昔格達土用作高速公路路基填料的工藝試驗

周洪福，聶德新，鐘華介

（1.中國地質調查局 成都地質調查中心，成都610081；2.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059；3.成都市地質環(huán)境監(jiān)測站，成都610041）

昔格達土是指廣泛分布于攀西地區(qū)安寧河、金沙江、大渡河、雅礱江河谷的一套灰綠色、灰白色、淺黃色泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖及粉細砂巖互層，并覆蓋在第三系之上的一套靜水河湖相地層[1]。該套地層因其易滑特性而曾被稱之為“混蛋層”，1958年才根據(jù)其典型剖面出露的實際地點鹽邊縣紅格鄉(xiāng)昔格達村而被正式命名為“昔格達層”。

新中國成立以來，隨著成昆鐵路及眾多水電、公路、民用建筑等重大工程的建設，工程建設者遭遇到了許多有關昔格達地層的滑坡、隧道、路基填筑等方面的工程地質問題，給工程順利施工造成了很大困難[2]。規(guī)劃中的北京－昆明高速攀枝花－西昌段要經(jīng)過大量的昔格達地層，在修建攀枝花－西昌高速之前，昔格達地層從未應用于高速公路路基填料[3]。對于這種特殊的半成巖混合填料，采用什么樣的方式進行填筑可以取得最佳的效果是需要重點研究的對象。為此，作者在大量現(xiàn)場試驗的基礎上，以公路建設的各種規(guī)范為標準，以達到公路施工質量規(guī)范要求為目的，利用壓實度（κ）、承載比（CBR，r）、變形模量（K）和回彈模量（E）等指標，確定了昔格達地層用作高速公路路基填料的最佳松鋪厚度、最佳碾壓方式和最佳碾壓遍數(shù)。另外，根據(jù)室內飽水CBR和非飽水CBR之間的大量試驗數(shù)據(jù)，得到兩者之間的相關關系，極大地節(jié)約施工之前填料強度的檢測時間。這不僅對于將昔格達地層用作西攀高速公路路基填料有著重要的現(xiàn)實意義和巨大的經(jīng)濟意義，而且對于其他類似工程也有一定的借鑒作用。

1 現(xiàn)場工藝試驗研究

圖1 網(wǎng)格化的試驗場地Fig.1 Grid test field

在現(xiàn)場選取長度100m的試驗路段，在試驗路段嚴格按照公路路基施工技術規(guī)范（JTJ F10－2006）的要求進行路基的填筑。為了確定最佳的施工工藝，對100m長的試驗路段進行了網(wǎng)格化劃分（圖1），每個網(wǎng)格的面積都相同。在試驗路段分別按松鋪厚度20cm，25cm，30cm，35 cm，40cm和45cm填筑；每層以中線分界，分別采用16t和18t壓路機對比碾壓；在每一側分成2部分，每種壓實機械按先弱后強和先強后弱兩種壓實工藝進行對比試驗。對不同碾壓機械、不同碾壓方式、不同松鋪厚度碾壓完成后的路基進行壓實度、CBR、回彈模量和變形模量的現(xiàn)場試驗，試驗結果見表1－表4。在表中T18／16（r－q）表示采用1 8t和1 6t壓路機先弱振后強振的壓實方式；T18／16（q－r）表示采用18t和16t壓路機先強振后弱振的壓實方式。

表1 壓實度（κ／%）檢測結果Table1 Test result of compaction degree

表2 CBR（r／%）試驗結果Table2 Test result of CBR

表3 回彈模量試驗結果（E／MPa）Table3 Test result of resilience modulus

表4 變形模量試驗結果（K／MPa）Table4 Test result of deformation modulus

1.1 最佳松鋪厚度研究

1.1.1 用壓實度確定最佳松鋪厚度

從表1所列的壓實度現(xiàn)場檢測結果可知，總體來說，隨著松鋪厚度的逐漸增大，采用不同的碾壓方式得到的壓實度呈現(xiàn)一種先增大后降低的趨勢。壓實度平均值與松鋪厚度關系曲線見圖2。松鋪厚度從20cm開始，平均壓實度隨著松鋪厚度的增加而增大，當松鋪厚度為30cm時，平均壓實度達到最大，為94%。隨后隨著松鋪厚度的進一步增大，平均壓實度逐漸降低。因此，根據(jù)松鋪厚度與平均壓實度的關系曲線可以得到最佳的松鋪厚度為30～35cm。

圖2 松鋪厚度與平均壓實度關系曲線Fig.2 Relation curve between loose paving thickness and average compaction degree

1.1.2 用CBR確定最佳松鋪厚度

CBR是美國加利福尼亞州承載比California Bearing Ratio的縮寫，是公路路基材料的力學指標之一，是指試料貫入量達到2.5mm時，單位壓力與標準碎石壓入相同貫入量時標準荷載壓力的比值[4－6]。在《公路路基施工技術規(guī)范》中已將其作為檢測公路路基填筑質量的標準之一[7]。

不同松鋪厚度、不同碾壓方式得到的現(xiàn)場CBR試驗值見表2。根據(jù)現(xiàn)場試驗結果，在各種松鋪厚度下，平均CBR值與松鋪厚度的關系見圖3。從圖中曲線可知看出，當松鋪厚度為20cm時，平均CBR值為13.0%；隨著松鋪厚度的增大，平均CBR也隨之增大，并且在松鋪厚度達到30cm以前，平均CBR值增加幅度較大；而當松鋪厚度達到30cm以后，平均CBR值增加幅度較小，曲線基本平穩(wěn)，變化幅度較小，平均CBR值在17.4%～18.0%之間。因此，根據(jù)圖中曲線變化情況，可以得到最佳的松鋪厚度在30～45cm之間。

1.1.3 用回彈模量確定最佳松鋪厚度

圖3 松鋪厚度與平均CBR關系曲線Fig.3 Relation curve between loose paving thickness and average CBR

現(xiàn)場回彈模量試驗由于試驗面積較大，反映指標全面，是評價壓實質量的一個綜合指標，同時也是公路路基設計中的一個重要參數(shù)和評價路基填筑質量的一個重要指標[8]。在現(xiàn)場利用不同的壓路機、采用不同的碾壓方式獲得的回彈模量見表3。根據(jù)表中試驗結果，采用不同機械和不同碾壓方式得到的平均回彈模量與松鋪厚度的關系曲線見圖4。從圖中可知，平均回彈模量隨著松鋪厚度的增加呈現(xiàn)先增加、后降低的變化趨勢：在松鋪厚度為20cm時，平均回彈模量為75.14 MPa；而當松鋪厚度增加到35cm時，平均回彈模量達到最大，為91.14MPa；當松鋪厚度進一步增加到45cm時，平均回彈模量降低為71.91MPa。根據(jù)平均回彈模量與松鋪厚度的關系曲線，可以得到最佳的松鋪厚度為30～35cm。

圖4 松鋪厚度與平均回彈模量關系曲線Fig.4 Relation curve between loose paving thickness and average resilience modulus

1.1.4 用變形模量確定最佳松鋪厚度

采用不同碾壓機械、不同碾壓方式、不同松鋪厚度條件下現(xiàn)場試驗得到的變形模量結果見表4，變形模量從16.4MPa到44.7MPa不等。在各種松鋪厚度下平均變形模量與松鋪厚度的關系曲線見圖5：在松鋪厚度＜30cm時，隨著松鋪厚度的增加，平均變形模量也隨之增大；當松鋪厚度達到30cm時，平均變形模量達到最大，為39.08 MPa；隨著松鋪厚度的進一步增大，平均變形模量雖然有起伏，但是總體的趨勢是逐漸降低的。因此，根據(jù)平均變形模量與松鋪厚度的關系曲線，可以得到最佳的松鋪厚度為30cm。

圖5 松鋪厚度與平均變形模量關系曲線Fig.5 Relation curve between loose paving thickness and average deformation modulus

前面分別從壓實度、CBR值、回彈模量和變形模量等方面對最佳松鋪厚度進行了分析研究。從研究的結果來看，根據(jù)壓實度確定的最佳松鋪厚度是30～35cm；根據(jù)CBR值確定的最佳松鋪厚度是30～45cm；根據(jù)回彈模量確定的最佳松鋪厚度是30～35cm；根據(jù)變形模量確定的最佳松鋪厚度是30cm。根據(jù)分析結果，需要同時滿足這幾種參數(shù)確定的最佳松鋪厚度為30～35 cm，這與《公路路基施工技術規(guī)范》（JTJ F10－2006）要求的松鋪厚度30cm是基本一致的[7]。

1.2 最佳碾壓方式研究

按照《公路路基施工技術規(guī)范》（JTJ F10－2006）要求，對于高速公路以及一級公路，采用振動壓路機碾壓時，第一遍應不振動靜壓，然后先慢后快，由弱振至強振[7]。但是，對于昔格達這種特殊的土層，這種碾壓方式是否合適，需要由現(xiàn)場試驗結果予以確定。

現(xiàn)場在試驗路段分別采用16t和18t振動壓路機進行從強振到弱振以及從弱振到強振的試驗，試驗結果見表1－表4。從試驗結果可知，在不同的松鋪厚度條件下，除了從強振到弱振壓實度的平均值與從弱振到強振壓實度的平均值基本接近以外，對于CBR值、回彈模量、變形模量而言，從強振到弱振的平均值都比從弱振到強振的平均值大。對于18t壓路機，從強振到弱振試驗得到的平均CBR、回彈模量、變形模量分別為21.6%，94.08MPa和35.36MPa；而對應的從弱振到強振的平均值為15.4%，61.58MPa和26.75MPa。對于16t壓路機，從強振到弱振試驗得到的平均CBR、回彈模量、變形模量分別為16.2%，91.18MPa和35.61MPa；而對應的從弱振到強振的平均值為12.6%，85.55MPa和33.85MPa。

從試驗結果可知，無論是16t還是18t壓路機，從強振到弱振試驗得到各種參數(shù)的平均值均比從弱振到強振試驗得到的參數(shù)高。其原因在于昔格達填料是以粉粒為主，含有一定數(shù)量的沙粒和黏粒的混合填料，在振動壓實過程中，隨著振動能量的加強以及碾壓遍數(shù)的增加，雖然淺部土體可能達到較好的密實狀態(tài)，但在淺表部，由于高能量振動，加之攀西地區(qū)氣溫較高，空氣干燥，水分將以氣體形式逐漸從土體中排出而變得干燥，填料顆粒之間的黏結能力反而降低；所以，在淺層大約數(shù)厘米范圍內出現(xiàn)松砂現(xiàn)象[9]，導致壓實度降低。因此，對于昔格達土用作高速公路的路基填料來說，最佳的碾壓方式應該是先強振，后弱振。這與《公路路基施工技術規(guī)范》（JTJ F10－2006）中規(guī)定的方式有所不同，也體現(xiàn)了昔格達土的特殊性。

1.3 最佳碾壓遍數(shù)研究

合理的碾壓遍數(shù)就是使填料達到規(guī)范規(guī)定的壓實度的最小遍數(shù)。根據(jù)《公路路基施工技術規(guī)范》（JTJ F10－2006）的要求，昔格達土用于路基的填筑，其壓實度應該≥95%（表5）。確定一個合理的碾壓遍數(shù)對于減少工程開支、縮短工期具有重要意義。

根據(jù)前面已經(jīng)確定了的最佳松鋪厚度和最佳碾壓方式，分別采用16t和18t壓路機進行碾壓，一共碾壓9遍，不同碾壓遍數(shù)條件下昔格達填料達到的壓實度見表6。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可以得到16t和18t壓路機碾壓遍數(shù)與壓實度關系曲線（圖6和圖7）。從圖中曲線可以看出：對于16t和18t壓路機，當碾壓遍數(shù)分別達到6遍和5遍時，松鋪厚度30cm和35cm兩種情況下，昔格達填料的壓實度均達到93%以上。因此，根據(jù)試驗結果，最佳的碾壓遍數(shù)為：18t壓路機，碾壓遍數(shù)為5遍；16t壓路機，碾壓遍數(shù)為6遍。

表5 土質路堤壓實度標準（JTJ F10－2006）[8]Table5 Standard of compaction degree for terrane embankment

表6 不同碾壓遍數(shù)情況下填料壓實度（κ／%）Table6 Compaction degree of filler in the case of different compaction numbers

圖6 18t壓路機碾壓遍數(shù)與壓實度關系曲線Fig.6 Relation curve between compaction number and compaction degree of 18ton road roller

圖7 16t壓路機碾壓遍數(shù)與壓實度關系曲線Fig.7 Relation curve between compaction number and compaction degree of 16ton road roller

前面根據(jù)大量試驗結果得到不同壓路機的最佳松鋪厚度、最佳碾壓方式和最佳碾壓遍數(shù)如下。

16t壓路機：松鋪厚度30～35cm，先強振后弱振，碾壓方式為靜壓1遍＋強振1遍＋弱振4遍＋靜壓1遍，一共碾壓7遍。

18t壓路機：松鋪厚度30～35cm，先強振后弱振，碾壓方式為靜壓1遍＋強振1遍＋弱振3遍＋靜壓1遍，一共碾壓6遍。

2 非飽水CBR和飽水CBR關系

按照《公路路基施工技術規(guī)范》（JTJ F10－2006）的要求[8]，對于高速公路而言，用于下路堤和上路堤填筑填料的飽水CBR分別不應低于3.0和4.0。因此，在將填料用于路堤填筑之前，應該先將填料進行飽水CBR試驗，根據(jù)試驗結果決定填料是否可用。而飽水CBR試驗需要將試樣飽水96h，試驗過程所需要的時間較長，如果對每組填料進行飽水CBR試驗，無疑將會耗費大量的時間和人力。而非飽水CBR試驗則將現(xiàn)場取回的填料直接進行試驗，所需時間較短。因此，如果能夠分析得到昔格達這種特殊填料室內非飽水CBR和飽水CBR之間的關系，那么通過非飽水CBR值可以得到飽水CBR值，這可以節(jié)約試驗時間，對高速公路的施工是有利的。

為了分析昔格達填料非飽水CBR值和飽水CBR值之間的關系，將現(xiàn)場碾壓完成的昔格達填料每一層取6組試樣，測定含水量以后進行擊實試驗，然后分別進行飽水前后CBR試驗，試驗結果見表7。其中為了對比分析結果的準確性，進行飽水前后對比試驗分析的2組試樣的取樣位置為同一個地點，這樣可以有效避免由于試樣中砂巖泥巖比例不同導致的試驗誤差。

表7 室內飽水前后CBR試驗結果Table7 Test result of indoor saturated CBR and non－saturated CBR

從表7中的試驗結果可以看出，隨著含水量的增大，非飽水CBR值逐漸降低，兩者具有負相關關系。根據(jù)表中含水量（w水）與非飽水CBR（r非飽水）的對應關系，可以得到兩者之間的關系曲線（圖8）和相關方程

圖8 含水量與非飽水CBR關系曲線Fig.8 Relation curve between indoor non－saturated CBR and moisture content

根據(jù)表7中非飽水CBR值與飽水CBR之間的對應關系，可以得到非飽水CBR和飽水CBR之間的關系曲線（圖9）。兩者之間具有線性的正相關關系，相關方程如下

從上面的相關方程可知，對于昔格達這種特殊填料，非飽水CBR和飽水CBR之間的相關性較好，相關系數(shù)達到0.966。因此，可以根據(jù)室內非飽水CBR試驗結果按照上面的公式（2）計算得到飽水CBR值，從而極大地縮短昔格達填料強度的試驗檢測時間。

圖9 室內非飽水CBR與飽水CBR關系曲線Fig.9 Relation curve between indoor saturated CBR and non－saturated CBR

3 結論

a.昔格達土作為高速公路路基填料，其最佳的松鋪厚度為30～35cm。

b.由于其特殊性，昔格達土作為高速公路路基填料，其最佳的碾壓方式應該是先強振，后弱振，這與規(guī)范規(guī)定的方式有所不同。

c.為了達到規(guī)范規(guī)定的壓實度要求，對于16 t壓路機，一共需要碾壓7遍，具體方式為：靜壓1遍＋強振1遍＋弱振4遍＋靜壓1遍；對于18t壓路機，一共需要碾壓6遍，具體方式為：靜壓1遍＋強振1遍＋弱振3遍＋靜壓1遍。

d.根據(jù)大量的試驗資料分析，昔格達填料室內飽水CBR與非飽水CBR之間具有較好的線性正相關性，可以根據(jù)室內非飽水CBR試驗結果通過計算得到飽水CBR值。

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