全風(fēng)化花崗巖路基剛度提升方法研究?

陳杰，龍志東，張銳，劉正楠

（1.廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司，廣東廣州 510620；2.廣東廣佛肇高速公路有限公司，廣東佛山 528041；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

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全風(fēng)化花崗巖路基剛度提升方法研究?

陳杰1，2，龍志東3，張銳3，劉正楠3

（1.廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司，廣東廣州 510620；2.廣東廣佛肇高速公路有限公司，廣東佛山 528041；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

摘要：為了解決全風(fēng)化花崗巖路基工后受濕熱氣候影響而含水率逐漸升高，導(dǎo)致路基整體剛度降低的問(wèn)題，依托廣佛肇（廣州—佛山—肇慶）高速公路路基修筑工程，開(kāi)展全風(fēng)化花崗巖物理性質(zhì)、擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)承載板試驗(yàn)，提出了以最大承載力為目標(biāo)的壓實(shí)控制方法和路基剛度補(bǔ)償方法。研究表明，采用以浸水CBR峰值所對(duì)應(yīng)的含水率為最佳含水率進(jìn)行路基壓實(shí)控制，并在路基頂面以下鋪設(shè)22 cm厚未篩分碎石，可有效提升路基整體剛度，并保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：公路；全風(fēng)化花崗巖；路基；回彈模量；剛度補(bǔ)償

花崗巖在中國(guó)南方地區(qū)分布廣泛。全風(fēng)化花崗巖是花崗巖經(jīng)物理、化學(xué)等綜合風(fēng)化作用而殘留在原地的碎屑物，其結(jié)構(gòu)松散、粘聚力較小、水穩(wěn)性較差、云母含量較高，遇水易軟化。直接利用該類土填筑路基時(shí)，常常難以達(dá)到壓實(shí)的要求，即使達(dá)到壓實(shí)要求，全風(fēng)化花崗巖路基受濕熱氣候的長(zhǎng)期影響其含水率會(huì)逐漸升高，導(dǎo)致土顆粒間表面水化膜增厚、聯(lián)結(jié)性減弱，繼而路基強(qiáng)度和剛度降低，有可能造成路面早期破壞。因此，確保全風(fēng)化花崗巖路基剛度的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐久性，對(duì)于確保路基路面整體使用性能至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)全風(fēng)化花崗巖展開(kāi)過(guò)相關(guān)研究，通過(guò)對(duì)全風(fēng)化花崗巖的粒度成分、塑性指標(biāo)、壓實(shí)性能、CBR值等相關(guān)試驗(yàn)，分析了含水率對(duì)路基剛度的影響，對(duì)全風(fēng)化花崗巖填料的工程性質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并開(kāi)展了其強(qiáng)度、剛度方面的試驗(yàn)。但針對(duì)路基剛度的不足現(xiàn)象，在路基模量提升方面的研究仍有不足之處，未提出有效的解決方法。

該文以廣佛肇（廣州—佛山—肇慶）高速公路全風(fēng)化花崗巖路基修筑工程為依托，通過(guò)對(duì)全風(fēng)化花崗巖進(jìn)行系統(tǒng)的室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)承載板試驗(yàn)，提出以最大承載力為目標(biāo)的全風(fēng)化花崗巖路基壓實(shí)控制新方法。同時(shí)針對(duì)新方法所確定的最佳含水率偏高、最大干密度偏低的問(wèn)題，提出路基剛度補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法，以提升全風(fēng)化花崗巖路基的工后剛度。

1　全風(fēng)化花崗巖的工程特性

研究土樣取自廣佛肇高速公路K117+070—130試驗(yàn)段，取樣深度均為3 m左右，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣、室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)等研究全風(fēng)化花崗巖土的物理力學(xué)特性。

依據(jù)現(xiàn)行土工試驗(yàn)規(guī)程對(duì)全風(fēng)化花崗巖土樣（取樣深度2.60～3.00 m）進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得到土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)（如表1所示）。

表1　全風(fēng)化花崗巖的物理性質(zhì)指標(biāo)與成分組成

2　全風(fēng)化花崗巖的室內(nèi)試驗(yàn)

為了了解全風(fēng)化花崗巖的擊實(shí)特性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)等，研究全風(fēng)化花崗巖土的力學(xué)特性。

2.1擊實(shí)試驗(yàn)

傳統(tǒng)的路基壓實(shí)控制方法采用的是以最大干密度對(duì)應(yīng)下的含水率作為控制標(biāo)準(zhǔn)，即干法擊實(shí)試驗(yàn)，然而在中國(guó)南方氣候濕熱地區(qū)，采用干法擊實(shí)得到的最佳含水率達(dá)不到路基濕度的平衡含水率，不滿足施工條件，路基也達(dá)不到壓實(shí)度控制要求。因此，采用濕法擊實(shí)試驗(yàn)，讓土樣更接近于路基施工中的實(shí)際含水率，以利于填料的翻曬和滿足路基施工條件。采用濕法擊實(shí)得到的結(jié)果如圖1所示。由此得到濕法擊實(shí)條件下的最佳含水率為12.1%，對(duì)應(yīng)的最大干密度為1.89 g/cm3。

圖1　全風(fēng)化花崗巖濕法擊實(shí)曲線

2.2CBR試驗(yàn)

CBR是反映路基土力學(xué)強(qiáng)度的指標(biāo)，是路基路面設(shè)計(jì)中必須考慮的一個(gè)重要參數(shù)。為了研究全風(fēng)化花崗巖土填料的承載力變化特點(diǎn)及是否在最佳含水率條件下對(duì)應(yīng)有最大CBR值，對(duì)土樣進(jìn)行CBR試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

由CBR曲線得到CBR峰值對(duì)應(yīng)的土樣含水率為16.3%，對(duì)應(yīng)濕法擊實(shí)條件下的干密度為1.78 g/cm3，相比最大干密度對(duì)應(yīng)的最佳含水率提高近4%，而最大干密度下對(duì)應(yīng)的CBR值不到4%，剛好可滿足路基填料的最低要求。針對(duì)全風(fēng)化花崗巖常規(guī)壓實(shí)控制方法和處治技術(shù)的局限性，采用以最大承載力為目標(biāo)的全風(fēng)化花崗巖土路基壓實(shí)控制方法，即以浸水CBR峰值含水率作為壓實(shí)控制含水率，進(jìn)行試驗(yàn)路段的施工控制。

圖2　全風(fēng)化花崗巖CBR曲線

3　全風(fēng)化花崗巖的現(xiàn)場(chǎng)鋪筑試驗(yàn)

現(xiàn)行公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范采用最佳含水率和最大干密度進(jìn)行壓實(shí)控制。但從地質(zhì)勘查資料來(lái)看，全風(fēng)化花崗巖廣泛分布于福建、廣東等沿海水汽循環(huán)頻繁的濕熱地區(qū)，若仍按照最佳含水率進(jìn)行壓實(shí)控制，將導(dǎo)致施工困難。該類土的天然含水率通常在22%以上，而重型擊實(shí)的最佳含水率往往為12%～14%，也就是說(shuō)要以最佳含水率進(jìn)行壓實(shí)，需將全風(fēng)化花崗巖填料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)翻曬，降低含水率10%左右。該過(guò)程既不利于工程經(jīng)濟(jì)也不易于實(shí)施，延長(zhǎng)工期的同時(shí)施工難度也較大。鄭健龍等針對(duì)膨脹土進(jìn)行相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)膨脹土的天然含水率較高，而濕法重型擊實(shí)的最佳含水率卻較低，故提出以最大承載力為目標(biāo)的壓實(shí)控制方法，即以浸水CBR峰值含水率作為壓實(shí)控制含水率，實(shí)踐證明該方法在膨脹土路基壓實(shí)控制中可行。該方法的提出首先解決了現(xiàn)場(chǎng)填料翻曬至最佳含水率的難題，同時(shí)使棄土變廢為寶，不再需要大量的換填和進(jìn)行處治便可直接用作路基填料，滿足工程經(jīng)濟(jì)和綠色環(huán)保的要求，同時(shí)降低了施工難度。

全風(fēng)化花崗巖也表現(xiàn)出相似的性質(zhì)，為了驗(yàn)證以最大承載力為目標(biāo)的壓實(shí)控制方法對(duì)全風(fēng)化花崗巖路基模量的影響，對(duì)廣佛肇高速公路試驗(yàn)段全風(fēng)化花崗巖路基分別采用常規(guī)路基壓實(shí)控制方法與以最大承載力為目標(biāo)的壓實(shí)控制方法進(jìn)行對(duì)比。首先用光輪壓路機(jī)靜碾壓1～2遍，然后用光輪壓路機(jī)振動(dòng)碾壓3～4遍。每次碾壓時(shí)輪跡重疊大于2/3輪寬，保持車速不超過(guò)5 km/h。終壓完成后，選取70 m測(cè)試路段，測(cè)點(diǎn)沿車道中線、行車道2個(gè)不同位置每隔10 m選取，依次進(jìn)行承載板試驗(yàn)檢測(cè)路基土的回彈模量，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2　全風(fēng)化花崗巖路基土回彈模量檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)段路基在常規(guī)壓實(shí)控制方法下測(cè)得的土基回彈模量均值為46.4 MPa，以最大承載力為施工控制方法下測(cè)得的土基回彈模量均值為57.3 MPa，最大承載力狀態(tài)下測(cè)得的回彈模量值大于常規(guī)壓實(shí)控制方法下的結(jié)果。采用以最大承載力為目標(biāo)的壓實(shí)控制方法能達(dá)到路基壓實(shí)控制要求。

4　全風(fēng)化花崗巖路基剛度補(bǔ)償方法

針對(duì)以最大承載力確定的最佳含水率偏高、最大干密度偏低，測(cè)得的路基頂面模量值依然較低，不一定能滿足路面對(duì)路基剛度的要求的問(wèn)題，采用全風(fēng)化花崗巖路基剛度補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法。所謂路基剛度補(bǔ)償，是指在全風(fēng)化花崗巖路基頂面用壓實(shí)后的回彈模量高且具有良好水穩(wěn)性的填料（如礫石土、碎石土）填筑一層具有一定厚度的上覆層，使路基頂面的回彈模量達(dá)到路面設(shè)計(jì)要求。

將加鋪了剛度補(bǔ)償上覆層的全風(fēng)化花崗巖路基視為雙層彈性體模型（如圖3所示），設(shè)剛度補(bǔ)償層的回彈模量為E1，厚度為h，用全風(fēng)化花崗巖填筑的路基頂面回彈模量為E0，在剛性承載板的垂直荷載作用下，應(yīng)用雙層彈性理論計(jì)算得到其表面的垂直變形l。另一方面，將加鋪了剛度補(bǔ)償上覆層的全風(fēng)化花崗巖路基視為彈性半空間模型，設(shè)其頂面的當(dāng)量回彈模量為E2，在剛性承載板的垂直荷載作用下，應(yīng)用彈性半空間理論計(jì)算得到其表面的垂直位移L。通過(guò)變形等效原理，即令l=L，可在剛度補(bǔ)償層厚度已知的基礎(chǔ)上計(jì)算得到剛度補(bǔ)償層回彈模量E1，以此為依據(jù)選擇剛度補(bǔ)償上覆層材料，或在已知?jiǎng)偠妊a(bǔ)償層E1的基礎(chǔ)上確定剛度補(bǔ)償層厚度h。

圖3　路基剛度補(bǔ)償計(jì)算模型

按該路段設(shè)計(jì)文件要求，為了將路基頂面的當(dāng)量回彈模量E2提升至100 MPa，相當(dāng)于半徑為15 cm剛性承載板荷載且板底荷載平均集度為1 MPa作用下路基頂面彎沉L=206.76（0.01 mm），擬用一定厚度的未篩分碎石作為該全風(fēng)化花崗巖試驗(yàn)段路基的剛度補(bǔ)償層。通過(guò)室內(nèi)抗壓回彈模量測(cè)試，未篩分碎石回彈模量均值E1為205.6 MPa，變異系數(shù)為0.266。據(jù)此，按剛度補(bǔ)償變形等效基本原理，結(jié)合未篩分碎石E1的測(cè)試結(jié)果，通過(guò)編寫程序CMSR計(jì)算剛性承載板作用下未篩分碎石作為剛度補(bǔ)償層加鋪全風(fēng)化花崗巖試驗(yàn)路路基的頂面后的彎沉值，結(jié)果如圖4所示。為了使設(shè)計(jì)偏安全，E0取承載板回彈模量57.3 MPa。

圖4　雙層彈性體系與彈性半空間全風(fēng)化花崗巖路基頂面彎沉

從圖4可見(jiàn)：為了使路基頂面的當(dāng)量回彈模量E2有效提升至100 MPa，需鋪設(shè)21.71 cm厚回彈模量為205.6 MPa的未篩分碎石作為剛度補(bǔ)償層。

為了驗(yàn)證方法的可行性，在試驗(yàn)路段鋪設(shè)厚度為22 cm的未篩分碎石，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)工藝控制，即先采用振動(dòng)壓路機(jī)靜壓1～2遍，對(duì)道路局部鼓包、凹陷、物料離析等現(xiàn)象進(jìn)行處理，復(fù)壓采用振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)碾壓4～6遍，終壓采用雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)靜壓1～2遍，壓實(shí)結(jié)構(gòu)層上部，收光道路表面。之后進(jìn)行承載板試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖5所示。

表3　鋪設(shè)剛度補(bǔ)償層前后路基回彈模量對(duì)比

圖5　鋪設(shè)剛度補(bǔ)償層前后路基回彈模量對(duì)比

從圖5可看出：在最大承載力狀態(tài)下，在全風(fēng)化花崗巖路基頂面鋪設(shè)22 cm厚未篩分碎石后，承載板回彈模量均值從57.3 MPa提高至115.5 MPa，既滿足了路面對(duì)路基的設(shè)計(jì)要求，又有效保證了全風(fēng)化花崗巖路基的整體剛度及穩(wěn)定性。

5　結(jié)論

（1）全風(fēng)化花崗巖土含量以石英為主，土體中的粗細(xì)顆粒成分總體較接近，其液塑限較低，屬于低液限土。

（2）在最大承載力狀態(tài)下測(cè)得的土基回彈模量、動(dòng)模量較高，說(shuō)明以最大承載力為目標(biāo)的壓實(shí)控制方法對(duì)于全風(fēng)化花崗巖路基可行。

（3）增加剛度補(bǔ)償層后全風(fēng)化花崗巖路基模量明顯提升，使全風(fēng)化花崗巖路基滿足路面設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，保證了路基的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

（4）以最大承載力為目標(biāo)的全風(fēng)化花崗巖路基壓實(shí)控制方法和剛度補(bǔ)償技術(shù)適合南方全風(fēng)化花崗巖地區(qū)路基的施工要求，可將該方法進(jìn)行更廣泛的推廣和工程應(yīng)用實(shí)踐，為其他類似條件下路基施工提供參考，進(jìn)一步加強(qiáng)全風(fēng)化花崗巖路基施工控制方法理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究。

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由表1可以看出：全風(fēng)化花崗巖土樣由石英、葉蛇紋石和白云母等成分組成，以石英為主，占總含量的45%；土樣的液限小于50%，塑性指數(shù)為19.1，相對(duì)較低，屬于低液限土；土樣中含有28.8%的礫石粒，細(xì)粒含量大于50%，粒度分布于0.5～0.074 mm的含量居多，粗、細(xì)粒組總含量比較接近，但粗粒組中的中、細(xì)砂及粉砂的含量較少，屬于含礫低液限黏土。

中圖分類號(hào)：U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-2668（2016）03-0121-04

基金項(xiàng)目：?廣東省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013-00-002）

收稿日期：2016-01-20