不同壓實方式下風積沙路堤的壓實效果

任 勇，季新友，劉軍勇

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

沙漠地區(qū)公路路基幾乎全部采用風積沙作為路堤填料，但風積沙具有顆粒松散無黏性、含水率小、保水性差、級配不良等特點，其壓實一直是施工中的難題，也成為修筑沙漠公路的關(guān)鍵所在[1]。

在風積沙筑路技術(shù)方面，國內(nèi)學者取得了一定的研究成果。王偉等通過振動作用研究了風積沙的力學特性以及等離子變化對風積沙承載雙CBR的影響因素。張景濤等對風積沙進行擊實試驗，結(jié)果表明風積沙干密度有2個極大值點，即曲線呈“S”型，說明風積沙在含水量較低的天然狀態(tài)和含水率最佳時都能達到較大干密度，即風積沙具有濕壓實和干壓實的特性。李萬鵬對風積沙進行擊實試驗也得出風積沙密度有2個峰值，即在較多含水率狀態(tài)下(13%～16%)和自然風干狀態(tài)下(0～1%)，風積沙密度都達到了峰值[2]。楊人鳳等對風積沙進行振動壓實試驗，結(jié)果表明：沖擊復合壓路機的壓實效果好于單一壓路機的壓實效果[3]。袁玉卿等通過振動試驗表明：壓路機在振動頻率為45～50 Hz時對風積沙路基的壓實效果最好[4]。王磊通過振動試驗表明風積沙宜采用高頻低幅的振動方式壓實[5]。龐瀛洲等通過變量控制法和對比法得出：振動頻率為70 Hz左右且振幅取大值時，振動效果較好[6]。曹源文等通過風積沙振動壓實和擊實試驗得出結(jié)論：對于風積沙類砂性土，振動壓實好于擊實試驗，并且在風積沙振動壓實過程中，其標準干密度隨振動加速度的增大而增大[7]。相關(guān)的研究成果主要集中在室內(nèi)振動壓實或擊實作用下風積沙的壓實特性，并未考慮上層風積沙壓實對下層風積沙的二次壓實效應[8-10]。本文將結(jié)合依托工程進行風積沙路堤壓實試驗，分析風積沙二次壓實效應，提出適宜的風積沙路堤壓實技術(shù)。另外，沙漠地區(qū)風積沙路堤壓實度常采用灌砂法進行檢測，檢測速率慢，且試驗過程和結(jié)果易受風沙天氣影響；故本文提出適宜的壓實度快速檢測方法。

1 工程概況與風積沙顆粒分析

1.1 工程概況

通古勒格淖爾至額爾克哈什哈(蒙甘界)公路(簡稱通額公路)是內(nèi)蒙古乃至全國跨度最長、風沙環(huán)境最為復雜的新建公路，全線有超過200 km從騰格里沙漠腹地穿越。騰格里沙漠以流動沙丘為主(占93%)，其余為半固定、固定沙丘，高度一般為10～20 m，主要為格狀沙丘及格狀沙丘鏈。新月形沙丘分布在邊緣地區(qū)，高大復合型沙丘鏈則見于沙漠東北部,高度約50～100 m。通額公路全線采用風積沙作為路堤填料，風積沙壓實成為制約工程進度和質(zhì)量的關(guān)鍵。另外，由于沿線沙丘較高、起伏較大，部分路段風積沙路堤填筑無法按照常規(guī)分層法進行，路基一次性填筑與壓實厚度較大?！豆仿坊访娆F(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG E60—2008)中采用灌砂法等方法測定壓實度，1組試驗僅能獲得1個土層的壓實度，所需工作量較大，一次試驗耗時約半小時以上，且數(shù)據(jù)的準確性受沙漠風沙天氣、人為因素等影響。風積沙壓實度檢測也成為制約施工進度的一個技術(shù)難題。本文基于現(xiàn)場試驗路，對風積沙路堤壓實技術(shù)進行試驗分析，探討風積沙路堤壓實度快速檢測方法，以保證工程質(zhì)量與施工進度。

1.2 風積沙顆粒分析與最大干密度

風積沙試樣取自K111+250路堤填料，顆粒分析結(jié)果見表1。從篩分結(jié)果來看，粒徑大于0.25 mm的顆粒占總質(zhì)量的41.2%，粒徑大于0.075 mm的顆粒占總質(zhì)量的98.7%，按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)粗粒土的分類標準，取樣風積沙為細砂，粒徑分布稍粗，接近中砂。

表1 風積沙顆粒分析試驗結(jié)果

風積沙最大干密度試驗采用三層法填料，并分層壓實。用干土法以2%的含水率間隔拌勻試樣，悶料一夜后進行試驗。采用表面振動法確定風積沙最大干密度，每層振動時間為6 min。風積沙最大干密度為1.809 g·cm-3，最佳含水率為11.2%。

2 風積沙路堤壓實技術(shù)

2.1 風積沙路堤壓實效果

為分析壓實機械對路基的壓實效果，試驗路分別采用弱振和強振對路基進行壓實。弱振壓實參數(shù)為：頻率33 Hz、振幅0.93 mm、激振力255 kN；強振壓實參數(shù)為：頻率28 Hz、振幅1.86 mm、激振力370 kN。試驗段壓實結(jié)果見表2～4。

表2為風積沙路堤壓實后清除表層15 cm厚風積沙再采用灌砂法測定干密度的結(jié)果；表3為風積沙路堤壓實后直接在壓實層頂面采用灌砂法測定的干密度結(jié)果。從表2、3可以看出：表層0～15 cm風積沙干密度小于15～30 cm風積沙干密度，表層15 cm厚度范圍風積沙難以壓實。通過對分別弱振和 強振2～4遍的風積沙路堤的干密度檢測結(jié)果的分析可知：增加風積沙的振動碾壓遍數(shù)并不能提高0～15 cm和15～30 cm厚度的風積沙干密度，振動壓實遍數(shù)以2～3遍為宜；對于同一深度范圍，弱振壓實路堤的干密度最大，強振次之，靜壓法最低。表4動探錘擊的檢測結(jié)果表明，靜壓、弱振和強振壓實的風積沙路堤，下層(30～45 cm)風積沙動探錘擊數(shù)明顯大于上層風積沙動探錘擊數(shù)，說明在上層風積沙壓實的過程中，下層風積沙得到了二次壓實，壓實度得到提高。

表2 風積沙路堤干密度現(xiàn)場檢測結(jié)果

表3 風積沙路堤壓實表層干密度現(xiàn)場檢測結(jié)果

表4 風積沙路堤輕型動探檢測結(jié)果

注：結(jié)果為多頻次平均值；N10-15，N表示錘擊數(shù)，10表示錘重10 kg，15表示重錘擊入檢測層15 cm的錘擊數(shù)，與灌砂桶檢測深度相對應。

2.2 風積沙路堤壓實與二次壓實效應分析

風積沙路堤壓實與土加石或其他土類填料路堤的壓實特點不同。土類路堤的壓實是靠擠壓和黏聚力在壓實層表層形成一個相對致密結(jié)實的板體，具有“硬殼層”效應，對上部壓實機械的壓實功(或激振力)具有應力擴散的作用，其下部路堤層受到上部壓實功的作用較小，尤其對于分層攤鋪厚度較大的路堤填筑，上部壓實功對下部路堤的壓實影響更小[11-14]。

對于風積沙而言，由于基本上無黏聚性，其壓實主要靠砂顆粒嵌擠和周圍約束力的作用，壓實層周圍約束力越大，其壓實擠密效果越好。在較大的上部壓力或激振力作用下，如壓實層周圍能提供足夠的約束力，則壓實功全部作用于壓實層，壓實度能夠得到較大提高；如果壓實層周圍不足以提供匹配的約束力，則造成壓實層發(fā)生較大的推移和側(cè)向位移，壓實層壓實度得不到提高[15-16]。

在風積沙路堤碾壓過程中，由于表層風積沙為臨空面，且周圍不能夠提供足夠的側(cè)向約束力，在壓路機前進推力和向下激振力的作用下，前進方向風積沙被推起擠松然后被壓密。表層風積沙經(jīng)歷著“擠松—壓密—擠松”的循環(huán)過程(圖1)，壓實功并不能完全作用于表層風積沙路堤的壓實。對于每一層風積沙路堤壓實而言，表層風積沙壓實效果有限。

圖1 風積沙路堤壓實

對于分層風積沙路堤填筑壓實，當填筑第二層或更上層時，由于上層風積沙的填筑，相應地增加了下層風積沙的側(cè)向約束力，下層風積沙更易得到擠密壓實；另外，由于風積沙無“硬殼層”應力擴散效應，壓實功可以較多地傳遞到下層路堤，在碾壓上層路堤的同時，下層路堤也得到了二次壓實，即風積沙的二次壓實效應[17]。壓實機械激振力越大、壓實遍數(shù)和壓實層數(shù)越多，二次壓實效應越明顯，如圖2所示。

圖2 風積沙路堤二次壓實效應

由于風積沙表層難以壓實，一直重復著“擠松—壓密—擠松”的循環(huán)過程，因此攤鋪厚度過薄時，表層壓實度有限，壓實機械過多地做了無用功；攤鋪厚度過大時，下部風積沙得不到足夠的壓實功而無法壓實。由表4分析結(jié)果和試驗段成果可知，風積沙壓密厚度以30～40 cm為宜，松鋪系數(shù)可取1.2～1.3。

3 風積沙路堤壓實度快速檢測方法

3.1 淺層風積沙路堤壓實度快速檢測

風積沙路堤現(xiàn)場壓實度的檢測一般采用灌砂法，由于灌砂法需要進行場地整平、灌砂桶標定、鑿洞、灌砂、稱重等工作，工序較多，費時、費力，其結(jié)果受天氣情況、人為因素影響較大。另一方面，試樣含水率常采用烘干法檢測，砂類土的烘干時間不少于6 h，試驗周期長，難以滿足路堤大規(guī)模連續(xù)填筑碾壓作業(yè)的要求；而快捷方法——酒精燃燒法在大風天氣無法使用，且所得試驗數(shù)據(jù)與烘干法偏差較大，無法作為標準方法[18]。鑒于此種情況，為提高檢測工作效率，加快施工進度，本文擬提出采用輕型動力觸探檢測風積沙路堤的壓實度。

圖3 動探擊數(shù)N10-15與壓實度的擬合曲線

輕型動力觸探是一個表征貫入阻力的指標，壓實度是表征相對密度的指標。表面上看，2個指標并不是同一個概念，但大量的工程實踐已經(jīng)將動力觸探與各類土的密實度、承載力、抗剪強度等建立了相關(guān)關(guān)系，壓實度與密實度概念上接近，因此也可以建立動力觸探與壓實度之間的相關(guān)關(guān)系(圖3)。由于風積沙顆粒組成不同，其最大干密度不同，壓實度與動力觸探的相關(guān)關(guān)系也不盡相同，因此應首先對風積沙進行顆粒分析，然后建立相應的關(guān)系。試驗段風積沙路堤灌砂法壓實度檢測結(jié)果和動力觸探結(jié)果對比見表5。

表5 風積沙路堤動探結(jié)果與灌砂法壓實度檢測結(jié)果對比

室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗段對比結(jié)果表明，動力觸探指標N10-15與壓實度Di具有較高的相關(guān)性。根據(jù)擬合結(jié)果，可以得到N10-15與壓實度Di的擬合公式

Di=-0.367N10-152+12.21N10-15-0.018

(1)

式中:當N10-15大于15時，取15；N10-15大于15代表壓實度超百。表6為擬合的壓實度與動力觸探指標的關(guān)系。檢測過程中可根據(jù)動探擊數(shù)直接確定路堤壓實度。

表6 壓實度與動力觸探指標N10-15關(guān)系

注：由于動力觸探指標N10-15和壓實度檢測頻次較少，需根據(jù)后續(xù)增加的檢測數(shù)據(jù)對式(1)和表6進行修正。

3.2 厚層風積沙路堤壓實度的快速檢測

實際工程中，風積沙路堤越往下層路堤側(cè)向約束力越大，對動力觸探錐頭的貫入阻力越大，即N10-15也就越大。在上、下兩層路堤干密度相同的情況下，下層路堤的動力觸探數(shù)N10-15要比上層大得多。因此，動力觸探數(shù)N10-15與壓實度的相關(guān)關(guān)系還應考慮檢測深度的影響。另一方面，由于沙漠地區(qū)風沙較大、日曬強、蒸發(fā)大，在風積沙路基濕法壓實施工過程中，為保證壓實時風積沙的含水率，往往施工速度較快，路基填筑采用不間斷施工，待檢路基較厚。此外，由于沙丘地形受限等原因，風積沙路基填筑無法按照常規(guī)分層法填筑，沙谷底部路基往往采用兩側(cè)沙丘就近推填施工。路基一次性推填與壓實厚度較大，使常規(guī)的單層壓實度檢測方法不再滿足施工進度與工程環(huán)境的要求，鑒于此種情況，為提高檢測工作效率，加快施工進度，本文采用現(xiàn)場鋪筑試驗路和室內(nèi)表面振動法確定風積沙的標準密度?，F(xiàn)場進行風積沙路堤灌砂法壓實度檢測和輕型動力觸探檢測，建立壓實度Di與動力觸探錘擊數(shù)N10-15、檢測深度h之間的相關(guān)關(guān)系式。將動力觸探錘擊數(shù)N10-15代入式(1)得出厚層風積沙分層壓實度，見表7。此處僅介紹一種快速檢測方法，其他試驗結(jié)果類同。

表7 風積沙路堤干密度與輕型動力觸探現(xiàn)場檢測結(jié)果(試驗段1)

壓實度Di與動力觸探錘擊數(shù)N10-15、檢測深度h之間的相關(guān)關(guān)系為

Di=93.615-0.0519N10-15+0.1141h

(2)

R=0.997

式中：R為擬合關(guān)系式相關(guān)系數(shù)；檢測深度h為15～30 cm時，取15，h為30～45 cm時，取30，以此類推。

在通額公路風積沙路堤壓實度檢測中的使用效果證明，新方法檢測速度快，通過單次的輕型動力觸探測試獲得路堤頂面下15～75 cm深度范圍內(nèi)每15 cm厚度層風積沙的壓實度，一次試驗可獲得4個分層的風積沙壓實度，大大地提高了檢測工作效率，減少了檢測工作量，滿足工程進度的要求。

4 風積沙路堤壓實工藝與壓實度檢測方法建議

4.1 風積沙路堤填筑壓實工藝

(1)風積沙分層松鋪厚度以壓實后30～40 cm厚度為宜，松鋪厚度不宜過薄或過厚。

(2)風積沙路堤兩側(cè)應超寬不小于50 cm，以保證邊部路堤的壓實。

(3)采用灑水或圍方格浸水等方式濕透路基填料，填料灑水完成后，頂面無明顯積水即可進行整平碾壓。碾壓施工應在灑水后2 h內(nèi)完成。如果填料灑水后未能在規(guī)定的時間內(nèi)開展碾壓施工，填料碾壓前應進行補充灑水，以確保填料具有足夠的含水率。

(4)路堤壓實可采用弱振和強振壓實，弱振壓實效果稍優(yōu)于強振。振動碾壓遍數(shù)以滿足路堤壓實度為準，一般為2～3遍，頂部靜壓1遍；碾壓順序一般先低后高，先兩側(cè)后中間；碾壓速度不超過6 km·h-1，盡量低速行駛。

(5)為充分發(fā)揮風積沙的二次壓實效應，若路堤分層(不少于2層)填筑時，在上一層填料攤鋪前應對下一層已壓實的路堤頂面灑透水，并及時對上層填料進行攤鋪、灑水和碾壓[19-22]。

4.2 風積沙路堤壓實度快速檢測方法建議

(1)風積沙路堤在填筑施工前應分段取樣進行顆粒分析試驗，確定風積沙顆粒組成；進行風積沙室內(nèi)最大干密度試驗并鋪筑現(xiàn)場試驗段，取兩者中最大干密度作為標準干密度。

(2)根據(jù)顆粒分析試驗結(jié)果，若相鄰兩段或幾段現(xiàn)場風積沙試樣顆粒分析結(jié)果相同或比較接近，可采用相同的標準干密度。

(3)基于風積沙路堤表層不易壓實的特點，在檢驗分層填筑路基壓實度時，表層15 cm不進行壓實度檢測，對15 cm以下路堤進行壓實度檢測。

(4)考慮到風積沙二次壓實效應和檢測工作的可操作性，當路堤分層(不少于2層)填筑時，可在2層路堤分層碾壓完成后，對上下相鄰的2層路堤進行檢測深度范圍內(nèi)的壓實度逐層檢測。施工和檢測的工序為下層填筑碾壓、上層填筑碾壓、上下層壓實度一次性自上而下檢測，從而減少2層路堤填筑碾壓的時間間隔，提高施工進度，保證路堤的壓實度。

(5)若檢測深度范圍路堤壓實度不能夠滿足要求，應對路堤進行再次灑水碾壓，然后進行壓實度檢測；若路堤未填筑到設(shè)計高程，可對該層路堤進行補充灑水，然后及時攤鋪和壓實上層路堤，在上層路堤碾壓完成后再次檢測下層路堤的壓實度[23-26]。

5 結(jié) 語

(1)對穿沙公路風積沙筑路材料進行室內(nèi)試驗，現(xiàn)場鋪筑試驗路，對風積沙路堤壓實技術(shù)與壓實度檢測方法進行研究，確定了風積沙路堤壓實振動方式與壓實遍數(shù)，提出騰格里沙漠公路風積沙路基填筑技術(shù)，及時指導實際工程風積沙路堤填筑施工。

(2)由于風積沙路堤具有優(yōu)良的壓實功傳遞性，使得下層路堤在上層路堤壓實時得到進一步壓實，二次壓實效應比較顯著。

(3)提供一種厚層風積沙路基壓實度快速檢測方法，建立壓實度與動力觸探錘擊數(shù)、檢測深度之間的關(guān)系式。通過單次的輕型動力觸探測試獲得路堤頂面下15～75 cm深度范圍內(nèi)每15 cm厚度層風積沙的壓實度，一次試驗可獲得4個分層的風積沙壓實度，提高了檢測工作效率。