級配不均勻天然砂礫的壓實控制標(biāo)準(zhǔn)

李宏超，李煒光，田耀剛

級配不均勻天然砂礫的壓實控制標(biāo)準(zhǔn)

李宏超1，李煒光2，田耀剛3

(1.陜西高速機械化工程有限公司，陜西西安 710038;2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064;3.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710064)

鑒于天然砂礫的壓實控制標(biāo)準(zhǔn)是路基填筑質(zhì)量的重要影響因素之一，采用一種改進(jìn)的方法確定砂礫的最大干密度及最大干密度與最佳含水率和顆粒組成之間的關(guān)系，并通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場壓實質(zhì)量控制對此方法的可靠性進(jìn)行分析。結(jié)果表明:級配不均勻砂礫路基的壓實標(biāo)準(zhǔn)的確定方法和控制標(biāo)準(zhǔn)是可行的，滿足道路路基承載能力要求;最大干密度隨著含石量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

天然砂礫;最大干密度;壓實控制;承載能力

0 引言

路基填筑材料的特性和施工工藝直接影響路基的穩(wěn)定性、強度和剛度，從而對路面結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生較大影響，因此重視路基填料的材料質(zhì)量和施工工藝很有必要。天然砂礫是一種特殊的筑路材料，因其儲量豐富且具有易密實、強度高等工程特性，被廣泛用于公路工程建設(shè)，一般作為軟基處理、臺背回填等特殊路基處治材料［1-4］。

然而，源于同一料場的天然砂礫的級配并不均勻，最大粒徑和含水率等參數(shù)也存在很大差異，施工現(xiàn)場的質(zhì)量控制難度很大，特別是壓實質(zhì)量更加難以保證。在施工現(xiàn)場，采用現(xiàn)有的壓實控制標(biāo)準(zhǔn)和方法進(jìn)行天然砂礫的壓實質(zhì)量控制，不僅會造成碾壓壓實度不足，成型的路基承載能力達(dá)不到要求，而且在道路通行一段時間后，路基會出現(xiàn)裂縫、沉陷等病害，嚴(yán)重影響道路的整體穩(wěn)定性和路面通行功能。

基于此，本文以某高速公路路基砂礫填筑為例，在室內(nèi)采用一種新方法測算天然砂礫的最大干密度，并通過承載比試驗驗證以此方法確定的最大干密度作為現(xiàn)場壓實質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的可行性;同時，將此壓實質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于現(xiàn)場壓實控制，檢驗其應(yīng)用效果和科學(xué)性。

1 天然砂礫最大干密度

1．1 最大干密度現(xiàn)有測試方法

為保證砂礫路基的壓實質(zhì)量，最大干密度的確定至關(guān)重要。砂礫屬于粗粒土，確定最大干密度的方法較多，但無論采用哪種方法，都須考慮實用原則。最大干密度定的過大，現(xiàn)場壓實很難達(dá)到，也浪費資源;定的過小，易出現(xiàn)超百現(xiàn)象，不利于保證質(zhì)量，甚至埋下路基質(zhì)量隱患［5-7］。合理的最大干密度不僅能使路基承載能力滿足要求，而且保證壓實后密度均勻，不產(chǎn)生沉降，也便于碾壓和節(jié)省施工成本。匯總規(guī)范中砂礫的最大干密度試驗方法，如表1所示。

另外，還有一些因素會影響砂礫最大干密度測試結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。第一，室內(nèi)擊實試驗用土往往不具代表性;同時，由于填料的多變性，規(guī)范規(guī)定在路基填料有變化時應(yīng)重新取樣做擊實試驗，但往往容易被忽視。其二，由于各粒徑含量的改變致使填料的顆粒級配改變，隨之引起填料類型改變，最后導(dǎo)致填料的最大干密度也發(fā)生變化，可見各粒徑含量與最大干密度有著密切的關(guān)系。因此，表1中的4種方法均不能準(zhǔn)確地確定天然砂礫的最大干密度，不適于施工現(xiàn)場壓實度控制，對于不能自由排水的黏性砂礫，上述方法也不適用。

表1 各種最大干密度確定方法對比

1．2 改進(jìn)方法的提出

為了找到一種測算天然砂礫最大干密度的有效方法，筆者參考了大量專著、論文和工程資料，總結(jié)出改進(jìn)方法的提出依據(jù)。

(1)壓實標(biāo)準(zhǔn)的衡量指標(biāo)?！豆吠凉ぴ囼炓?guī)程釋義手冊》中談到:若粗粒土中細(xì)顆粒(＜0.075 mm)含量超過土總重約15%時，則含水率對土就會產(chǎn)生明顯的影響，用適當(dāng)尺寸的壓實儀器進(jìn)行壓實試驗，就可以找出最大干密度及最佳含水率。對這類土的密實標(biāo)準(zhǔn)就不宜用相對密度來表示，而應(yīng)用最大干密度及最佳含水率來表示［8-11］。

(2)最大干密度與最佳含水率的關(guān)系。含有黏粒的砂礫，干密度與含水率之間呈三次拋物線的變化規(guī)律，即干密度隨著含水率的增大先增大，當(dāng)含水率增至某值時，干密度達(dá)到最大值，再進(jìn)一步增大含水率，干密度反而減小。

(3)顆粒組成與最大干密度的關(guān)系。砂礫屬于土的范疇。國內(nèi)習(xí)慣用粒徑5 mm作為顆粒狀材料的分界粒徑。由此引入含石量概念，即粒徑為5～40 mm的顆粒在砂礫中的含量。當(dāng)含石量增大時，土的最大干密度變大而最佳含水率變小，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因主要是石的加入可以改善土的級配。如果含石量增加過大(＞70%)，則土中細(xì)顆粒含量就不足以填充粗顆粒之間的空隙，密度會下降。由試驗結(jié)果可知，無論何種級配的砂礫，最大干密度都隨含石量的增加而先增大后減小，最佳含水率隨含石量的增加而減?。?2-16］。

研究分析可知，當(dāng)含石量在30% ～70%時，含石量與最大干密度的關(guān)系曲線接近直線。也就是說，最大干密度隨著含石量的增加近似呈線性增加。級配不均勻砂礫的關(guān)鍵篩孔含量并不一致，粒徑分布范圍很廣，其超尺寸顆粒含量、最大粒徑對砂礫工程性質(zhì)也有很大影響，因此顆粒組成是影響砂礫擊實特性的主要因素。

(4)超尺寸顆粒的修正。超尺寸顆粒含量是指砂礫中40～60 mm的顆粒含量。

采用最大干密度修正公式進(jìn)行修正，其基本原理是以相同質(zhì)量超尺寸顆粒實體體積取代非超尺寸顆粒取最大干密度時的體積。采用該方法進(jìn)行最大干密度修正時，有一條基本假設(shè)是，認(rèn)為超尺寸顆粒與周圍非超尺寸顆粒之間形成的間隙大小與超尺寸實體體積相比可忽略不計。事實上，當(dāng)超尺寸顆粒與非超尺寸顆粒相差較大時，超尺寸與周圍非超尺寸顆粒之間形成的間隙大小可忽略不計。在極端情況下，若把水看作是非超尺寸顆粒，往水中加入一定的土顆粒作為超尺寸顆粒，采用該方法進(jìn)行修正就是完全正確的。由上述分析可以看出，天然砂礫中含有超尺寸顆粒和大量細(xì)料時，屬于超尺寸與非超尺寸顆粒體積相差較大的情況，采用修正公式進(jìn)行最大干密度修正是合理的。超尺寸與非超尺寸顆粒間隙的平面分析模型如圖1 所示［17-18］。

圖1 超尺寸與非超尺寸顆粒間隙的平面分析模型

綜上所述，本文提出一種特別適用于黏性砂礫的最大干密度計算方法，即通過建立含石量、超尺寸顆粒含量與最大干密度的關(guān)系，對天然砂礫的最大干密度進(jìn)行綜合確定。

1．3 最大干密度的確定

選取某高速公路的砂礫路基進(jìn)行試驗段填筑。該高速地處西北，常年降水很少，多大風(fēng);蒸發(fā)量大;雙向四車道，承載較少的重載車輛，路床填料取自山上的天然砂礫。

(1)取代表性樣品篩分，計算級配指標(biāo)Cc和Cu。當(dāng)Cc取值在1～3且Cu≥5時，稱為級配良好礫(GW);不滿足以上條件時，稱為級配不良礫(GP)［19］。經(jīng)計算，Cc=0．49，Cu=39．2，則此砂礫為級配不良礫(GP)，含石量為42．03%。此含石量上下波動約10%，擬定料場砂礫的含石量范圍為30% ～50%。級配試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 砂礫顆粒級配試驗結(jié)果

(2)樣品制備。對樣品做篩分試驗，將砂礫中大于40 mm的顆粒篩去并留樣備用，將小于40 mm的顆粒篩分為5 mm以下和5～40 mm兩檔料。準(zhǔn)備含石量分別為30%、35%、40%、45%、50%的5個樣品組，每組備料36 kg，樣品制備流程見圖2。

(3)擊實試驗。每個含石量的樣品組依據(jù)土工試驗規(guī)程選取6個土樣，依次按1%間隔含水率配制混合料并做擊實試驗。擊實完成后，分別繪制5組混合料的含水率與干密度的關(guān)系曲線，找出各組的最大干密度和最佳含水率，如表3所示。

(4)含石量與最大干密度的關(guān)系。以各種含石量為橫坐標(biāo)，最大干密度為縱坐標(biāo)，繪制含石量與最大干密度的關(guān)系曲線，如圖3所示?；貧w公式為y=0.003 8x+2.074，其中相關(guān)系數(shù) R=0.985，大于0.95，表明相關(guān)性很好。

圖2 樣品制備流程

(5)超尺寸顆粒處理。取預(yù)留超尺寸顆粒的留樣，依據(jù)公路集料試驗規(guī)程做密度試驗，計算得到砂礫中大于40 mm的顆粒毛體積相對密度為2.708，吸水率為0.55%。

表3 擊實試驗結(jié)果

圖3 含石量與最大干密度關(guān)系

以上所得含石量與最大干密度關(guān)系曲線、超尺寸顆粒的毛體積相對密度將作為現(xiàn)場進(jìn)行壓實度檢測的壓實控制標(biāo)準(zhǔn)［20］。

2 室內(nèi)試驗分析

加州承載比(CBR)是路基土的強度指標(biāo)，測試的是土抵抗荷載作用后發(fā)生變形的能力。從某種意義上講，加州承載比試驗更能反映材料在不利狀態(tài)(浸水)下的強度和水穩(wěn)定性。

(1)試驗材料。采用前面描述的天然砂礫作為室內(nèi)分析材料，并對含石量為42．03%的級配不良礫(GP)做篩分分類，獲取粒徑小于5 mm的細(xì)顆粒和5～40 mm的粗顆粒。

(2)試驗過程及分析。首先，按照試驗規(guī)程配制含石量分別為30%、35%、40%、45%、50%的砂礫，在擊實98次條件下做承載比試驗，繪制曲線如圖4所示;其次，準(zhǔn)備含石量30%的砂礫，在擊實30次、70次、98次3種條件下成型試件，并做承載比試驗，繪制干密度與加州承載比的關(guān)系曲線，如圖5所示。

從圖4可以看出，砂礫中含石量越大，CBR越大;從圖5可以看出，干密度2.10 g·cm－3(96%壓實度時)對應(yīng)的CBR為10.8%，大于8%，滿足路基設(shè)計規(guī)范中路床區(qū)填料的最低強度要求。既然含石量30%時砂礫的CBR符合要求，而且含石量越大，CBR越大，那么在不同的含石量、級配下，這種砂礫的強度都能達(dá)到要求，也說明了用上述方法確定的最大干密度可以作為現(xiàn)場壓實質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 含石量與CBR的關(guān)系曲線

圖5 含石量30%時干密度與CBR的關(guān)系曲線

3 現(xiàn)場壓實質(zhì)量控制

3．1 壓實度檢測

砂礫路基試驗段長度為100 m，攤鋪松鋪厚度為40 cm。檢測時，每20 m一個斷面，每個斷面檢測左、中、右3點，共檢測15點。路床壓實度規(guī)定值為96.0%，規(guī)定極值為91.0%。將改進(jìn)方法與普通擊實法壓實度試驗結(jié)果進(jìn)行對比，如表4所示。

分析表4中的數(shù)據(jù)，采用普通重型擊實法得到的最大干密度進(jìn)行路基壓實質(zhì)量評價，其中超百3點，此時壓實度合格與否無法評價。采用改進(jìn)方法評價，壓實度平均值為98．1%，標(biāo)準(zhǔn)差為1．23%，代表值為97．6%，代表值大于規(guī)定值，且單點壓實度均大于94%(規(guī)定值減2個百分點)。同時從表4可以看出，普通重型擊實法得到的壓實度不均勻，出現(xiàn)壓實度不足、超百現(xiàn)象，而改進(jìn)后的方法不僅杜絕了超百現(xiàn)象，而且壓實度分布比較均勻。

此處要說明的是，用改進(jìn)方法獲取的最大干密度控制施工壓實度時，利用灌砂法測砂礫路基壓實度，應(yīng)將試坑中挖出的砂礫分別過5 mm、40 mm篩并稱重，計算實測含石量、超尺寸顆粒含量，并利用回歸公式y(tǒng)=0.003 8x+2.074計算出最大干密度，然后采用以下修正公式計算修正最大干密度，將此值作為該試坑土的控制最大干密度。

式中:ρ'dm為修正后最大干密度;ρdm為粒徑小于40 mm的砂礫最大干密度;p為粒徑大于40 mm的顆粒含量;G's為粒徑大于40 mm的毛體積相對密度;ρw為水的密度。

表4 重型擊實法與改進(jìn)的擊實方法試驗結(jié)果對比

3．2 回彈彎沉檢測

彎沉值檢測采用5.4 m貝克曼梁法。調(diào)配東風(fēng)141運輸車作為檢測車，其后軸軸重為100 kN，輪壓為0．7 MPa，當(dāng)量圓直徑為21．3 cm。檢測車沿S形路線行駛，每1 km雙車道檢測50個點，每20 m測1點。路段設(shè)計彎沉值為179．15(0．01 mm)，檢測20個點，具體數(shù)據(jù)見表5。

對表5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到彎沉平均值為104.35(0.01 mm)，標(biāo)準(zhǔn)差為 13.57(0.01 mm)，代表值為167.48(0.01 mm)，代表值小于設(shè)計彎沉值，評為合格。

4 結(jié)語

(1)采用了一種改進(jìn)方法確定級配不均勻天然砂礫的最大干密度，并進(jìn)行承載比驗證，然后在試驗路上檢測壓實度、彎沉值，結(jié)果均符合規(guī)范要求。由此可見，本文提出的砂礫路基壓實質(zhì)量控制方法是可靠的，可以滿足路基使用性能要求。

表5 試驗段彎沉值檢測結(jié)果

(2)砂礫的最大干密度隨含石量增大呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)含石量為30% ～70%時，最大干密度與含石量為良好的線性關(guān)系;CBR值隨含石量、擊實次數(shù)的增加而增大，含石量為30%時CBR值可滿足路基填料最低強度要求。

(3)天然砂礫的最大特征為顆粒組成不均勻，所以今后研究此種材料時，宜有針對性地選擇代表性砂礫，對具備相似特性的砂礫的基本特性進(jìn)行系統(tǒng)分析。

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Research on Control Standards for Compaction of Unevenly Graded Natural Gravel

LI Hong-chao1，LI Wei-guang2，TIAN Yao-gang3
(1．Shaanxi Expressway Mechanical Engineering Co．，Ltd．，Xi'an 710038，Shaanxi，China;2．School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China;3．School of Materials Science and Engineering，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China)

Considering the control standard for compaction of natural gravel is one of the important factors affecting the quality of subgrade filling，an improved method was used to determine the maximum dry density of gravel，the relationship between the maximum dry density and the optimum moisture content，the relationship between the particle composition and the maximum dry density，and the reliability of this method was analyzed by indoor test and quality control of field compaction．The results show that it is feasible to determine the standards for compaction of subgrade filled with unevenly graded gravel that meet the requirements of subgrade capacity;the maximum dry density increases first and then decreases with the increase of stone content．

natural gravel;maximum dry density;compaction control;capacity

U416．1

B

1000-033X(2017)10-0123-06

2017-03-13

西部交通建設(shè)科技項目(ZDXM20120069)

李宏超(1981-)，男，陜西藍(lán)田人，工學(xué)碩士，高級工程師，主要從事道路橋梁的材料及應(yīng)用研究。

［責(zé)任編輯:高 甜］