土石填料性質對連續(xù)壓實VCV值的影響

羅士杰， 黃 俊

(西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川成都 610031)

隨著國家經濟的發(fā)展和建設以及全國大面積高速公路網建設的延伸，越來越多的公路建設面臨的地形從以平原微丘區(qū)為主轉向以山嶺重丘區(qū)為主。

工程單位出于經濟效益和環(huán)境效益的綜合考慮，在填料選擇方面，多是就地選取深挖路塹和隧道施工產生的棄碴作為填料。這樣的優(yōu)點是一方面有效解決了如征用場地堆放挖方棄方材料、大量棄方占用農田耕地、破壞沿線環(huán)境等問題，另一方面也減小了填料運距和運輸力量、降低了施工成本、縮短了工期。但是，這種填料具有土石混合、含石量高、大粒徑多的顯著特點，關于土的工程分類的相關規(guī)定[1]，多數情況下屬于巨粒土的范疇。然而，目前我國公路路基相關技術標準、規(guī)范的制定仍主要建立在細粒土填料的基礎之上，對于含大量巨粒土的土石混合材料路基并不完全適用。尤其是不同的路基填料對于路基壓實工藝的影響也完全不同。

本文基于太行山高速邢臺段路基工程特點，高填方路基填料來源深挖路塹和隧道施工產生的棄碴以及河灘料，對比k8工點和渡口互通工點填料的差異以及壓實施工過程分析得出兩者之間的相關性。

1 土石填料的性質及強度

k8試驗段的地層主要為太古界贊皇群石城組全-中風化花崗片麻巖，該地層地表出露，揭露層內，呈褐黃色，中粗粒結構，弱片麻狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯多呈碎塊狀。該地層的承載力基本容許值為[fa0]=450kPa，摩阻力標準值為qik=150kPa。

渡口互通試驗段屬于重丘區(qū)，地勢起伏較大，地層主要為第四系下更新統(tǒng)冰積形成的粉質黏土、碎石、塊石等，上覆更新統(tǒng)坡洪積粉質黏土，局部地表見黃土狀粉質黏土。粉質黏土呈黃褐色，可塑，土質不均，切面稍光滑，干強度及韌性中等，局部含姜石，該地層的承載力基本容許值為[fa0]=160kPa，摩阻力標準值為qik=30kPa 。

碎石和塊石主要是以砂巖、灰?guī)r為主。

對于巖石來說最重要的力學性質之一的單軸抗壓強度，這個是確定地層承載力、進行巖石分類的必需參數，實驗中多采用單軸抗壓強度試驗進行測定。單軸抗壓強度試驗對試件的尺寸、精度要求嚴格，試驗過程繁瑣、耗時且成本較高，因此對該試驗段的石料只進行了點荷載試驗，通過公式換算出其單軸抗壓強度。

1.1 點荷載儀器

點荷載試驗使用的儀器為STDZ-3型點荷載儀，主要分為加荷系統(tǒng)和液晶顯示儀兩個部分, 其中, 加荷系統(tǒng)又包括液壓千斤頂、承壓框架和上下兩個壓頭。對試樣施加集中荷載，直至試樣破壞，然后通過計算求出試樣的點荷載強度值[2]。

1.2 試驗樣本

盡量多的選取兩個工點不規(guī)則的但便于試驗的樣本，選取k8工點試驗段選取了強風化-全風化花崗片麻巖共計102塊，有效的為62塊；中風化-強風化花崗片麻巖共計85塊，有效的為85塊；弱風化-中風化花崗片麻巖共計90塊，有效的為90塊；河灘料中石英砂巖共計95塊，有效的為95塊，開挖隧道產生的棄渣中的砂巖共計113塊，有效的為109塊；棄渣中的灰?guī)r共計58塊，有效的為55塊。部分試驗樣本見圖1。

圖1 試驗部分樣本

1.3 數據處理

點荷載試驗強度的計算，采用國際巖石力學學會于1985年修訂的建議方法。按照式(1)計算未修正點荷載強度指標：

(1)

式中：Is為未修正點荷載強度指標，MPa；P為屈服荷載，N；De為等效巖芯直徑，mm。

對于徑向測試，等效巖芯直徑De即為巖芯直徑D；對于不規(guī)則巖塊的軸向測試，等效巖芯直徑De計算應采用：

(2)

式中：W為兩加荷點的最小截面寬度，mm。

計算巖石點荷載強度，在沒有尺寸修正時，巖石點荷載強度的計算公式為:

(3)

式中:Is為未經修正的巖石點荷載強度，MPa；P為破壞載荷，N。

當等效巖芯直徑不為50 mm，且實驗數據較少時巖石點荷載實驗強度指數按以下公式進行修正：

Is(50)=F·Is

(4)

(5)

式中:Is(50)為修正后的點荷載強度指數，MPa；F為修正系數；m為修正指數，可取0. 40 ～ 0. 45，本文m取值為0. 45。

用點荷載強度計算單軸抗壓強度，GB/T 50218-2014《工程巖體分級標準》[3]中推薦的強度換算公式為：

(6)

式中:Rc為巖石飽和單軸抗壓強度，MPa。

1.4 試驗結果分析

如圖2所示，選取的6種不同的試驗填料通過點荷載實驗，通過上面公式進而計算得出的單軸抗壓強度均基本滿足正態(tài)分布規(guī)律，k8工點的填料中的巖石單軸抗壓強度隨風化程度的降低而顯著增加，大量的強風化組中的試樣在試驗時碎裂，無法呈現出劈裂破壞的特性，呈現出劈裂破壞特性的試樣，其單軸抗壓強度均值僅有7.57 MPa，而渡口互通工點石英砂巖試樣在天然含水率單軸抗壓強度為68.49 MPa，砂巖試樣的天然含水率單軸抗壓強度均值為48.02 MPa，灰?guī)r試樣的天然含水率單軸抗壓強度均值為58.48 MPa，均屬于硬巖范圍內，強度明顯高的多。

(a)弱-中風化

(b)中-強風化

(c)石英砂巖

(d)隧道棄渣

(e)灰?guī)r

2 兩個工點連續(xù)振動壓實VCV值的對比

路基填筑碾壓過程中，根據土體與振動壓路機相互動態(tài)作用原理，通過連續(xù)量測振動壓路機震動輪豎向振動響應信號，簡歷檢測評定與反饋控制體系[4],實現對整個碾壓面壓實質量的實時動態(tài)監(jiān)測與控制[5]。

由于路基結構形成的特點，為了達到實時連續(xù)檢測路基結構抗力的目的，以壓路機振動輪的動態(tài)響應(加速度)來識別路基抗力是一條很好的途徑，可以免去復雜的計算，同時又不要求具體的壓路機相關參數，只要求噸位和振動參數一定且性能穩(wěn)定即可，因此采用壓實機具動態(tài)響應具有較好的實時性。

根據研究結果表明，在振動系統(tǒng)參數一定的條件下，壓路機振動輪加速度響應與路基系統(tǒng)反作用力之間存在著線性對應關系[5]。因此可以選取振動輪的加速度作為抗力指標信息——即連續(xù)壓實檢驗控制指標[6-8]。為方便表述，可將經過適當信號處理后的振動輪加速度定義為振動壓實值VCV。

在k8工點進行了16組試驗，在渡口互通工點進行了12組試驗，由于現場的情況和施工的條件限制，每一組來回碾壓的遍數沒法保證完全一樣，但保證每一組都是至少在3遍以上(來回一個輪跡算一遍)，并且結合不同的壓路機，不同的填鋪厚度，對VCV值的變化進行整理。k8工點VCV值基本如圖3所示，渡口工點VCV值如圖4所示。

從VCV值可以很好的看出，k8工點的軌跡基本處于平穩(wěn)，不同遍數情況下都在550左右，很好地說明地基抗力對其的影響趨于穩(wěn)定，側面反映出填料層松鋪的比較均勻(圖5)，可以明顯看出填筑路面壓實的比較平整，整個壓實的過程，壓路機基本都把大塊的中風化的花崗片麻巖碾壓成了碎屑狀，進而整過整個路面壓實的更加均勻。

(a)01輪壓實穩(wěn)定性曲線

(b)02輪壓實穩(wěn)定性曲線圖3 k8工點VCV值

(a)01輪壓實穩(wěn)定性曲線

(b)02輪壓實穩(wěn)定性曲線圖4 渡口互通工點VCV值

圖5 k8工點連續(xù)壓實試驗過程

渡口互通工點連續(xù)壓實VCV值相對比較波動，而且明顯比k8工點要小很多，這就很好能看出這面的壓實過程較為不均勻，很能說明和這面填料有很大關系。如圖6所示，在壓路機碾壓的過程中無法使大粒徑塊石較好的碎裂為較小的顆粒，導致級配的嚴重不良，進而影響路基填筑時細顆粒向粗顆?？障堕g的填充和路基的均勻性，使路基出現局部的不均勻沉降。并且由于隧道開挖棄方中的砂巖和灰?guī)r受到爆破擾動較大，因此其巖塊內部會出現較多的微裂隙與微裂縫，這些微裂隙與微裂縫雖然肉眼不可見，在振動壓路機的作用下會成為巖塊內部的薄弱處和應力集中處，同時部分砂巖和灰?guī)r內部具有泥質軟弱夾層，因而相較于石英砂巖，這兩種巖塊更容易破碎為較小的塊體或填粒，用以填充更大顆粒間的空隙。石英砂巖具有很高的抗壓強度，在壓路機的作用下石英砂巖有部分被壓碎，但其破碎率較低。并且兩種填料中三種塊石的充填土都是黏性土，因而難以填充塊石之間的空隙。進而在壓路機碾壓過程中呈現出路面不均勻的狀況，同時也導致其VCV值相對較低。并且由于渡口工點的硬巖粒徑較大，因而其松鋪厚度也比k8工點厚度大，其厚度肯定也會對壓實的過程產生影響。

圖6 渡口互通工點連續(xù)壓實試驗過程

3 結論及改進建議

綜上所述得出以下結論及改進建議：

(1)對于高填方路基而言，不同土石填料的路基確實會影響連續(xù)振動壓實度，其中填料的強度指標是一個很好的評判標準，是一個很重要的影響因素。

(2)由于土石填料中，土的性質和巖石的性質，以及兩者混合在一起后共有性質都對壓路機壓實過程產生很大的作用，當填料中巖石強度較低，易碎，那更容易與無黏性土結合在一起，形成更好的壓實度，相反如果巖石粒徑較大，不容易破碎，那與黏性土之間不容易結合，造成壓實不夠均勻。

(3)在施工中，我們要對路基的填料進行分類，保證其振動壓實值能在一個相對較高的值，這樣便于對路基是否壓實了有一個很好的判斷，并可以很好地指導壓路機的工作。

由于連續(xù)壓實試驗過程受現場施工情況影響，不能完全控制碾壓速度，完全相同的壓路機，以及現場每一次的松鋪厚度，并且也不能保證試驗路徑的長度寬度完全一致，可能會對振動壓實值有一定的誤差，進而進行對比有些許問題，后期室內實驗可以進行改進。