扎碾公路隧道棄渣填料的壓實(shí)特性

郭小宏，羅 歡，杜云威，朱 平

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2.重慶交通建設(shè)(集團(tuán))有限公司，重慶 401120)

0 引 言

中國(guó)西部多為山嶺重丘區(qū)，如何充分利用隧道開挖所產(chǎn)生的棄渣土石混合料，成為山區(qū)公路建設(shè)中迫切需要解決的工程問題。部分學(xué)者對(duì)各種土石混合料的壓實(shí)特性作了大量研究工作，取得不少研究成果[1-3]。Robert T.Donaghe等[4]提出土石混合料室內(nèi)擊實(shí)方法的建議標(biāo)準(zhǔn)。Nakaoka Tokiharu等[5]通過土石混合料的壓實(shí)試驗(yàn)得到最大粒徑和最大干密度。董云等[6-7]對(duì)土石混合料提出以巖性、含石量和混合料的顆粒成分組成的工程綜合分類法，并由室內(nèi)試驗(yàn)指出不同類別土石混合料物理力學(xué)性質(zhì)的差異。劉麗萍等[8]對(duì)土石混合料進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)，證明級(jí)配良好的試樣的壓實(shí)特性較好?？紫槌嫉萚9]對(duì)影響土石混合料壓實(shí)效果的最大粒徑、粗顆粒含量、含水量等關(guān)鍵因素進(jìn)行研究，探討了土石混合料的室內(nèi)壓實(shí)特性。在室外，大多學(xué)者采用試驗(yàn)段法探索土石填料現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)特性，確定數(shù)值松鋪層厚和碾壓遍數(shù)等壓實(shí)工藝[10-12]。

本文立足青海扎碾公路隧道棄渣土石混合料，結(jié)合以往的研究成果，為確保路堤填筑后的壓實(shí)質(zhì)量和穩(wěn)定性，通過對(duì)影響隧道棄渣土石混合填料壓實(shí)效果的土石比進(jìn)行相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)，然后對(duì)擬定的3種松鋪層厚進(jìn)行碾壓室外試驗(yàn)，研究該隧道棄渣填料的壓實(shí)特性，為該山區(qū)公路路堤施工提供技術(shù)支撐，對(duì)青海或者國(guó)內(nèi)類似用土石混合填料路段的施工也具有一定參考價(jià)值。

1 工程概況

青海扎碾公路路線全長(zhǎng)59.405 km(其中新建段51.126 km)，施工的不利因素主要是地形、地質(zhì)復(fù)雜，大多為高山丘陵。扎碾公路途徑達(dá)坂山的1、2號(hào)隧道總長(zhǎng)6 043 m，施工出渣將產(chǎn)生大量的土石混合料，從成本和環(huán)保角度出發(fā)沿線路基的填筑可大量利用這些隧道棄渣。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

試驗(yàn)所用土石混合料來自扎碾公路隧道爆破棄渣，由不同的粒徑以及不同比例組成。土石混合料在自然狀態(tài)下攤鋪風(fēng)干，保持含水率一致，篩分后分檔保存[13-15]。在工程實(shí)踐中，粒徑不大于5 mm的填料為細(xì)粒料，本文研究的隧道棄渣土石混合料也以粒徑5 mm為界。

2.1 隧道棄渣的級(jí)配特性

隧道棄渣土石混合料顆粒用不同孔徑的圓孔篩進(jìn)行逐級(jí)篩分，其原級(jí)配區(qū)間曲線如圖1所示。

隧道棄渣土石混合料為連續(xù)級(jí)配，整個(gè)曲線較平緩，不均勻系數(shù)Cu=7.71，曲率系數(shù)Cc=1.18，土石比約為2∶8，滿足Cu>5、Cc為1～3的要求，級(jí)配組成良好。

圖1 隧道棄渣原級(jí)配區(qū)間曲線

2.2 不同土石比密度試驗(yàn)

《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F10—2006)建議路基填筑過程中土石混合料的不均勻系數(shù)最佳范圍為15～20，所以試驗(yàn)事先控制土石比的不均勻系數(shù)，然后配制土石比為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2共8組樣品，試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法與試驗(yàn)規(guī)范中的重型擊實(shí)試驗(yàn)相同。不同土石比設(shè)定的級(jí)配、不均勻系數(shù)和擊實(shí)后的密度見表1，不同土石比與擊實(shí)后密度關(guān)系如圖2所示。

表1 不同土石比與擊實(shí)后的密度

圖2 密度與不同土石比的關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果表明：土石比為1∶9、7∶3、8∶2時(shí)無法保證其不均勻系數(shù)在既定的范圍內(nèi)，所以用作路基填料欠佳，而且其擊實(shí)后的密度與其他配比組相比也較小。密度和不同的土石比之間的關(guān)系整體趨勢(shì)存在一個(gè)峰值，說明用隧道棄渣進(jìn)行路基填筑最佳土石比在3∶7左右，土石比3∶7時(shí)的密度為2.32 g·cm-3。

2.3 擊實(shí)試驗(yàn)

隧道棄渣含有少量粒徑大于60 mm的集料，但其含量小于5%，故采用剔除法把超粒徑的顆粒剔除。由不同土石比密度試驗(yàn)可以得到，在含水率相同的情況下，土石比約為3∶7時(shí)具有最大密度，僅小于最大密度的是土石比為4∶6、2∶8和5∶5。

下面對(duì)這4組不同配比樣品進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，試樣取自同一風(fēng)干條件下的棄渣，每組通過逐漸添加水量使含水率達(dá)到2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%等預(yù)定值，通過擊實(shí)分別求得4組不同配比的最佳含水率和最大干密度，如圖3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：4組不同的土石比結(jié)構(gòu)在最佳含水率下均有一個(gè)室內(nèi)最大干密度；但是此擊實(shí)曲線只是粒徑不大于40 mm的擊實(shí)曲線，還需根據(jù)粒徑40～60 mm所占試樣總量的百分比(30%以下)進(jìn)行最佳含水率和最大干密度修正。

最大干密度按式(1)修正[16-17]。

(1)

最佳含水率按式(2)修正[18-19]。

(2)

由計(jì)算得Gs=2.743，ω2=0.43。不同土石比大于40 mm的含量和修正前后最佳含水率和室內(nèi)最大干密度如表2所示。

表2 不同土石比校正前后的最佳含水率和最大干密度

圖3 不同土石比混合料的擊實(shí)曲線

對(duì)最佳含水率和不同土石比進(jìn)行線性回歸可知，隨著含石量的增加，最佳含水率呈減小趨勢(shì)，其關(guān)系如圖4所示。最大干密度和不同土石比的關(guān)系如圖5所示。

圖4 最佳含水率與不同土石比的關(guān)系

圖5 最大干密度與不同土石比的關(guān)系

不同土石比與最大干密度的關(guān)系同前面土石比與密度的關(guān)系類似：整個(gè)曲線也存在一個(gè)峰值，最大干密度隨著含石量的增加而變大，當(dāng)土石比為3∶7時(shí)最大干密度有最大值，此后含石量繼續(xù)增加但最大干密度開始減小，并且圖2和圖5曲線的峰值均在土石比為3∶7處。

2.4 承載比(CBR)試驗(yàn)

將土石比為2∶8、3∶7、4∶6、5∶5的4組配比樣品分別按最佳含水率進(jìn)行3次擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)完后在試筒上做好標(biāo)記，依次放入水中浸泡四晝夜，并用百分表記錄其膨脹量。試驗(yàn)?zāi)康氖悄M隧道棄渣填筑路基在實(shí)際中受水侵蝕最惡劣的環(huán)境，浸泡后將每個(gè)試件在CBR儀上進(jìn)行貫入試驗(yàn)[20]。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該隧道棄渣壓實(shí)后受水浸泡幾乎不膨脹，每次試驗(yàn)貫入量為5 mm的承載比比貫入量為2.5 mm的大，所以取貫入量為5 mm的承載比。與規(guī)范要求的路基填料CBR值相比，該地區(qū)的隧道棄渣料承載能力較強(qiáng)、強(qiáng)度比較高，適合作為高填路基填料。對(duì)CBR值與不同的土石比進(jìn)行線性回歸可知，隨著含石量的增加，CBR值呈增加趨勢(shì)，其關(guān)系如圖6所示。

表3 不同土石比的CBR結(jié)果

圖 6 CBR與不同土石比的關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果表明，隧道棄渣土石比為3∶7時(shí)，其技術(shù)指標(biāo)是最好的，說明采用土石比為3∶7的隧道棄渣進(jìn)行路基填筑能夠獲得最好的壓實(shí)質(zhì)量。但是，鑒于扎碾公路隧道棄渣天然土石比構(gòu)成為2∶8，并且從上面3個(gè)試驗(yàn)結(jié)果來看，土石比為2∶8時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果與最佳土石比3∶7的結(jié)果相差不大；若采用天然的隧道棄渣同樣能夠獲得質(zhì)量合格的鋪層質(zhì)量，即可以直接進(jìn)行填筑，不僅省時(shí)省力而且節(jié)約成本。下面對(duì)原隧道棄渣進(jìn)行3種既定松鋪層厚的碾壓試驗(yàn)，并在壓實(shí)后對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。

3 室外試驗(yàn)

3.1 碾壓施工沉降試驗(yàn)

根據(jù)扎碾公路的實(shí)際情況，擬定采用30、50、70 cm三種松鋪層厚在高填路基不同的位置進(jìn)行填筑，碾壓設(shè)備采用洛建20 t單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)。對(duì)每一種厚度的松鋪層分別進(jìn)行碾壓施工，并且每碾壓2遍記錄1次施工沉降量。具體方法是：鋪層松鋪后在壓路機(jī)既定行駛的軌跡上用滑石粉每隔5 m布點(diǎn)，共4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，壓路機(jī)行走一個(gè)來回后用水準(zhǔn)儀記錄1次布點(diǎn)高程，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

3種松鋪層厚的沉降量、沉降率和碾壓遍數(shù)的關(guān)系如圖7、8所示。

表4 不同松鋪層厚最佳壓實(shí)工藝組合沉降結(jié)果

圖7 不同松鋪層厚累計(jì)沉降量和碾壓遍數(shù)關(guān)系

圖8 不同松鋪層厚的累計(jì)沉降率和碾壓遍數(shù)的關(guān)系

由圖7得出，每種層厚在碾壓前期都有沉降量快速增加的階段，但隨著碾壓遍數(shù)的增加，沉降量逐漸減小，整體線形由陡峭趨于平緩。松鋪30、50、70 cm鋪層碾壓后最大沉降分別為1.9、3.3、4.1 cm。圖8中，3種鋪層的沉降率線形同樣滿足先急增后平緩的變化趨勢(shì)，松鋪30、50、70 cm鋪層碾壓后的沉降率分別為6.01%、6.47%、5.74%。

3.2 鋪層壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)

粒徑較大且粒徑組成變化復(fù)雜是棄渣填料的特點(diǎn)之一，也決定了其密度的不易確定性。質(zhì)量檢測(cè)方法借鑒填土路基灌水法，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)路基的干密度。由室內(nèi)試驗(yàn)得填料的表觀密度為2.775 g·cm-3，土石比為2∶8的隧道棄渣填料室內(nèi)最大干密度和最佳含水率分別為2.37 g·cm-3、3.72%。

在試驗(yàn)路段，每一次松鋪層厚碾壓完成后對(duì)每一鋪層選取3個(gè)代表試點(diǎn)，以孔隙率為指標(biāo)進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)果見表5。

表5 灌水法試驗(yàn)結(jié)果

土石混填路基施工對(duì)空隙率的要求是：上路堤不大于22%，下路堤不大于24%。編號(hào)1、2、3是松鋪30 cm灌水法試驗(yàn)結(jié)果；編號(hào)4、5、6是松鋪50 cm灌水法試驗(yàn)結(jié)果；編號(hào)7、8、9是松鋪70 cm灌水法試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，鋪層壓實(shí)后最大空隙率小于22%，最小壓實(shí)度為94%。這說明直接采用土石比2∶8的隧道棄渣進(jìn)行填筑施工后的路基質(zhì)量符合要求。

4 結(jié) 語

(1)青海扎碾公路隧道棄渣土石比為2∶8，級(jí)配良好，不均勻系數(shù)偏小，受水浸泡幾乎不膨脹，CBR值滿足路基填筑要求。

(2)在隧道棄渣含水率相同的情況下，擊實(shí)后的密度隨著含石量的增大而增大，土石比為3∶7時(shí)密度達(dá)到最大值，此后隨含石量增加密度迅速減??；隧道棄渣最大干密度和不同的土石比也滿足以上關(guān)系。該棄渣土石比為3∶7時(shí)能夠獲得最佳壓實(shí)質(zhì)量。

(3)隧道棄渣最佳含水率和不同土石比的關(guān)系呈負(fù)相關(guān)：隨著含石量的增加，最佳含水率呈減小趨勢(shì)。不同土石比和承載比呈正相關(guān)：含石量增加，其CBR值呈變大趨勢(shì)。

(4)雖然原隧道棄渣不均勻系數(shù)偏小，含石量較最佳土石比3∶7偏大，會(huì)形成骨架空隙結(jié)構(gòu)，細(xì)顆粒缺少導(dǎo)致不能夠完全填充，從而不能達(dá)到最佳密實(shí)度；但是，室外試驗(yàn)證明，用棄渣直接進(jìn)行路基填筑壓實(shí)后的孔隙率和壓實(shí)度也能夠滿足質(zhì)量要求，可以直接使用隧道棄渣填料填筑路堤。