天然級配砂礫在高填方路基工程中的應(yīng)用

王曉飛

中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司（101400）

天然級配砂礫在高填方路基工程中的應(yīng)用

王曉飛

中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司（101400）

通過分析天然級配砂礫的材料性能及北京市懷柔區(qū)小泉河分洪渠工程深基坑高填方路基施工質(zhì)量控制中的問題，對天然級配砂礫在高填方路基工程中的應(yīng)用進(jìn)行了探究。

天然級配砂礫；高填方路基；材料；質(zhì)量控制

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，我國一些城市大型建筑和復(fù)雜的交通道路，如雨后春筍一般快速地發(fā)展起來，并且這種趨勢還有增無減。但是，在這種發(fā)展的背后,也存在著一些復(fù)雜的施工難題,例如，在氣候和地理環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜的地區(qū)進(jìn)行施工，針對復(fù)雜地段高填方路基開始大量的出現(xiàn)。

高填方路基相對一般路基而言，具有填料用量大、填筑高度大、填筑斷面面積大、路堤本身累計(jì)沉降大、穩(wěn)定性需進(jìn)行專門分析和驗(yàn)證等特點(diǎn)，因此，高填方路基施工中填料的選擇尤為重要，既要考慮填料在高填方路基工程中的適用性，又要考慮填料的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。北京市懷柔區(qū)存在著豐富的天然級配砂礫資源，因此，在懷柔區(qū)高填方路基工程中，天然級配砂礫自然成為優(yōu)先選用的路基理想填料。在就地取材的前提下，儲量豐富的天然級配砂礫得到了充分利用，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)帶來發(fā)展。

然而，天然級配砂礫質(zhì)量不均勻，材料性能復(fù)雜，應(yīng)用到高填方路基中道路也不穩(wěn)定，同時(shí)，高填方路基施工難度大，施工工藝以及施工質(zhì)量難以控制，極大地影響了高填方路基的質(zhì)量。反映天然級配砂礫材料性能的主要是材料級配和材料強(qiáng)度，而施工中質(zhì)量控制的幾個(gè)重要問題，分別是材料的顆粒級配、最大粒徑、含水量、施工碾壓壓實(shí)度等。

1 天然級配砂礫的材料性能

1.1 天然級配砂礫的作用機(jī)理

天然級配砂礫是由大量單個(gè)顆粒組成的砂礫石，它的物理性質(zhì)介于固體與流體之間，它的顆粒易滑動(dòng)，從而會(huì)對維護(hù)面產(chǎn)生一定的壓力。砂礫屬于沉積巖中的陸源碎屑巖，在壓實(shí)過程中，細(xì)顆粒填入到粗顆粒的空隙中，使路基密實(shí)度增加，在經(jīng)大噸位壓路機(jī)的振動(dòng)碾壓后，天然級配砂礫的粗細(xì)顆粒彼此緊密鑲嵌，提高路基強(qiáng)度，減小空隙率，增加路基使用過程中的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

1.2 天然級配砂礫的級配

級配是天然砂礫粒徑顆粒的分配情況，良好的級配是指粗顆粒的空隙恰好由中顆粒填充，中顆粒的空隙恰好由細(xì)顆粒填充，如此逐級填充使天然砂礫形成最致密的堆積狀態(tài),空隙率達(dá)到最小值，堆積密度達(dá)到最大值。天然砂礫級配決定著高填方路基碾壓的密實(shí)度，碾壓的密實(shí)度又直接影響高填方路基結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。大量的碾壓試驗(yàn)證明：級配不良的天然級配砂礫難以碾壓密實(shí)，而級配良好的天然級配砂礫則容易碾壓密實(shí)；前者碾壓的強(qiáng)度和穩(wěn)定性較差,后者碾壓的強(qiáng)度和穩(wěn)定性較好。天然砂礫石缺乏黏性，容易產(chǎn)生水破壞、冰凍破壞、滲透破壞、松散破壞等現(xiàn)象，合理的級配有助于保證混合料的冰、水穩(wěn)定性[1]。

1.3 天然級配砂礫的強(qiáng)度

天然級配砂礫屬于無黏性顆粒材料，強(qiáng)度的形成主要來源于顆粒之間的嵌擠密實(shí)。所以，天然級配砂礫的強(qiáng)度首先決定于砂礫本身的強(qiáng)度和顆粒組成，其次取決于施工過程中控制的壓實(shí)度。

天然級配砂礫高填方路基結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是這樣產(chǎn)生的：砂礫的顆粒之間的聯(lián)結(jié)能力產(chǎn)生的強(qiáng)度，這種強(qiáng)度比起砂礫顆粒自身的強(qiáng)度一般都要??；外力對它擠壓時(shí)，材料承載能力變?nèi)?，然后產(chǎn)生破壞，這是因?yàn)橥饬?huì)使得材料顆粒相互發(fā)生位移和滑動(dòng)。雖然材料顆粒自身強(qiáng)度也重要，但由于在松散材料構(gòu)成的高填方路基的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度構(gòu)成中起決定作用的是顆粒之間的相互黏結(jié)能力，通?？梢杂脦靷惞絹肀硎旧暗[石材料構(gòu)成的路基的抗剪切能力。庫倫公式表示為：

τ=с+σtanφ

其中，τ為抗剪強(qiáng)度，σ為滑動(dòng)面上法向應(yīng)力，φ為內(nèi)摩擦角，tanφ為內(nèi)摩擦系數(shù)，с為黏性土的內(nèi)聚力，σtanφ為摩擦強(qiáng)度。

由此看來，砂礫石材料構(gòu)成的路基結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是由材料內(nèi)部顆粒之間的相互摩擦決定了顆粒間的聯(lián)結(jié)能力。砂礫石材料剪切面上的應(yīng)力和其內(nèi)摩擦角主要決定了它的抗剪強(qiáng)度，它的強(qiáng)度是按相互嵌入并且擠壓的原理產(chǎn)生的。

以下因素影響著天然級配砂礫在高填方路基抵抗剪切力的強(qiáng)度：

一是天然級配砂礫顆粒表面的相互滑動(dòng)摩擦；二是砂礫因剪切時(shí)體積膨脹而克服的阻力；三是因砂礫顆粒破碎與重新排列而受到的阻力[2]。

2 天然級配砂礫在高填方路基施工中質(zhì)量控制與防治

天然級配砂礫在高填方路基施工中，存在三個(gè)問題直接影響到施工的質(zhì)量：第一個(gè)是材料本身的顆粒級配情況，第二個(gè)是材料在填筑過程中的含水量，第三個(gè)是施工時(shí)的碾壓工藝、方法。

2.1 材料顆粒級配

天然級配砂礫因?yàn)椴皇侨斯せ驒C(jī)械摻和的級配，而是天然級配，所以料源質(zhì)量不穩(wěn)定，有可能出現(xiàn)較差的情況。顆粒級配較差的天然級配砂礫容易出現(xiàn)以下現(xiàn)象：礫石顆粒過多過大，即含有過多的直徑大于100 mm的巨粒卵石或砂礫；礫石顆粒過少過小，即粒徑大于2 mm的顆粒質(zhì)量未達(dá)到總質(zhì)量的50%。級配就意味著大小顆粒相互匹配，小一級的顆粒填充大一級顆粒的空隙，使顆粒間嵌擠緊密、空隙率小、密度高、穩(wěn)定性好，所以使用級配良好的天然級配砂礫能較好地提高高填方路基結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

在懷柔區(qū)小泉河分洪渠工程深基坑高填方路基施工前，對天然級配砂礫料源進(jìn)行了考察。考察發(fā)現(xiàn),懷柔地區(qū)的天然級配砂礫各級顆粒比較均勻，但其中含有部分顆粒粒徑超過100 mm的卵石。為解決這一問題，通過在自卸車上加焊10 cm×10 cm鋼筋網(wǎng)片形成篩網(wǎng)的方法，有效地控制了天然級配砂礫的最大粒徑，并且對天然級配砂礫進(jìn)行了大量的取樣篩分試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，懷柔地區(qū)的天然級配砂礫級配良好，可用于深基坑高填方路基工程中。

然而，在懷柔區(qū)小泉河分洪渠深基坑高填方路基施工過程中的一些施工因素也改變了天然級配砂礫的顆粒情況。材料卸車和機(jī)械攤鋪使砂礫粗、細(xì)料離析，表現(xiàn)為粗細(xì)集料集中，攤鋪后，出現(xiàn)梅花狀,即砂礫集中。粗、細(xì)料離析的級配砂礫，梅花狀部分空隙率大，不密實(shí)，嵌擠力小；砂窩部分松散，不穩(wěn)定，會(huì)影響高填方路基的填筑質(zhì)量。為避免施工因素的影響，施工過程中采取了以下措施進(jìn)行質(zhì)量控制：在天然級配砂礫攤鋪過程中，將粗、細(xì)料拌合均勻，無粗、細(xì)料分離現(xiàn)象。在碾壓過程中若發(fā)現(xiàn)有梅花狀、砂窩存在，就將梅花狀部分、砂窩部分分別挖出，摻入砂或礫石翻拌，翻拌均勻后再進(jìn)行填筑、碾壓。如此控制，使天然砂礫達(dá)到級配均勻、密實(shí)。

2.2 材料的含水量

天然級配砂礫屬于無黏性粗粒土。在級配良好的條件下，當(dāng)材料含水量為零時(shí)，干密度值較大；稍增大含水量，干密度反而減小；但隨著含水量的繼續(xù)增大，干密度過了最低值后又逐漸增大，這是無黏性粗粒土獨(dú)有的特征。出現(xiàn)這種特征的原因主要是無黏性粗粒土較粗，細(xì)顆粒也呈砂性，顆粒之間黏結(jié)力趨于零。當(dāng)含水量為零時(shí)，在外力作用下，大小顆粒易于相互填充，形成較高的密度；當(dāng)稍加水后，顆粒表面形成一層薄膜水，增大了分子引力，顆粒間形成了似黏結(jié)力，因而不易壓實(shí)，干密度較??；以后隨著含水量的增大，水膜增厚，水分子引力逐漸減小，以至消失，同時(shí)還在顆粒間起潤滑作用，減小了摩擦阻力，顆粒在外力作用下易于移動(dòng)和相互填充，可達(dá)到較高的密度值。

由于天然級配砂礫自身顆粒粗，透水性強(qiáng)，具有自由排水能力，難以保持水分，因此很難達(dá)到最佳含水量。懷柔區(qū)天然級配砂礫的天然含水率在2%～3%，通過表面振動(dòng)擊實(shí)法試驗(yàn)，其最大干密度為2.273 g／cm3，在小泉河分洪渠深基坑高填方路基施工過程中，選定了路基試驗(yàn)段，按相同的碾壓方式，對天然級配砂礫不同含水量的壓實(shí)度進(jìn)行了試驗(yàn)檢測，試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 天然級配砂礫不同含水量的壓實(shí)度

從表1可以看出，天然級配砂礫的含水量在4%～6%時(shí)，其壓實(shí)效果比較好。在施工過程中，若填料含水量偏高,則采用翻曬法降低填料含水量；若填料含水量偏低，則采用灑水車灑水，提高填料含水量。通過對天然級配砂礫填料含水量的控制，有效地保證了深基坑高填方路基的填筑質(zhì)量。

2.3 施工碾壓工藝、方法

天然級配砂礫高填方路基結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度主要來自于對松散砂礫進(jìn)行碾壓的壓實(shí)度。高填方路基的填方荷載較大，為了盡可能減小填筑體本身的壓縮變形，提高其密實(shí)度是減小填筑體本身變形的直接手段。施工過程中，如果天然級配砂礫填料的攤鋪厚度過大、碾壓遍數(shù)不夠，會(huì)造成高填方路基結(jié)構(gòu)整體沉降過大；如果填挖交界處未進(jìn)行處理，會(huì)造成交界處產(chǎn)生不均勻沉降;如果防排水措施不到位，會(huì)使高填方路基本體遭水浸泡失穩(wěn)；如果邊坡刷坡不及時(shí)，坡度不夠，會(huì)造成邊坡滑坡。這些問題都會(huì)影響高填方路基結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。因此，在高填方路基施工過程中，要嚴(yán)格施工工藝及方法。

懷柔區(qū)小泉河分洪渠工程深基坑高填方路基的平均填筑高度在25 m左右，最高處達(dá)30 m。填筑施工前，在深基坑坡頂?shù)孛嬖O(shè)置了不滲水的截水溝，以防止地表水流入基坑內(nèi)；邊坡坡腳設(shè)置了排水溝,以防路堤遭水浸泡。施工過程中，選取了路基試驗(yàn)段，壓實(shí)度采用標(biāo)高高差控制，確定了壓路機(jī)碾壓遍數(shù)及天然級配砂礫的松鋪系數(shù)。天然級配砂礫按照分層攤鋪、分層碾壓的方法，每層攤鋪采用網(wǎng)格放樣，統(tǒng)一采用車輛運(yùn)輸，根據(jù)厚度確定用量。網(wǎng)格橫向?qū)挾葹? m，縱向?qū)挾葹?0 m，擬定松鋪厚度為30 cm，使用白灰在作業(yè)面將網(wǎng)格繪出，沿網(wǎng)格邊線每隔8 m布設(shè)一根鋼筋掛線，嚴(yán)格控制填料厚度，使填料厚度控制在30±2 cm以內(nèi)。填料攤鋪整平使用推土機(jī)，人工掛線配合找平，保證控制層面無顯著局部凹凸。碾壓按照先邊后中、先輕后重、先慢后快、先靜后振、先弱后強(qiáng)的原則，重疊碾壓。錯(cuò)輪寬度對振動(dòng)壓路機(jī)不小于壓實(shí)輪的1/2，路堤每邊寬度超填50 cm，碾壓達(dá)到無漏壓、無死角，按路基試驗(yàn)段確定的碾壓遍數(shù)進(jìn)行碾壓,無明顯輪跡。

填料壓實(shí)度檢測采用灌水法，試驗(yàn)坑直徑為30 cm，檢測頻率為每填筑1 000 m2檢測3點(diǎn)，每層填料碾壓完成后，及時(shí)進(jìn)行壓實(shí)度試驗(yàn)檢測，檢測合格后方允許填筑上一層。在填挖交界處采用挖臺階法搭接，從填方坡腳向上挖成向內(nèi)傾斜的臺階，坡度為2%，臺階寬度不小于2 m，并在搭接處鋪設(shè)三向土工格柵。填筑過程中，路堤每層填筑向排水溝方向做成坡度不小于3‰的橫坡，以防雨季施工時(shí)路堤頂面積水。路堤每填筑1 m進(jìn)行邊坡整修，測量放樣后對坡面刷坡清理，坡度檢驗(yàn)合格后，采用漿砌片石進(jìn)行邊坡防護(hù)。施工碾壓壓實(shí)度合格后，每填筑1 m鋪設(shè)一層三向土工格柵，每填筑1.5 m采用藍(lán)派式?jīng)_擊碾壓壓實(shí)機(jī)碾壓20遍進(jìn)行沖擊補(bǔ)強(qiáng)壓實(shí)，提高路基整體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。施工過程中還應(yīng)建立觀測點(diǎn)網(wǎng)，路基每填筑一層進(jìn)行一次沉降監(jiān)測和水平位移監(jiān)測,對路基的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過以上施工工藝及方法進(jìn)行施工質(zhì)量控制，有效地保證了小泉河分洪渠工程深基坑高填方路基的填筑質(zhì)量。

3 結(jié)論

按照科學(xué)的施工工藝及方法，級配良好的天然級配砂礫應(yīng)用于高填方路基工程中，能夠有效地提高高填方路基本體的強(qiáng)度和路基整體的穩(wěn)定性，從而提高了高填方路基的使用性能。

[1]JTGF 10-2006,中交第一公路工程局有限公司.公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2006.

[2]JTGE 40-2007,交通部公路科學(xué)研究院.公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社,2010.