淺談土方路基施工中填料的選擇和含水率控制的重要性

■鄭英琴

（漳州市交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，漳州 363005）

1 前言

路基是公路的重要組成部分，是路面的基礎(chǔ)，與路面共同承受交通荷載的作用，是在地表按照道路路線位置和一定技術(shù)要求開挖或堆填而成的巖土結(jié)構(gòu)物。路基施工質(zhì)量的好壞將直接影響至路面的穩(wěn)定性和整條道路的使用品質(zhì)。在土方路基施工中土質(zhì)填料質(zhì)量將直接影響路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；而土質(zhì)填料壓實(shí)時(shí)的含水量控制不當(dāng)，也將導(dǎo)致壓實(shí)度難以滿足要求，從而影響路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；特別是我們福建地區(qū)屬于潮濕多雨地區(qū)，雨水豐富，加上丘林眾多，易產(chǎn)生雨水沖刷、浸泡和泥石流危害，所以選擇路基填料時(shí)更應(yīng)考慮填料的水穩(wěn)定性。

2 填料選擇

路基施工主要包括施工前準(zhǔn)備階段、施工階段和交工驗(yàn)收階段。路基填料的確定主要于施工前準(zhǔn)備階段，在測量放樣和清表后，先對項(xiàng)目沿線地表的土質(zhì)進(jìn)行取樣調(diào)查，以確定沿線各種土質(zhì)填料的適用性和沿線利用方是否能滿足全線填土要求，若利用方不能滿足全線填土要求的，應(yīng)考慮就近借土（對借土點(diǎn)進(jìn)行取樣檢測）選擇適用的填料；在填料初定后，還應(yīng)對各種填料進(jìn)行填土試驗(yàn)段工作，以確定能滿足規(guī)定壓實(shí)度要求的最佳壓實(shí)工藝（如壓實(shí)機(jī)具組合、壓實(shí)方法、材料松鋪厚度和材料含水率等）和驗(yàn)證能否滿足設(shè)計(jì)要求（如路床彎沉等），形成總結(jié)報(bào)告作為各種填料施工時(shí)控制的依據(jù)。

2.1 土質(zhì)填料分類

按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）將土分為4 大類共12 小類，分別為：巨粒土（包含漂石土和卵石土）、粗粒土（包含礫類土和砂類土）、細(xì)粒土（包含粉質(zhì)土、黏質(zhì)土和有機(jī)質(zhì)土）和特殊土（包含黃土、膨脹土、紅黏土、鹽漬土和凍土）。而路基土質(zhì)填料比較常用的有粗粒土和細(xì)粒土中的粉質(zhì)土和黏質(zhì)土；而細(xì)粒土中的有機(jī)質(zhì)土和特殊土中的黃土、膨脹土、紅黏土、鹽漬土及凍土，因其土中含有對路基有害的物質(zhì)或礦物質(zhì)，一般不采用。

2.2 常用土質(zhì)填料的工程性質(zhì)和使用要求

下面就以粗粒土和細(xì)粒土（粉質(zhì)土和黏質(zhì)土）按其工程性質(zhì)和使用要求分述如下：

（1）粗粒土（≥60mm 顆粒含量≤15%，且≥0.075mm 顆粒含量＞50%的土）粗粒土按礫粒組（即2～60mm 顆粒）質(zhì)量與砂粒組（即0.075～2mm 顆粒）質(zhì)量相比較，分為礫類土（礫粒組質(zhì)量多于砂粒組質(zhì)量）和砂類土（礫粒組質(zhì)量少于或等于砂粒組質(zhì)量）；再以細(xì)粒組（即＜0.075mm 顆粒）含量的多少，又各細(xì)分為3 種土，分別為：礫或砂（細(xì)粒組含量≤5%）、含細(xì)粒土礫或砂（5%＜細(xì)粒組含量≤15%）和細(xì)粒土質(zhì)礫或砂（15%＜細(xì)粒組含量≤50%）。

①礫和砂

該類土其可塑性小，透水性和水穩(wěn)性均好，毛細(xì)上升高度很小，具有較大的摩擦系數(shù)。級配良好的礫，密實(shí)程度好，強(qiáng)度和穩(wěn)定性均能滿足要求，是一種優(yōu)質(zhì)填料。但砂，特別是細(xì)砂，容易松散，對流水沖刷和風(fēng)蝕的抵抗能力差；為克服這一缺點(diǎn)，可適當(dāng)摻加一些黏性大的土，或?qū)吰卤砻嬗枰苑雷o(hù)，以提高路基穩(wěn)固性。

②含細(xì)粒土礫或砂、細(xì)粒土質(zhì)礫或砂

該類土其顆粒組成級配較好，易于壓實(shí)，具有足夠的內(nèi)摩擦力，又有一定的黏結(jié)性，遇水干得快而不膨脹，干時(shí)楊塵少，為填筑路基的良好材料。

（2）細(xì)粒土（＜0.075mm 顆粒含量≥50%的土）

細(xì)粒土按實(shí)測液限含水率（wL）和塑性指數(shù)（IP）在塑性圖的位置與塑性圖中的A 線（IP=0.73*（wL-20））位置進(jìn)行比較分為粉質(zhì)土（位于A 線以下時(shí)）和黏質(zhì)土（位于A 線或A 線以上時(shí)）；再與塑性圖中的B 線（wL=50%）位置相比較（在B 線或B 線以右稱為高液限，在B 線以左稱為低液限），并結(jié)合粗粒組（即0.075～60mm 顆粒）含量的多少和粗粒組中礫粒與砂粒含量的比較，又各細(xì)分為為6 種土，粉質(zhì)土分為高液限粉土（MH）、低液限粉土（ML）、含礫高液限粉土（MHG）、含礫低液限粉土（MLG）、含砂高液限粉土（MHS）和含砂低液限粉土（MLS），黏質(zhì)土分為高液限黏土（CH）、低液限黏土（CL）、含礫高液限黏土（CHG）、含礫低液限黏土（CLG）、含砂高液限黏土（CHS）和含砂低液限黏土（CLS）。

①粉質(zhì)土

該類土因含有較多的粉粒，毛細(xì)現(xiàn)象嚴(yán)重，干時(shí)易被風(fēng)蝕，浸水后很快被濕透，在季節(jié)性冰凍地區(qū)常引起凍脹和翻漿，水飽和時(shí)有震動(dòng)液化問題。大量試驗(yàn)表明，當(dāng)細(xì)粒土是由黏粒（＜0.002mm 顆粒）和粉粒（0.075～0.002mm 顆粒）組成時(shí)，粉粒中黏粒含量少于10%可能會表現(xiàn)出粗粒土的工程特性，而當(dāng)黏粒含量過10%～25%就有可能表現(xiàn)出明顯的黏土性狀。因此，粉質(zhì)土是一種工程性質(zhì)很不穩(wěn)定的土類，具有兩面性，它依土中黏粒含量的多少表現(xiàn)出砂土或黏土的特征。如果在水溫條件差而不得已使用時(shí)，應(yīng)摻配其他材料，改善其性質(zhì)，并加強(qiáng)排水以及采取設(shè)置隔離層等措施。

②黏質(zhì)土

該類土具有較大的可塑性和黏結(jié)性，毛細(xì)現(xiàn)象也很顯著，但透水性很差，干濕循環(huán)因脹縮引起的體積變化也大，干燥時(shí)，堅(jiān)硬而不易挖掘，浸水后，能夠較長時(shí)間保持水分而強(qiáng)度下降較多，過干或過濕時(shí)都不便施工。如在適當(dāng)含水量時(shí)加以充分壓實(shí)，并有良好排水的件下，筑成的路基也較穩(wěn)定。

③液限大于50%、塑性指數(shù)大于26、含水量不適宜直接壓實(shí)的細(xì)粒土

該類土的透水性很差，干時(shí)堅(jiān)硬，不易挖掘；并具有較大的可塑性、黏性和膨脹性，毛細(xì)現(xiàn)象很顯著；浸水后能較長時(shí)間保持水分，承載力很小，不宜作為路堤填料。如缺乏好的填料時(shí)，可采取摻石灰、固化材料等技術(shù)措施，對其進(jìn)行砂化處理，以改善土質(zhì)提高其強(qiáng)度。

2.3 《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》 （JTG F10-2006） 中對路基填料的要求

(1)含草皮、生活垃圾、樹根、腐殖質(zhì)的土嚴(yán)禁作為路基填料。

(2)泥炭、淤泥、凍土、強(qiáng)膨脹土、有機(jī)質(zhì)土及易溶鹽超過允許含量的土，不得直接用于填筑路基，確需使用時(shí)，必須采取技術(shù)措施進(jìn)行處理，經(jīng)檢驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求后方可使用。

(3)液限大于50%、塑性指數(shù)大于26、含水量不適宜直接壓實(shí)的細(xì)粒土，不得直接作為路基填料；需要使用時(shí)，必須采取技術(shù)措施進(jìn)行處理，經(jīng)檢驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求后方可使用。

(4)粉質(zhì)土不宜直接填筑于路床，不得直接填筑于浸水部分的路堤及冰凍地區(qū)的路床。

(5)填料強(qiáng)度和粒徑，應(yīng)符合下表1 的規(guī)定。

表1 路基填料最小強(qiáng)度和最大粒徑要求

2.4 工程實(shí)例一

漳州浦南大橋連接線道路工程，設(shè)計(jì)公路等級為一級公路，采用雙向四車道，路面結(jié)構(gòu)層為水泥砼路面，全長6.8km。應(yīng)施工方委托對K5+500～K6+100 試驗(yàn)段的路基進(jìn)行填料檢測和路床頂面壓實(shí)度及彎沉檢測。該試驗(yàn)段的路基填料最先采用K6+280～K6+440 路段的挖方土（利用方），由于路床頂面彎沉檢測達(dá)不到設(shè)計(jì)彎沉要求，后又線外借土將路床部分（0～80cm）的土進(jìn)行換填，最終才滿足設(shè)計(jì)要求。換填前后檢測數(shù)據(jù)如下：

（1）換填前后使用的土質(zhì)填料檢測數(shù)據(jù)如下表2：

表2 換填前后的土質(zhì)填料檢測數(shù)據(jù)對比表

從以上實(shí)測數(shù)據(jù)分析，利用方的土雖液限含水率、塑性指數(shù)和強(qiáng)度（承載比）均能滿足規(guī)范要求，但該土屬于粉質(zhì)土（含砂低液限粉土(MLS)）范圍，規(guī)范要求為不宜直接填筑于路床；而借土方土其各項(xiàng)檢測指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，為粗粒土（含細(xì)粒土砂（SF））范圍，是土方路基的良好填料。

（2）兩種填料均嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行分層填筑和碾壓，其壓實(shí)度均能滿足規(guī)范要求，并對成型的路床頂面進(jìn)行彎沉檢測（采用貝克曼梁法檢測），其彎沉檢測數(shù)據(jù)如下表3：

表3 換填前后彎沉檢測數(shù)據(jù)對比表

從以上實(shí)測數(shù)據(jù)分析，該試驗(yàn)路段采用利用方土所填筑的路床彎沉檢測的代表值為359.8（0.01mm），遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)彎沉值200（0.01mm）的要求；經(jīng)于路床部分換填借方土后所測路床彎沉代表值為160.3（0.01mm），能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 對常用土質(zhì)填料選擇的建議

通過介紹常用土質(zhì)填料（粗粒土和細(xì)粒土中的粉質(zhì)土及黏質(zhì)土）的工程性質(zhì)和使用要求，并結(jié)合實(shí)際檢測工作中的工程實(shí)例，對土方路基填料的選擇應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行選擇，方能滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)的要求。土方路基填料應(yīng)優(yōu)先選用級配良好的礫類土、砂類土等粗粒土，而選用細(xì)粒土?xí)r，應(yīng)先通過試驗(yàn)路段施工和檢驗(yàn)，以確定適合的土質(zhì)填料。

3 填料含水率對路基壓實(shí)的影響

3.1 土方路基壓實(shí)的意義

土方路基在施工過程中通過對土質(zhì)填料的挖、運(yùn)、填等工序，土料原始天然結(jié)構(gòu)被破壞，呈松散狀態(tài)、為使路基具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，必須進(jìn)行人為壓實(shí)使其呈密實(shí)狀態(tài)。通過采用壓實(shí)機(jī)具對土基進(jìn)行壓實(shí)時(shí)，使三相土體中的土顆粒不斷靠攏、小顆粒填充于大顆粒的空隙中，使土顆粒間空隙里的空氣不斷排出土體外，土顆粒間空隙不斷減小，單位體積內(nèi)的土顆粒和水分質(zhì)量不斷提高（但土體的含水率不變）。由于土顆粒的不斷靠攏、重新排列成新的密實(shí)結(jié)構(gòu)，土的內(nèi)摩擦力和粘聚力大大增加，從而提高了土基的強(qiáng)度；而由于土顆粒間空隙減少，外界水分進(jìn)入土體的通道被堵塞，阻力增加，從而降低了土的滲透性，使土基的水穩(wěn)定性得到提高。所以土基的壓實(shí)工作是路基施工過程中的一個(gè)重要工序，是保證路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性的根本措施之一。

通過室內(nèi)試驗(yàn)和老路基的調(diào)查均說明，土體經(jīng)過壓實(shí)后，使土基的物理力學(xué)性質(zhì)得到極大的改善。壓實(shí)良好的土基強(qiáng)度高、抵抗變形的能力大，可以避免自然沉降或在重型汽車作用下土基產(chǎn)生進(jìn)一步壓實(shí)和沉陷；壓實(shí)可以明顯地減少土體的透水性，減少毛細(xì)水的上升高度和飽水量，增加其水穩(wěn)定性，能在一定程度上防止冬季結(jié)凍期間土體的水分積聚和春融期土基軟化，從而為路面的正常工作和減薄路面厚度創(chuàng)造有利條件。

在零填和路塹挖方地段，由于天然土體埋深狀態(tài)的不同，土體雖未經(jīng)擾動(dòng)，但其密實(shí)度不一定符合路基的要求，因此要進(jìn)行壓實(shí)，達(dá)到規(guī)定的密實(shí)度，從而保證路基有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3.2 填料含水率對路基壓實(shí)度的影響

根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，土的壓實(shí)過程和壓實(shí)的效果受多種因素的影響，對于具有塑性的土，影響壓實(shí)的因素有內(nèi)因和外因兩方面，內(nèi)因主要是含水率和土的性質(zhì)，外因主要指壓實(shí)工藝（壓實(shí)機(jī)具、壓實(shí)方法和分層厚度等）。土的性質(zhì)在上一節(jié)已經(jīng)介紹過，土基的壓實(shí)工藝也已經(jīng)較為成熟，而填料壓實(shí)時(shí)的含水率控制往往不夠重視。

通過擊實(shí)試驗(yàn)，我們知道干密度是作為表征密實(shí)度的指標(biāo)，同一種土樣在同等壓實(shí)功作用下，一定含水量之前土的干密度隨含水率增加而提高，這主要是因?yàn)樗谕令w粒之間起潤滑作用，土顆粒間阻力減小，壓實(shí)時(shí)土顆粒更易于移動(dòng)擠緊，土體中空隙減小，干密度得以提高。干密度達(dá)到最大值后，含水率再繼續(xù)增大，土中空隙被過多的水所占據(jù)，含水率愈大占據(jù)的體積愈多，土體中的水分在壓實(shí)時(shí)不能壓縮，更不易被擠出，而水的密度較土顆粒低，因此土的干密度隨含水量增加而降低。壓實(shí)時(shí)如控制土的含水率為最佳含水率時(shí)，則壓實(shí)效果最好，耗費(fèi)的壓實(shí)功最少。

試驗(yàn)結(jié)果說明，只有在最佳含水量時(shí)，壓實(shí)到最大干密度的土體，在遇水飽和后其密度和強(qiáng)度下降的幅度最小，因此其水穩(wěn)定性最好。這是由于在最佳含水量時(shí)壓實(shí)至最大干密度的土體其剩余空隙最小，當(dāng)受水浸時(shí)其吸水量最小，密實(shí)度下降也最小。

現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)方法中是以彈性模量（回彈模量）作為土基的強(qiáng)度指標(biāo)，但在土基壓實(shí)時(shí)不用強(qiáng)度指標(biāo)來控制壓實(shí)，而采用干密度來控制土基的壓實(shí)工作，主要是因?yàn)榈陀谧罴押繒r(shí)土的強(qiáng)度指標(biāo)可能達(dá)到較高值，但一旦浸水強(qiáng)度就隨之有所降低。

因此，含水量是影響壓實(shí)效果的決定性因素，在最佳含水量時(shí)，最容易獲得最佳的壓實(shí)效果。

3.3 工程實(shí)例二

南靖縣山梅線改線工程，設(shè)計(jì)公路等級為三級公路，采用雙向兩車道，路面結(jié)構(gòu)層為水泥砼路面，全長1.514km。應(yīng)施工方委托對K0+000～K0+400 路段的路基進(jìn)行填料檢測和路床頂面壓實(shí)度及彎沉檢測。該路段的路基填料是采用線外借土，第1 次現(xiàn)場檢測時(shí)，由于現(xiàn)場土質(zhì)填料含水率偏大，導(dǎo)致壓實(shí)度和彎沉均不滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求；路床部分經(jīng)翻曬和重新碾壓，最終檢測的壓實(shí)度和彎沉才滿足要求。填料檢測和現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)如下：

（1）借土方的土質(zhì)填料檢測數(shù)據(jù)如下表4：

表4 借土方的土質(zhì)填料檢測數(shù)據(jù)表

借土方土其各項(xiàng)檢測指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，為粗粒土（粉土質(zhì)砂（SM））范圍，是土方路基的良好填料。

（2） 翻曬前后路床頂面的壓實(shí)度和彎沉檢測情況如下（表5～表6）：

表5 翻曬前后路床頂面的彎沉檢測數(shù)據(jù)對比表

表6 翻曬前后路床頂面的壓實(shí)度檢測數(shù)據(jù)對比表

從以上兩個(gè)實(shí)測數(shù)據(jù)對比表進(jìn)行分析，可以看出翻曬前現(xiàn)場檢測時(shí)，由于填料實(shí)際含水率（范圍為17.5%～18.8%）比最佳含水率（13.8%）偏大，難以壓實(shí)，從而導(dǎo)致實(shí)測壓實(shí)度偏?。ㄒ?guī)定為≥95%）和實(shí)測彎沉值偏大（設(shè)計(jì)彎沉值為322（0.01mm））；而經(jīng)翻曬后現(xiàn)場檢測時(shí)，由于現(xiàn)場填料含水率（范圍為13.4%～15.5%）較接近最佳含水率，故檢測的壓實(shí)度能達(dá)到預(yù)料結(jié)果和滿足規(guī)范要求，而壓實(shí)度的提高，也直接導(dǎo)致檢測的彎沉值變小，并能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

綜合以上分析，土質(zhì)填料的選擇是土方路基施工的首要和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是直接關(guān)系到路基施工的成敗，不僅要考慮填料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，還應(yīng)結(jié)合本地區(qū)氣候特點(diǎn)考慮其適用性，并進(jìn)行實(shí)際施工驗(yàn)證；而壓實(shí)時(shí)填料含水率的控制，也是土方路基壓實(shí)工作的重要一環(huán)，含水率控制得當(dāng)（即接近最佳含水率），在保證壓實(shí)效果的前提下，可提高壓實(shí)效率，節(jié)約成本。

[1]JTG E40-2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社,2007.

[2]JTG F10-2006，公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2006.

[3]JTG E60-2008，公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程[S].北京：人民交通出版社,2008.

[4]JTG F80/1-2004，公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民交通出版社,2004.

[5]陸鼎中，程家駒.路基路面工程[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1999.