砂礫卵石土高速公路路基填筑試驗研究

吳躍東，王維春，劉 堅，季 凱

（1. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098；2. 河海大學 巖土工程科學研究所，南京 210098）

1 引 言

公路路基填筑施工的質(zhì)量保證和成本控制，需考慮眾多因素，從填筑材料的選擇，填筑材料的處治，碾壓機械的選擇，碾壓施工時的碾壓工藝、基底處理、攤鋪層厚、填料的含水率等施工參數(shù)的控制，到壓實效果的檢測方法、控制指標的采用及選擇進行全面的分析，才能得到可行的方案。砂礫卵石土作為路基填筑材料，填筑的路基具有抗剪強度高、透水性強、整體剛度大等工程特性，是一種比較優(yōu)良的路基填筑材料，主要由黏土顆粒、粉粒、砂、礫和表面光滑圓潤的卵石組成，見圖1。按照現(xiàn)行土的分類標準，砂礫卵石土混合料屬于典型的粗粒土，但目前有關路基規(guī)范對砂礫卵石土路基施工缺乏技術指導，同時缺乏可行的砂礫卵石土路基壓實質(zhì)量檢測方法和控制標準，使得目前砂礫卵石土僅用于低等級公路路基中，造成大量資源浪費。總體上看，砂礫卵石土填筑路基的研究尚處于探討階段，特別是高等級公路砂礫卵石土路基的施工，不僅沒有系統(tǒng)、可靠的技術規(guī)范可依，也沒有十分成熟的經(jīng)驗供參考。本次通過大量室內(nèi)試驗和幾種現(xiàn)場檢測手段，確定能使砂礫卵石土路基達到最佳壓實效果的施工工藝，以及簡便可靠的質(zhì)量檢測方法和控制標準[1－5]。

圖1 砂礫卵石土混合料Fig.1 Sand-gravel-cobble mixture

2 試驗工程概況

長春至深圳國家高速公路南京繞越公路東北段是南京市公路、水路交通“十一五”重點建設項目之一。該項目起點與南京長江第四大橋北接線相接，終止于沈海高速公路，與南京繞越高速公路東南段、南京長江四橋及其接線共同構筑長春至深圳國家高速公路南京繞越段。該段高速公路沿線分布有大量的砂礫卵石土，若能恰當?shù)膶⑸暗[卵石土運用于此工程作為路基填料，做到就地取材，對于節(jié)約項目投資，減少占用當?shù)馗兀Ｗo當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本次試驗以該工程 RY-DB3和 RY-DB4施工標段為試驗段，每個試驗段取100 m，砂礫卵石土攤鋪厚度采取松鋪厚度為40 cm和30 cm兩種方案進行試驗段施工。試驗段路基的平均寬度為52.8 m，松鋪厚度左幅40 cm，右幅30 cm。砂礫卵石土填筑平均寬度為47.8 m，左幅寬19.9 m，右幅寬27.9 m，包邊土寬度為2.5 m，共計需要砂礫卵石土1959.6 m3，包邊土210 m3。

3 室內(nèi)基本性質(zhì)試驗

3.1 顆粒分析試驗

砂礫卵石土為粗顆粒填料，與細顆粒土不同，級配達到一定要求后才能達到較好的填筑效果，選取5個不同位置的土樣進行顆粒分析，顆粒級配曲線如圖2所示，從級配曲線可以看出，如以5 mm粒徑作為粗細顆粒的分界點[6]，不同位置處填料的粗顆粒含量不同，砂礫卵石土填料的粗顆粒含量從試樣1的45.9%到試樣5的71.4%不等，除試樣1外，其他4個試樣粗顆粒含量均在50%以上，粗顆粒含量跨度較大，達到 35.5%，說明砂礫卵石土填料的顆粒離散性。分析砂礫卵石土級配曲線，根據(jù)求得的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc可以看出，除試樣3曲率系數(shù)為3.66，稍大于3以外，其他試樣的曲率系數(shù)在1～3之間，不均勻系數(shù)均大于10，說明砂礫卵石土填料級配良好。從級配曲線中還可以看出，級配曲線較平緩，初步判斷可以得到較好的壓實。同時，砂礫卵石土的最大粒徑達到60 mm以上，最小粒徑小于0.075 mm，粒徑跨度極大，雖然從篩分曲線中得出級配良好，由于粗細顆粒懸殊，極易造成粗細顆粒離析，因此現(xiàn)場需加強填料監(jiān)測，確保填料級配符合要求。

圖2 顆粒級配曲線Fig.2 Grain composition curves

3.2 最大干密度試驗

由篩分試驗得到砂礫卵石土的顆粒級配，依據(jù)已有研究成果[7]，砂礫卵石土的最大干密度必須考慮粗顆粒與細顆粒的含量之比，為了更好地評價現(xiàn)場填料的現(xiàn)狀，室內(nèi)試驗設計的粗顆粒含量分別為20%、40%、60%、70%、80%，采用重型擊實試驗方法，剔除填料中最大粒徑大于40 mm部分，根據(jù)公路土工試驗規(guī)程[8]中的換算公式得到原級配的最大干密度，試驗結果見圖3和圖4，砂礫卵石土的最大干密度隨著粗顆粒含量的增加出現(xiàn)先增大后減少的現(xiàn)象，粗顆粒含量在70%以前，填料的最大干密度隨著粗顆粒含量的增加而增大，但粗顆粒含量在60%以前，砂礫卵石土的干密度增長比較緩慢；當粗顆粒含量在60%～70%之間時，砂礫卵石土隨著粗顆粒含量的增多密度迅速增大。分析認為，此時粗細顆粒相互填充、膠結，相應的密度增大，粗顆粒含量繼續(xù)增加，大顆粒之間形成明顯的骨架沒有足夠的細粒料填充空隙，出現(xiàn)明顯的空隙，從而導致密度下降，孔隙率增大。砂礫卵石土的最優(yōu)含水率隨著粗顆粒含量的增大而減小，粗顆粒含量小于40%時，最優(yōu)含水率減小比較緩慢；含量為40%～60%時減小較快；當粗顆粒含量大于60%后最優(yōu)含水率又趨于平緩。分析認為，隨著粗顆粒含量增加，試樣總的比表面積較少，擊實過程中，水起到潤滑作用，顆粒比表面積減少，需要的水相應減少。

圖3 最大干密度與粗顆粒含量關系Fig.3 The relation between maximum dry density and coarse particle content

圖4 最優(yōu)含水率與粗顆粒含量關系Fig.4 The relation between best water content and coarse particle content

3.3 承載比試驗

加州承載比試驗是由美國加利福尼亞州公路局首先提出來的，通常簡稱CBR(california bearing ratio)試驗，是一種評定材料承載能力的試驗方法[9]。國外多采用CBR值作為路面材料和路基土的設計參數(shù)，我國路基設計規(guī)范中對 CBR值也有具體的規(guī)定。運用章節(jié)3.2中的擊實試驗結果，對砂礫卵石土填料在粗顆粒含量分別為 20%，40%，60%，80%下進行承載比試驗。當粗顆粒含量為60%時考慮了不同擊實次數(shù)成型下的CBR值，試驗結果如圖5、6所示。從曲線可以看出，在擊實次數(shù)保持不變，即擊實98次時壓實度達到100%且泡水4 d時，CBR值隨著粗顆粒含量的增加而增加；粗顆粒為20%時，試樣的CBR值較小，與普通細顆粒土相當；當粗顆粒含量達到 40%時，試樣的 CBR值較試樣A增加1倍左右，達到17.24%；粗顆粒含量繼續(xù)增加到 60%，試樣的 CBR值出現(xiàn)快速增加的趨勢，增加幅度明顯加快，達到61.95%；隨著粗顆粒含量的繼續(xù)增加，CBR值繼續(xù)增加，但變化緩慢，當粗顆粒含量達到 80%時，CBR值達到63.91%。從路基填筑要求考慮，上述粗顆粒含量均能滿足要求。從 CBR隨擊實次數(shù)關系曲線可以看出，隨著擊實次數(shù)的增加，砂礫卵石土的CBR值增加，經(jīng)過計算，擊實30次后砂礫卵石土的壓實度達到95%，擊實50次壓實度達到97%。由此可見，當粗顆粒含量為 60%時，路基在上述壓實度情況下，CBR值均能滿足要求。

圖5 CBR值與粗顆粒含量關系Fig.5 The relation between CBR value and coarse particle content

圖6 CBR值與擊實次數(shù)關系Fig.6 The relation between CBR value and compaction times

4 現(xiàn)場碾壓試驗

碾壓之前，現(xiàn)場對砂礫卵石土進行篩選，填料最大粒徑控制在松鋪厚度的 2/3，對粒徑大于100 mm部分進行剔除。同時，取樣做天然含水率實驗，砂礫卵石土在含水率為5.5%時進行碾壓，由于砂礫卵石土為無黏性粗顆粒土，粗顆粒含量達到一定值后，粗顆粒之間形成點-點接觸，細顆粒填充在粗顆粒形成的骨架之中，若只采用靜力壓實，只能增加路基中的應力，粗顆粒之間相對位置變化不大，達不到減小顆粒間阻力的作用。而振動壓實對于砂礫卵石土路基兼有增加應力與減少阻力的雙重優(yōu)勢，砂礫卵石土在振動荷載作用下，粗顆粒經(jīng)平動、轉動達到更加穩(wěn)定的位置，減少了粗顆粒之間形成的空隙，已有研究成果表明，碾壓噸位越大，碾壓速度越慢，振幅越大，壓實效果越好。當振動頻率接近填料的固有頻率時，更容易壓實，一般粗粒土的固有頻率為30～50 Hz。經(jīng)過對比分析，碾壓時采用振動壓路機，工作質(zhì)量為22000 kg，壓路機的額定功率為128 kW，振幅在2.1 mm檔，頻率使用32 Hz檔。先穩(wěn)壓1遍，再振動碾壓4遍，碾壓時往返為1遍，壓路機碾壓速度為1.5～1.8 km/h。

本次砂礫卵石土路基填筑試驗主要依靠路基壓實沉降量來檢測，施工成型后，采用二等水準測量每層填筑前和碾壓后的高程，以此確定每層的填筑高度、各碾壓遍數(shù)和碾壓沉降量。在進行壓實沉降的同時，進行了壓實度、CBR、彎沉、回彈模量檢測，比較各種檢測指標的相關性[10－11]，并驗證采用沉降量控制的可行性，提出沉降量的控制標準。

4.1 沉降差檢測法

沉降差檢測方法是指在路基壓實穩(wěn)定之后，測定壓實層表面的測點在用標準噸位的壓路機械碾壓前后的高度差，以此來評定路基壓實質(zhì)量的方法。這種方法認為，一定荷載作用下壓實層頂面的沉降量穩(wěn)定或小于某一范圍時即說明路基壓實到了密實狀態(tài)。大量路基現(xiàn)場施工實踐已經(jīng)證明，沉降差檢測的結果具有很好的規(guī)律性，本次試驗得到的數(shù)據(jù)如圖7、8所示。由圖可以看出，沉降量隨著碾壓遍數(shù)的增加而減少，不同測點在前3遍碾壓時沉降差相差較大，松鋪厚度為40 cm時碾壓的沉降量比松鋪厚度30 cm的沉降量大，碾壓5遍后的總沉降量也較松鋪厚度30 cm的大，說明松鋪厚度30 cm比40 cm碾壓效果好，砂礫卵石土混合料在碾壓2遍后沉降量仍然較大，且各點沉降不穩(wěn)定，需要繼續(xù)碾壓，碾壓 3遍后的沉降量較碾壓 2遍沉降量穩(wěn)定，碾壓 4遍后多數(shù)點的沉降量穩(wěn)定在 4 mm以內(nèi)，說明此時路基已經(jīng)達到較高的壓實度，但繼續(xù)碾壓5遍后有少部分點的沉降差為負值，說明路基出現(xiàn)了回彈，初步判斷碾壓遍數(shù)4遍為宜。

圖7 松鋪厚度30 cm時沉降差Fig.7 Settlement discrepancy at loose laying depth of 30 cm

圖8 松鋪厚度40 cm時沉降差Fig.8 Settlement discrepancy at loose laying depth of 40 cm

4.2 壓實度、CBR、彎沉檢測

為了驗證章節(jié)4.1提出沉降差檢測的可行性，對兩種松鋪厚度下的砂礫卵石土在碾壓4遍后，進行了砂礫卵石土的壓實度、CBR、彎沉值、回彈模量檢測，采用灌砂法檢測試驗段的壓實度，采用動力圓錐貫入儀（DCP）進行加州承載比（CBR）檢測，運用手持式落錘彎沉儀（PFWD）進行路基彎沉值和回彈模量檢測，檢測結果見圖 9、10。圖中，規(guī)定值壓實度為96%，CBR為8%，彎沉值為1.5 mm，回彈模量為40 MPa，因最大干密度非固定值，隨粗顆粒含量而變化，本次壓實度計算采用粗顆粒含量為60%時的最大干密度。從圖中還可以看出，上述兩種松鋪厚度下，壓實度與規(guī)定值的比值多數(shù)都在水平直線 y =1上方，少部分在該直線下方，即壓實度小于96%，各測點壓實度不同的主要原因是不同測點處的顆粒級配并不一樣，因此各測點的最大干密度不同，統(tǒng)一采用粗顆粒含量為60%時的最大干密度，必然存在一定的誤差，故采用壓實度指標并不能很好的反映壓實效果，且灌砂檢測法費力費時，屬于破壞性檢測，試坑需要再壓實。使用DCP測得的CBR值全部大于規(guī)定值，說明砂礫卵石土的強度較高。但現(xiàn)場測得的CBR值小于室內(nèi)試驗測得值，主要是兩種試驗方法級配組成不同引起的，從曲線可以看出，CBR數(shù)據(jù)離散，沒有明顯的規(guī)律，最大值達到規(guī)定值的5.36倍，最小值為1.84倍，數(shù)據(jù)表明，DCP用于砂礫卵石土的壓實檢測有一定的參考價值。PFWD作為一種新型路基檢測設備，具有攜帶方便、操作簡單、數(shù)據(jù)準確等優(yōu)點[12]，從PFWD測得的數(shù)據(jù)可以看出，除松鋪厚度30 cm中的20號點外，碾壓4遍后的彎沉值與規(guī)定值的比值均小于 1，回彈模量與規(guī)定值的比值均大于1，說明路基碾壓4遍后后彎沉值小于規(guī)定值，回彈模量大于規(guī)定值，滿足彎沉和回彈模量的要求，由于彎沉值與回彈模量成反比關系，故圖中彎沉值與回彈模量有較好的對應性。

圖9 30 cm松鋪厚度檢測數(shù)據(jù)Fig.9 Test data at loose laying depth of 30 cm

4.3 沉降差檢測標準值的確定與評價

前述各項檢測指標中，均表現(xiàn)出一定的數(shù)據(jù)離散型，這是砂礫卵石土作為路基填料的重要特性，是砂礫卵石土填料的不均勻性造成的。不同位置處的顆粒級配、粗顆粒含量、最大粒徑均不同，為了更好地評定砂礫卵石土路基的壓實程度，需要確定沉降差檢測的標準值，將現(xiàn)場實測的結果與標準值比較，以判斷是否需要繼續(xù)碾壓，但現(xiàn)場不可能檢測每一個點，同時不能保證所有檢測點的沉降差都小于標準值。從統(tǒng)計學的觀點考慮，碾壓前后的沉降差數(shù)據(jù)應服從正態(tài)分布，對碾壓4遍后48個沉降差觀測數(shù)據(jù)進行分析，樣本的平均值μ=3.234，樣本的標準方差 σ=0.878，單個值的單側波動區(qū)間為μ+2σ=4.99，擬定沉降差標準值為5 mm。假設檢驗是數(shù)理統(tǒng)計學中根據(jù)一定假設條件由樣本推斷總體的一種方法[13]，基于統(tǒng)計學中的σ2未知時的顯著性假設檢驗模型，可作假設H0:μ＞μ0，H1:μ≤μ0，顯著性水平α=0.05，引進統(tǒng)計量T：

H0的拒絕域為 T≤-tα(n-1)，其中tα(n-1)為自由度為n-1的 t分布的上側α分位點，由α=0.05及自由度 n-1=47查表得 tα(n-1)=t0.05(47)=1.6779，由樣本數(shù)據(jù)得=3.234，s = 0.887，T =。由于 T＜-tα(n-1)=-t0.05(47)=-1.6779，故拒絕 H0，接受 H1，即在置信度為 1-0.05= 0.95情況下，沉降差滿足要求。

上述沉降差檢測標準值是在碾壓遍數(shù)為4遍后確定的，因此，現(xiàn)場大面積施工應采用碾壓遍數(shù)與沉降差雙重控制，即首先確保碾壓達到4遍，進而要求沉降差小于4 mm，若不滿足要求需進行補強，從而避免了采用單一檢測方法的弊端。

5 結 論

（1）砂礫卵石土顆粒級配良好，能夠滿足路基填筑對級配的要求，但不同位置處的粗顆粒含量并不一致，填料最大粒徑大于60 mm，最小粒徑小于0.075 mm，粒徑跨度極大，粗細顆粒懸殊，易造成粗細顆粒離析，現(xiàn)場需加強填料監(jiān)測。

（2）室內(nèi)試驗時砂礫卵石土的最大干密度隨粗顆粒含量出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當粗顆粒含量為70%時，最大干密度最大，壓實效果最好；CBR值隨粗顆粒含量、擊實次數(shù)的增加而增加，粗顆粒含量為60%時CBR值較大。

（3）砂礫卵石土需運用振動壓實方式，沉降差檢測方法能夠較好的反映壓實質(zhì)量，具有操作簡單、快速的特點，運用統(tǒng)計學理論，確定現(xiàn)場碾壓4遍后沉降差標準值為 4 mm，此時砂礫卵石土路基的壓實度、CBR、彎沉、回彈模量滿足要求。

本文提出的砂礫卵石土路基壓實質(zhì)量檢測方法和控制標準是可行的，可以滿足高速公路砂礫卵石土路基填筑的要求。

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