長(zhǎng)江口細(xì)砂路基填筑施工含水率確定方法

陳立生 ，楊 戈 ，王 朋

（1.上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海 200065；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；3.同濟(jì)大學(xué)道路與交通教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

0 前言

在細(xì)砂路基填筑施工過(guò)程中，由于細(xì)砂填料較傳統(tǒng)路基填料存在級(jí)配單一、滲透性好、易松散等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)振動(dòng)碾壓或靜壓的方法往往不能夠取得較好的壓實(shí)效果，從而影響路基整體的穩(wěn)定與安全。為解決這一技術(shù)難題，一方面需要對(duì)細(xì)砂路基的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)（一般采用砂芯+包邊土的形式），為細(xì)砂填料提供壓實(shí)側(cè)限；另一方面，需要對(duì)填筑施工的具體施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

按照傳統(tǒng)的路基填筑施工方法，首先需要對(duì)路基填料的施工含水率這一施工參數(shù)進(jìn)行確定，即確定路基填料的最佳含水率和最大干密度，并以最佳含水率作為施工含水率。室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明，傳統(tǒng)路基填料的擊實(shí)曲線一般只存在一個(gè)峰值，也就是說(shuō)一般只有唯一的一組最佳含水率和最大干密度；而細(xì)砂填料往往呈現(xiàn)“雙峰”或“多峰”特性，最佳含水率與最大干密度取值不唯一。因此，細(xì)砂路基壓實(shí)現(xiàn)場(chǎng)施工中含水率的確定就有多種選擇。例如，在缺水的沙漠地區(qū)修筑風(fēng)積砂公路，在選擇較低、甚至接近零的含水率的情況下進(jìn)行施工，填砂路基仍然能夠獲得較好的壓實(shí)；但在水源較為充足的路段，采用高含水率施工也可獲得良好的工程應(yīng)用效果。

本文依托崇啟高速公路實(shí)體工程，以長(zhǎng)江口細(xì)砂作為研究對(duì)象，以室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，充分考慮細(xì)砂“多峰”特性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)其填筑施工過(guò)程中施工含水率確定的方法進(jìn)行了研究。該方法的確定，解決了長(zhǎng)江口細(xì)砂填筑施工的技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)也可為同類(lèi)型工程積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 長(zhǎng)江口細(xì)砂填料擊實(shí)試驗(yàn)

為掌握長(zhǎng)江口細(xì)砂路基的擊實(shí)特性，在施工現(xiàn)場(chǎng)選取代表性砂樣進(jìn)行進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)。由于細(xì)砂材料顆粒松散，試件成型較為困難，且在擊實(shí)過(guò)程中還存在試件破壞的問(wèn)題。因此，對(duì)同一組砂樣分別進(jìn)行了輕型擊實(shí)試驗(yàn)和重型擊實(shí)試驗(yàn)，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖1和圖2分別為輕型擊實(shí)條件下和重型擊實(shí)條件砂樣干密度與含水率的典型關(guān)系曲線。

圖1 輕型擊實(shí)曲線圖

圖2 重型擊實(shí)曲線圖

由圖1和圖2可見(jiàn)，長(zhǎng)江口細(xì)砂的擊實(shí)曲線呈現(xiàn)明顯的“多峰”特征。輕型擊實(shí)條件下，長(zhǎng)江口細(xì)砂含水率w接近0（完全干燥狀態(tài)）與10%時(shí)，都存在著一個(gè)干密度的峰值，分別為1.55 g/cm3和1.53 g/cm3，試驗(yàn)含水率變化范圍內(nèi)干密度的變化幅度為0.05 g/cm3；重型擊實(shí)條件下，試驗(yàn)含水率變化范圍內(nèi)長(zhǎng)江口細(xì)砂擊實(shí)曲線存在3個(gè)峰值，分別為含水率w在1.8%、8%和13.5%時(shí)對(duì)應(yīng)的1.59 g/cm3、1.61 g/cm3和 1.62 g/cm3干密度峰值。

長(zhǎng)江口細(xì)砂的多峰特征，不僅與傳統(tǒng)路基填料（黏性土等）的單峰擊實(shí)特性明顯不同，與諸多文獻(xiàn)報(bào)道的風(fēng)積砂和中粗河砂的雙峰擊實(shí)特性也略有差異[4]。多峰特性有利于選擇多種施工壓實(shí)條件，即砂可以在多種含水率條件下被良好壓實(shí)。

2 施工含水率的確定

根據(jù)理論研究結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)施工含水率應(yīng)參照最大干密度對(duì)應(yīng)的最佳含水率進(jìn)行確定，一般取擊實(shí)曲線最佳含水率左右兩側(cè)平緩段的含水率點(diǎn)，以保證在施工含水率變化范圍內(nèi)的干密度變化幅度較小，從而保證路基填筑后壓實(shí)度滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。具體施工含水率的確定還應(yīng)結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、壓實(shí)度要求，以及碾壓遍數(shù)等進(jìn)行確定。

按照上述基本原則，長(zhǎng)江口細(xì)砂路基填筑的施工含水率確定，主要考慮試驗(yàn)最佳含水率、現(xiàn)場(chǎng)填料天然含水率、現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)水與排水條件、路基壓實(shí)要求四方面的因素，最后依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段測(cè)試結(jié)果最終確定。

2.1 試驗(yàn)最佳含水率

對(duì)于長(zhǎng)江口細(xì)砂施工含水率的確定，首先也應(yīng)以細(xì)砂的最佳含水率為依據(jù)。輕型擊實(shí)試驗(yàn)中，最大干密度1.55 g/cm3對(duì)應(yīng)的最佳含水率為0；重型輕型擊實(shí)試驗(yàn)中最大干密度1.62 g/cm3對(duì)應(yīng)的最佳含水率為13.5%。如按輕型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果取施工含水率為0，不僅現(xiàn)場(chǎng)操作困難，且按照擊實(shí)曲線含水率w從0到2%的變化范圍內(nèi)，干密度的變化幅度超過(guò)30%，容易造成施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，施工中不采用接近干燥狀態(tài)的細(xì)砂進(jìn)行填筑施工。而按照重型擊實(shí)結(jié)果取13.5%作為施工含水率的參考取值則可以進(jìn)行嘗試。

然而，室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果也表明，輕型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)下，含水率w＝8%～12%，細(xì)砂干密度值基本保持不變；重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)下，含水率w>8%之后干密度變化很小，大概在1.85%范圍內(nèi)。說(shuō)明此類(lèi)砂對(duì)含水率變化的敏感性不大，施工時(shí)可壓實(shí)含水率范圍大，受外界環(huán)境條件影響小，便于縮短工期，降低成本。因此，在進(jìn)行最佳含水率的參考取值時(shí)，滿足含水率大于8%的條件，可以考慮擊實(shí)曲線各峰值對(duì)應(yīng)的含水率。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)填料天然含水率

施工中需要同步考慮現(xiàn)場(chǎng)的天然含水率情況。選擇接近天然含水率的施工含水率，有利于提高工效、節(jié)約資金，并保證施工質(zhì)量。例如在沙漠地區(qū)修筑風(fēng)積砂公路，由于補(bǔ)水困難，就考慮采用更為接近天然含水率的較低含水率作為施工含水率，以降低施工難度。

為了解長(zhǎng)江口細(xì)砂料源天然含水率情況，從現(xiàn)場(chǎng)選取代表性砂樣，進(jìn)行天然含水率測(cè)試，結(jié)果如表1所列。從測(cè)試結(jié)果可以看出，堆積在砂場(chǎng)長(zhǎng)江口細(xì)砂的天然含水率均基本在8%～10%左右。此外，細(xì)砂填料從料場(chǎng)運(yùn)出后要經(jīng)過(guò)裝卸運(yùn)輸、攤鋪和碾壓等工序，細(xì)砂的含水率也會(huì)在此過(guò)程中發(fā)生變化。一般來(lái)說(shuō)，含水率會(huì)稍微下降。在確定施工含水率時(shí)，需考慮這一方面的影響。

表1 填料試樣的天然含水率一覽表（單位：%）

2.3 施工便易性

施工中還需要考慮現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)水和排水的施工便易性。從圖2的重型擊實(shí)曲線看來(lái)，長(zhǎng)江口細(xì)砂存在多個(gè)干密度峰值，雖然含水率高時(shí)的干密度峰值比含水率低處的干密度峰值大，但由于細(xì)砂強(qiáng)烈的透水性，使得按照高含水率控制施工顯得極為不便，施工中可能需要大量補(bǔ)水甚至灌水。同時(shí)考慮到在選用含水率較低的峰值作為施工含水率的控制指標(biāo)時(shí)，相應(yīng)的壓實(shí)度指標(biāo)同樣可以滿足規(guī)范的要求而達(dá)到良好的壓實(shí)效果。所以，從施工便易性的角度出發(fā)，選用含水率相對(duì)較低的峰值作為施工含水率的控制指標(biāo)。

2.4 壓實(shí)度要求與施工機(jī)械組合

現(xiàn)場(chǎng)路基壓實(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按照分層壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，分為3個(gè)區(qū)域，分別93、94和96區(qū)（壓實(shí)度要求分別達(dá)到93%、94%和96%）。各區(qū)域機(jī)械組合如表2所列。

表2 施工機(jī)械組合一覽表

考慮到各區(qū)域壓實(shí)機(jī)械的組合及參數(shù)主要是碾壓遍數(shù)方面的差異，因此在確定施工含水率的過(guò)程中，重點(diǎn)考慮前述三方面的影響。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段測(cè)試

為驗(yàn)證施工現(xiàn)場(chǎng)細(xì)砂填料在不同含水率下的壓實(shí)效果，選取不同含水率的測(cè)點(diǎn)，采用環(huán)刀法，進(jìn)行路基壓實(shí)度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

試驗(yàn)區(qū)域分成兩塊，在相同的攤鋪和碾壓工藝下壓實(shí)。施工機(jī)械組合取表2中93區(qū)域的組合，試驗(yàn)施工含水率按照擊實(shí)曲線取8%～16%。其中一塊區(qū)域額外灑水養(yǎng)護(hù)，使細(xì)砂路基一直保持較為潮濕的狀態(tài)；另一塊則不做額外加水處理。檢測(cè)細(xì)砂路基的干密度未額外加水的土樣在1.35～1.48 g/cm3范圍內(nèi)變化，額外加水土樣在1.42～1.52 g/cm3范圍內(nèi)變化。所測(cè)定的現(xiàn)場(chǎng)土樣干密度數(shù)值有一定浮動(dòng)，室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)獲取最大干密度為1.55 g/cm3。將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)并計(jì)算得到的干密度轉(zhuǎn)化為壓實(shí)度，繪制成含水率與干密度關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 細(xì)砂填料壓實(shí)度與含水率的關(guān)系曲線圖

由圖3中數(shù)據(jù)可以看出，在相同的壓實(shí)條件下，細(xì)砂填料的壓實(shí)度會(huì)因含水率的不同而不同。得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

含水率較低，為8%～10%時(shí)，壓實(shí)度比較低，但可以滿足90%壓實(shí)度的要求；

含水率在10%～16%范圍內(nèi)變化時(shí)，壓實(shí)度較高，基本在95%以上，且為波動(dòng)狀態(tài)；

含水率大于16%時(shí)，由于含水率過(guò)高，并不利于長(zhǎng)江口細(xì)砂的壓實(shí)，壓實(shí)度有所降低。

此外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，在一定范圍內(nèi)采取額外灑水處理，提高含水率有利于長(zhǎng)江口細(xì)砂的壓實(shí)，但影響效果并不十分顯著。

綜合以上幾點(diǎn)考慮，現(xiàn)場(chǎng)施工含水率以控制在8%～12%為宜，既能達(dá)到較優(yōu)的壓實(shí)效果，又無(wú)需增加現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)難度。具體到各個(gè)壓實(shí)區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)施工含水率如表3所列。

表3 不同壓實(shí)區(qū)域施工含水率一覽表

3 現(xiàn)場(chǎng)施工效果

按照本文所確定的施工含水率，崇啟高速公路進(jìn)行了大面積的長(zhǎng)江口細(xì)砂路基填筑施工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，路基壓實(shí)度要求均滿足規(guī)范與設(shè)計(jì)的要求。工程實(shí)踐表明，按照本文方法確定的長(zhǎng)江口細(xì)砂施工含水率工程應(yīng)用取得了良好的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文就長(zhǎng)江口細(xì)砂路基現(xiàn)場(chǎng)施工含水率的確定進(jìn)行了探討，主要有以下結(jié)論：

（1）長(zhǎng)江口細(xì)砂的擊實(shí)曲線存在多峰特征，表明長(zhǎng)江口細(xì)砂可以在多種含水率條件下被良好壓實(shí)，修筑路基現(xiàn)場(chǎng)施工中含水率的確定有多種選擇。

（2）長(zhǎng)江口細(xì)砂施工含水率應(yīng)根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，考慮現(xiàn)場(chǎng)天然含水率、施工便易性、以及壓實(shí)要求等因素，最后通過(guò)試驗(yàn)段測(cè)試結(jié)果確定。

（3）按照本文方法確定的長(zhǎng)江口細(xì)砂含水率在實(shí)踐工程應(yīng)用中取得了良好的效果。

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