福建省典型填土路基施工的機(jī)械碾壓組合

吳紅權(quán), 上官萍, 闕 云, 林國仁, 卓衛(wèi)東

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院, 福建 福州　350116； 2.福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局, 福建 福州　350001)

0　引言

眾所周知, 公路路基填筑的壓實質(zhì)量與土質(zhì)、 施工機(jī)械類型、 施工工藝和填土松鋪厚度等密切相關(guān), 由于不同土質(zhì)工程性質(zhì)的差異直接導(dǎo)致路基填筑時所選用的機(jī)械類型、 施工工藝等存在很大的差異, 這種差異性具體不明晰, 沒有得到較好的分析與總結(jié).我國《公路路基施工技術(shù)規(guī)范(JTG F10—2006)》[1]關(guān)于土質(zhì)路基壓實機(jī)械組合多是在普通壓路機(jī)的基礎(chǔ)上總結(jié)而成.隨著近年來大噸位壓路機(jī)的逐漸廣泛使用, 不同土質(zhì)需要多大噸位的壓實機(jī)械、 采用怎樣的機(jī)械組合、 填土松鋪厚度多大才能達(dá)到較好的壓實要求且較為經(jīng)濟(jì), 這些都沒有一個合理的考量.因此, 針對不同土質(zhì)的碾壓工藝進(jìn)行研究是很有必要的.

目前國內(nèi)外研究人員針對不同土質(zhì)采用不同施工工藝進(jìn)行了大量試驗研究, 文獻(xiàn)[2-3]通過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析表明, 當(dāng)路基填料處于最佳含水率附近時, 采用合理的碾壓機(jī)械和施工工藝, 可實現(xiàn)增大壓實度的目的.申愛琴等[4]認(rèn)為粉質(zhì)土的壓實特性取決于粉質(zhì)土的自振頻率, 粉質(zhì)土路基碾壓應(yīng)采用變頻方法, 即首先采用低頻強(qiáng)振, 然后高頻弱振的振動方式.文獻(xiàn)[5-7]對紅黏土路基填料的含水率、 壓實機(jī)械類型和路基填土厚度等因素進(jìn)行控制, 研究不同組合下紅黏土路基的碾壓效果.其結(jié)果表明, 當(dāng)壓實機(jī)械在最佳含水率附近對路基填土進(jìn)行碾壓時, 松鋪厚度控制在25～30 cm, 碾壓3～5遍即可達(dá)到較好的壓實效果.文獻(xiàn)[8]通過分析碾壓遍數(shù)與含水率、 松鋪厚度、 壓實度的關(guān)系, 深入研究弱膨脹土路基壓實需要的碾壓遍數(shù), 得出路基填土過厚將導(dǎo)致土層下部達(dá)不到壓實要求, 過薄則會影響路基施工效率.文獻(xiàn)[9]認(rèn)為膨脹土的膨脹和收縮特性對膨脹土的施工進(jìn)度和質(zhì)量影響很大, 并闡述了膨脹土的類型與辨別方法, 詳細(xì)分析了高速公路膨脹土路基的填筑技術(shù).

以上研究大多是基于細(xì)填料這種特殊性土的不同壓實度的施工工藝, 而沒有系統(tǒng)地就粗填料、 細(xì)填料采用多大噸位的壓實機(jī)械, 碾壓多少遍能達(dá)到規(guī)范規(guī)定的93區(qū)、 94區(qū)、 96區(qū)展開研究, 并且針對福建省特殊的地理氣候與地質(zhì)條件公路路基典型填土的研究更是少之又少.在福建省路基施工中, 如果不能很好解決這種局限性, 則難以控制機(jī)械的碾壓工藝, 如此不僅容易造成工期延誤和投資浪費, 并且還有可能導(dǎo)致建成后的路基因壓實度達(dá)不到規(guī)范要求而引起道路不均勻沉降等現(xiàn)象[10].鑒于此, 本研究以福建省不同地區(qū)的8條高等級公路路基填土為例, 采用不同的壓實機(jī)械組合進(jìn)行壓實施工試驗, 具體得到福建省典型填土路基的機(jī)械碾壓組合.其研究成果可為福建省土質(zhì)路基施工提供參考.

1　福建各地區(qū)不同土質(zhì)的物理力學(xué)特性

本研究選用的路基填料來自福建省各地區(qū)具有代表性的高等級公路, 其各地區(qū)標(biāo)段的填料先后在廈蓉高速公路擴(kuò)建工程龍巖段A5標(biāo)段(ZK141+100～ZK141+325), 屏南至古田高速公路A5標(biāo)段(K42+600～K42+700), 廈蓉高速公路改擴(kuò)建工程漳州段A4標(biāo)段(K70+400～K70+700), 廈蓉高速擴(kuò)建工程龍巖段A6標(biāo)段(ZK145+760～ZK145+860), 廈沙高速三明段A3標(biāo)段(K128+180～K128+360), 武夷新區(qū)快速通道固縣至公館大橋段(K49+380～K49+558), 福銀高速閩侯鴻尾互通A合同段(FK0+000～FK0+120), 福州繞城公路東南段A9合同段(K38+308.5～K38+430)進(jìn)行現(xiàn)場碾壓試驗, 依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程(JTG E40—2007)》[11]對試驗填料進(jìn)行室內(nèi)實驗.具體土樣的物理力學(xué)特性及顆粒篩分試驗結(jié)果如表1和圖1所示.

表1　福建各地區(qū)路基填料物理力學(xué)特性

續(xù)表1

圖1　福建省各試驗路段填料粒徑分布曲線Fig.1　Grain size distribution curve and nomenclature of each test section

由表1和圖1可知, 8種土樣的液限位于27.4%～48.2%之間, 均屬于低液限土； 塑性指數(shù)位于7.8～25.3之間； 最佳含水率位于11.9%～16.2%之間； 在滿足規(guī)范要求的壓實度條件下, CBR值位于7.6%～27.7%之間.由參考文獻(xiàn)[1]、 [12]可知, 8個不同路段的土質(zhì)均可直接作為路基填料填筑不同層位的路基.

2　福建各地區(qū)路基壓實典型施工方法

2.1　碾壓機(jī)械類型

通過對福建省8個試驗路段調(diào)研, 其所使用的碾壓機(jī)械型號與相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)如表2所示.

表2　福建各地區(qū)不同試驗段所使用的碾壓機(jī)械參數(shù)

2.2　碾壓施工工藝

圖2　碾壓工藝流程Fig.2　Rolling process

碾壓前由試驗室現(xiàn)場取樣, 測出路基天然含水量, 施工中控制在最佳含水量的±2%.填土精平后, 若松鋪厚度和含水量滿足要求, 開始碾壓, 具體碾壓工藝流程如圖2所示.碾壓時遵循“先輕后重、 先慢后快、 先兩邊后中間”的原則[13], 靜壓一至兩遍穩(wěn)定土體, 再縱向振動(振動壓路機(jī)碾壓速度不超過4 km·h-1, 橫向接頭重疊不少于0.4 m), 為了更全面研究施工工藝, 少部分施工工藝在強(qiáng)振碾壓完成后再進(jìn)行一遍弱振碾壓, 最后靜壓一至二遍進(jìn)行收光.本研究中壓實度的提高主要取決于強(qiáng)振遍數(shù).

3　福建省不同地區(qū)的試驗方案

綜合考慮福建省各地區(qū)標(biāo)段的路基填料性質(zhì), 研究路基壓實度達(dá)93區(qū)、 94區(qū)、 96區(qū)時的碾壓機(jī)械組合.具體各試驗路段的機(jī)械碾壓方案如表3所示.

表3　現(xiàn)場機(jī)械碾壓方案

4　結(jié)果分析

4.1　不同松鋪厚度下相同土質(zhì)的試驗結(jié)果分析

不同松鋪厚度下壓實度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系見圖3, 橫坐標(biāo)為壓實機(jī)械碾壓遍數(shù), 縱坐標(biāo)為路基填土壓實度, 表示相同土質(zhì)不同松鋪厚度的壓實度隨壓實機(jī)械碾壓遍數(shù)變化的關(guān)系.

圖3　土樣在不同松鋪厚度下壓實度隨總碾壓遍數(shù)的變化Fig.3　The degree of compaction of soil samples varies with the total number of rolled rolls at different loose thicknesses

為了更好地研究路基填土的最佳松鋪厚度及不同壓實區(qū)的適宜機(jī)械噸位, 引入單位松鋪厚度的壓實功(即壓路機(jī)壓實1 cm松鋪厚度所需要的壓實能量)來評價機(jī)械碾壓過程中所消耗的能量, 該數(shù)值越小, 說明在碾壓過程中消耗的能量越少、 越經(jīng)濟(jì).靜壓1遍、 弱振1遍、 強(qiáng)振1遍的單位松鋪厚度的壓實功分別用B0、B1、B2表示, 機(jī)械組合后單位松鋪厚度的壓實功用W0表示.對于靜壓, 壓路機(jī)所產(chǎn)生的能量被壓路機(jī)與土體之間的摩擦力消耗； 對于振動碾壓, 壓路機(jī)所產(chǎn)生的能量被壓路機(jī)與土體之間的摩擦力及振動做功消耗.計算公式 如下：

靜壓：

(1)

弱振：

(2)

強(qiáng)振：

(3)

式中：μ為壓路機(jī)與土體之間的滾動摩擦系數(shù)；m為壓路機(jī)噸位；v為壓路機(jī)行駛的速度；t為壓路機(jī)碾壓1遍所需要的時間；n為碾壓遍數(shù)；F1、F2分別為弱振與強(qiáng)振的激振力；f1、f2分別為弱振與強(qiáng)振的激振頻率；A1、A2分別為弱振與強(qiáng)振的振幅；D為松鋪厚度.機(jī)械組合后單位松鋪厚度的壓實功：

W0=n0B0+n1B1+n2B2

(4)

其中：n0、n1、n2分別為靜壓、 弱振、 強(qiáng)振的碾壓遍數(shù).

由于壓路機(jī)碾壓土體的過程中,μ、v、t可認(rèn)為保持不變.為直觀表示, 假定μ、v分別為0.1、 2 km·h-1.

表4～6表示在壓實機(jī)械碾壓下, 滿足路基不同層位壓實度要求下的最佳松鋪厚度.對于最后一次靜壓屬于平整路基表面, 對路基壓實度基本上沒有影響, 本研究不考慮其在碾壓遍數(shù)以內(nèi).

表4　低液限粉土不同松鋪厚度碾壓遍數(shù)分析表

注： 碾壓機(jī)噸位為26 t/30 t

表5　黏土質(zhì)礫不同松鋪厚度碾壓遍數(shù)分析表

注：碾壓機(jī)噸位為22 t

表6　粉土質(zhì)砂不同松鋪厚度碾壓遍數(shù)分析表

注：碾壓機(jī)噸位為22 t/20 t

從上述試驗數(shù)據(jù)分析, 得出以下結(jié)論：

1) 由圖3可知, 碾壓遍數(shù)越少, 松鋪厚度越大時, 壓實度越小.說明： 壓實度隨碾壓遍數(shù)的增加而增大, 且松鋪厚度越小, 同等條件下達(dá)到的壓實度越大.

2) 由表4可知, 低液限粉土土方路基松鋪厚度為35 cm時, 30 t壓路機(jī)靜壓1遍+弱振1遍+強(qiáng)振2遍+靜壓1遍達(dá)到93%(平均壓實度93.9%)時最省功(單位松鋪厚度的壓實功為419.39 t).松鋪厚度為45 cm時, 靜壓1遍+弱振1遍+強(qiáng)振3遍+弱振1遍+靜壓1遍達(dá)到94%(平均壓實度94.8%)時最省功(單位松鋪厚度的壓實功為507.32 t)； 靜壓1遍+弱振1遍+強(qiáng)振4遍+弱振1遍+靜壓1遍達(dá)到96%(平均壓實度96.4%)時最省功(單位松鋪厚度的壓實功為615.32 t).說明： 低液限粉土土方路基壓實度在93%的下路堤, 松鋪厚度為35 cm時, 機(jī)械利用率最高, 碾壓效果最好； 壓實度在94%的上路堤、 96%的路床, 松鋪厚度為45 cm時, 機(jī)械利用率最高, 碾壓效果最好.

3) 由表5可知, 黏土質(zhì)礫土方路基松鋪厚度為40 cm時, 22 t壓路機(jī)靜壓1遍+弱振1遍+強(qiáng)振1遍+靜壓1遍達(dá)到93%(平均壓實度93.7%)時最省功(單位松鋪厚度的壓實功為211.39 t)； 靜壓1遍+弱振1遍+強(qiáng)振2遍+靜壓1遍達(dá)到94%(平均壓實度95.0%)時最省功(單位松鋪厚度的壓實功為322.15 t)； 靜壓1遍+弱振1遍+強(qiáng)振3遍+弱振1遍+靜壓1遍達(dá)到96%(平均壓實度96.4%)時最省功(單位松鋪厚度的壓實功為502.96 t).說明： 黏土質(zhì)礫土方路基松鋪厚度為40 cm時, 機(jī)械利用率最高, 碾壓效果最好.

4) 由圖3(c)和表6可知,粉土質(zhì)砂土方路基松鋪厚度為30 cm時,20 t壓路機(jī)靜壓2遍+弱振1遍+強(qiáng)振1遍+靜壓2遍(平均壓實度94.6%,其中有一個數(shù)值為93.9%,未達(dá)到94%)可達(dá)到93%(單位松鋪厚度的壓實功為208.00 t)； 靜壓2遍+弱振1遍+強(qiáng)振2遍+靜壓2遍(平均壓實度94.7%)可達(dá)到94%(單位松鋪厚度的壓實功為284.27 t),但93%的壓實度到94%的壓實度趨于平緩,基本上沒有提高,且后期靜壓遍數(shù)過多、 費時. 說明： XSM220類型的壓路機(jī)對粉土質(zhì)砂的路基填土在93%的下路堤、 94%的上路堤的利用率較高,碾壓效果較好,但對96%路床的碾壓并不適用,不建議采用.

5) 由表4～5可知,低液限粉土最佳松鋪厚度為45 cm,使用的碾壓機(jī)械噸位為30 t； 黏土質(zhì)礫最佳松鋪厚度為40 cm,使用的碾壓機(jī)械噸位為22 t,且低液限粉土比黏土質(zhì)礫難壓實. 說明,壓實噸位的提高,有利于土體獲得更高的壓實度.

4.2　相同松鋪厚度下不同土質(zhì)的試驗結(jié)果

圖4橫坐標(biāo)為壓實機(jī)械碾壓遍數(shù),縱坐標(biāo)為路基填土壓實度,表示不同土質(zhì)相同松鋪厚度的壓實度隨壓實機(jī)械碾壓遍數(shù)變化的關(guān)系.

圖4　不同土樣的壓實度隨總碾壓遍數(shù)的變化Fig.4　The degree of compaction of different soil samples varies with the total number of rolled passes

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)：

1) 當(dāng)路基填土松鋪厚度為30 cm、 碾壓機(jī)械噸位為20～26 t時,碾壓3～4遍可達(dá)93%,碾壓4～5遍可達(dá)94%,碾壓5～6遍可達(dá)96%.

2) 由于土樣4、 6分別為低液限黏土和低液限粉土,作為路基填料時,其壓實困難,所以通過增大壓實機(jī)械噸位(土樣4使用的碾壓機(jī)械噸位為22.5 t、 土樣6使用的碾壓機(jī)械噸位為26 t)可在碾壓4遍、 5遍、 6遍時分別達(dá)到93%、 94%、 96%.

3) 松鋪厚度為40 cm時,土樣1所使用的碾壓機(jī)械噸位比土樣5所使用的機(jī)械噸位高,但相同碾壓速度下達(dá)到93%、 94%、 96%時土樣1碾壓的遍數(shù)要比土樣5多. 主要原因在于土樣1為低液限粉土,作為路基填料時,其壓實困難； 而土樣5為黏土質(zhì)礫,屬于優(yōu)質(zhì)路基填料,壓實較低液限粉土容易. 說明： 土質(zhì)是影響路基壓實度的重要因素,可以通過改變壓實機(jī)械噸位、 碾壓遍數(shù)等獲得符合要求的壓實度.

綜上分析,可得福建省各地區(qū)路基使用的壓實機(jī)械和組合形式,具體如表7所示：

表7　福建省路基填筑壓實機(jī)械和組合形式推薦表

5　結(jié)論

1) 對于福建省大部分地區(qū)的路基填土,當(dāng)路基填土松鋪厚度為30 cm、 碾壓機(jī)械噸位為20～22 t、 機(jī)械行駛速度在2～4 km·h-1時,壓實度達(dá)到93%、 94%、 96%所需強(qiáng)振碾壓遍數(shù)分別為2～3、 3～4、 4～5遍.

2) 當(dāng)路基填土為黏土質(zhì)礫,松鋪厚度為40 cm、 碾壓機(jī)械噸位為22 t、 機(jī)械行駛速度在2～4 km·h-1時,壓實度達(dá)到93%、 94%、 96%所需強(qiáng)振碾壓遍數(shù)分別為1、 2、 4遍.

3) 當(dāng)路基填土為低液限粉土,碾壓機(jī)械噸位為30 t、 機(jī)械行駛速度在2～4 km·h-1,松鋪厚度為35 cm,壓實度達(dá)到93%所需強(qiáng)振碾壓遍數(shù)為2遍； 松鋪厚度為45 cm,壓實度達(dá)到94%、 96%所需強(qiáng)振碾壓遍數(shù)分別為4、 5遍.