碾壓遍數(shù)的增加而增加。所以，從壓實(shí)效果以及節(jié)約方面考慮，昔格達(dá)土填料在松鋪30 cm時(shí)，16 t壓路機(jī)的合適碾壓遍數(shù)為6遍，昔格達(dá)土填料在松鋪30 cm時(shí)，18 t壓路機(jī)的合適碾壓遍數(shù)為5遍。

4 結(jié)論

1)從含水量對(duì)壓實(shí)度的影響來看，昔格達(dá)土填料在不同的壓實(shí)條件下路基最佳壓實(shí)效果所對(duì)應(yīng)的含水量總體在12%～17%之間。

2)從顆粒級(jí)配對(duì)壓實(shí)度的影響來看，碾壓前后，填料的Cu和Cc均滿足規(guī)范的要求，是一種良好級(jí)配的填料。

3)從松鋪厚度對(duì)壓實(shí)度的影響方面來看，在16 t壓路機(jī)碾壓方式下，適合昔格達(dá)土填料的松鋪厚度為30～35 cm;在18 t壓路機(jī)碾壓方式下適合昔格達(dá)土填料的松鋪厚度為35～40 cm。

4)從碾壓方式對(duì)壓實(shí)度的影響方面來看，無論對(duì)16 t壓實(shí)機(jī)械還是18 t壓實(shí)機(jī)械，采用先強(qiáng)振后弱振的碾壓方式得到壓實(shí)度高，效果較好。

5)從碾壓遍數(shù)對(duì)壓實(shí)度的影響方面來看，16 t壓路機(jī)最佳的碾壓遍數(shù)為6遍;18 t壓路機(jī)最佳的碾壓遍數(shù)為5遍時(shí)，碾壓效果最佳。

［1］第四紀(jì)冰川考察隊(duì).西南第四紀(jì)昔格達(dá)組的初步研究［M］.北京:地質(zhì)出版社，1977.

［2］羅永利，劉東生.昔格達(dá)組沉積環(huán)境演化與旋回地層學(xué)研究［J］.第四紀(jì)研究，1998(4):53 －58.

［3］彭盛恩.昔格達(dá)組粘土的工程地質(zhì)特性研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1986(2):20－24.

［4］楊人鳳，張永新，趙新榮.土的沖擊壓實(shí)試驗(yàn)研究［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2003，16(3):31 －34.

［5］馬松林，王龍，王哲人.土石混合料室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)研究［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2001，14(1):5 －8.

［6］劉麗萍，王東耀.土石混合料壓實(shí)質(zhì)量控制方法［J］.長安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，26(1):35 －37.

［7］張洪亮，胡長順，劉保健，等.壓實(shí)石灰黃土力學(xué)特試驗(yàn)［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2003，3(4):13 －16.

［8］葉書麟，葉觀寶.地基處理［M］.2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［9］JTGF 10—2006公路路基施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2006.