天然砂礫路基振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)與壓實(shí)質(zhì)量分析

秦 艷 麗

(山西路橋建設(shè)集團(tuán)長(zhǎng)興路橋工程有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引言

天然砂礫是常用的路基填料，屬于粗集料，壓實(shí)質(zhì)量控制方法與細(xì)粒土路基存在較大差異。文章基于某高速公路路基施工實(shí)踐，結(jié)合天然砂礫的技術(shù)特點(diǎn)，采用表面沉降法進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量控制。為了確定含石量、含水量、級(jí)配和振動(dòng)壓實(shí)機(jī)施工參數(shù)對(duì)壓實(shí)質(zhì)量的影響，通過試驗(yàn)分析各參數(shù)的影響，確定最佳值。建立試驗(yàn)段，制定檢測(cè)方案，布置測(cè)點(diǎn)檢測(cè)天然砂礫振動(dòng)壓實(shí)前后的沉降量，并分析數(shù)據(jù)確定路基填層壓實(shí)質(zhì)量。

1 依托項(xiàng)目概況

某高速公路路基設(shè)計(jì)寬度為34.5 m，采用雙向四車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)車速120 km/h。路基存在部分低洼地段，分布有濕軟地基，采用天然砂礫換填。該地段路基土主要為粉質(zhì)黏土，處治填挖高度在1.4 m～5.9 m。路基填方量較大，總計(jì)達(dá)到563.5萬m3。為了保證路基壓實(shí)質(zhì)量，施工中嚴(yán)格控制天然砂礫的振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)，并對(duì)壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)，對(duì)路基施工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。

2 天然砂礫振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)分析

2.1 含石量分析

天然砂礫中主要由細(xì)粒土和碎石兩部分組成，兩種材料的強(qiáng)度存在很大差異。天然砂礫中含石量不同，會(huì)直接影響成型后路基結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。研究表明，5 mm 以上碎石顆粒對(duì)天然砂礫的壓實(shí)性能影響較大，主要表現(xiàn)在對(duì)壓實(shí)后路基的最大干密度的影響較大。通過室內(nèi)試驗(yàn)，確定含石量對(duì)天然砂礫路基最大干密度的影響結(jié)果如表1所示，5 mm以上碎石顆粒對(duì)路基最大干密度的影響曲線如圖1所示。

表1 含石量對(duì)天然砂礫路基最大干密度的影響結(jié)果

分析表1數(shù)據(jù)和圖1曲線，隨著含石量的增加，壓實(shí)后路基最大干密度不斷提高，但最佳含水量有所下降。這主要是由于天然砂礫中5 mm以上的碎石組成了骨架結(jié)構(gòu)，當(dāng)含石量小于40%時(shí)，路基壓實(shí)后骨架結(jié)構(gòu)為密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu)；當(dāng)含石量為40%～70%，轉(zhuǎn)化為骨架—密實(shí)結(jié)構(gòu)。

2.2 含水量分析

天然砂礫的組成材料都是自由排水性材料，因此在振動(dòng)壓實(shí)過程中不會(huì)由于含水量增加產(chǎn)生承壓水，進(jìn)而增大路基填土的孔隙比。因此，含水量對(duì)振動(dòng)壓實(shí)的影響較小。試驗(yàn)結(jié)果表明，含水量對(duì)天然砂礫路基的振動(dòng)壓實(shí)效果影響不大，特別是含石量較大時(shí)，影響更小。當(dāng)含石量低于40%時(shí)，此時(shí)的路基填料與細(xì)集料類似，含水量對(duì)壓實(shí)效果的影響較大。

2.3 填料級(jí)配分析

不同級(jí)配的天然砂礫壓實(shí)后會(huì)得到不同最大干密度，其中顆粒的最大粒徑和材料的不均勻系數(shù)對(duì)最大干密度影響較大。級(jí)配對(duì)天然砂礫最大干密度的影響試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，不均勻系數(shù)對(duì)天然砂礫最大干密度的影響曲線見圖2。

表2 級(jí)配對(duì)天然砂礫最大干密度的影響試驗(yàn)結(jié)果

分析表2數(shù)據(jù)和圖2曲線，在相同的振動(dòng)壓實(shí)條件下，天然砂礫的不均勻系數(shù)越大，最大干密度越大。級(jí)配良好的天然砂礫壓實(shí)后的最大干密度明顯高于級(jí)配不良的填料，說明級(jí)配對(duì)壓實(shí)質(zhì)量影響明顯。在進(jìn)行路基壓實(shí)作業(yè)之前，應(yīng)充分拌勻天然砂礫，保證各粒徑顆粒分布均勻，細(xì)集料能夠充分填充到粗集料所組成的骨架結(jié)構(gòu)中，振動(dòng)壓實(shí)后得到密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)，達(dá)到最佳壓實(shí)效果。

2.4 振動(dòng)壓實(shí)機(jī)施工參數(shù)分析

振動(dòng)壓實(shí)機(jī)施工參數(shù)對(duì)壓實(shí)效果影響明顯，施工前應(yīng)調(diào)整好振動(dòng)壓路機(jī)的振幅、振頻，保證激振力滿足要求，并根據(jù)填層厚度確定振動(dòng)時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明，激振力越大，天然砂礫的壓實(shí)效果越好。但也不宜過大，過大反而會(huì)降低壓實(shí)效果。激振力不變的情況下，振頻越低，最大干密度越大。振幅應(yīng)根據(jù)填層厚度確定，填層厚度越大，振幅越大，但振幅過大會(huì)降低平整度。通過試驗(yàn)，確定壓路機(jī)激振力范圍為10 kN～80 kN、振動(dòng)頻率30 Hz～50 Hz、振動(dòng)時(shí)間為6 min。

3 路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)分析

3.1 表面沉降控制法

本項(xiàng)目天然砂礫路基壓實(shí)質(zhì)量采用表面沉降控制法檢測(cè)，該方法是通過檢測(cè)路基在碾壓過程中產(chǎn)生的塑性變形分析確定路基的壓實(shí)質(zhì)量。通常采用水準(zhǔn)儀測(cè)點(diǎn)路基填筑施工作業(yè)面的高程，通過分析碾壓前后的高程差確定壓實(shí)質(zhì)量，操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。表面沉降控制法的監(jiān)測(cè)原理是根據(jù)碾壓過程中路基體積的變化情況，確定路基壓實(shí)后的體積變化情況，進(jìn)而確定密度的變化，確定壓實(shí)度。由于填料的質(zhì)量是一定的，只需要測(cè)量出路基填料體積的變化，就可以確定填層密度的變化情況。假定填層每次碾壓后的沉降率為εn，密度為ρn，忽略碾壓過程中下層路基所產(chǎn)生的沉降，壓實(shí)后密度計(jì)算公式如下：

(1)

其中，M為路基碾壓層填料的總質(zhì)量；A為路基填層碾壓面積；H為碾壓前路基填層初始厚度；Hn為碾壓n遍后路基填層厚度；ρ0為碾壓前路基填層初始密度。

如天然砂礫填層的初始密度ρ0，通過式(1)就可以確定碾壓n遍后路基填層的密度ρn。假設(shè)路基填層碾壓前后密度的增加率為Γn，則有：

(2)

通過對(duì)以上公式的分析可知，路基填層沉降量與填料的密度變化是相對(duì)應(yīng)的，路基填層沉降量越大，密度增加率越高。設(shè)路基填層碾壓終了密度為ρe，沉降率為εn，則有：

(3)

可以得到ρ0=ρe(1-εe)，代入式(1)計(jì)算，則有：

ρn=ρe(1-εe)(1+εn)≈ρe(1-εe+εn)

(4)

通過以上推導(dǎo)，可知只要確定路基填層碾壓前后的沉降量，就可以計(jì)算填料密度，進(jìn)而確定填料的壓實(shí)質(zhì)量。結(jié)合施工規(guī)范要求，天然砂礫沉降量平均值應(yīng)控制在5 mm以下，標(biāo)準(zhǔn)差小于3 mm。

3.2 壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方案

測(cè)點(diǎn)布置在整平初壓后的路基表面上，測(cè)點(diǎn)橫向間距為20 m，縱向間距為10 m。測(cè)點(diǎn)周圍撒石灰，測(cè)點(diǎn)周邊使用5 cm×5 cm鋼板進(jìn)行定位，以便識(shí)別測(cè)點(diǎn)，提高測(cè)量精度，測(cè)點(diǎn)布置在路基中線左右兩側(cè)。路基中線兩側(cè)各布置一組測(cè)點(diǎn)，左側(cè)路基定義為A系列，右側(cè)路基B系列，觀測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖3所示，施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。測(cè)點(diǎn)布置完成后，本項(xiàng)目施工采用50 t振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)施工，每碾壓一遍進(jìn)行一次高程測(cè)量，對(duì)路基沉降量進(jìn)行記錄。

3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

在路基碾壓過程中采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)，記錄每次碾壓后路基施工作業(yè)面的沉降量。選定有代表性的路段作為試驗(yàn)路段，路基碾壓遍數(shù)為5遍，松鋪厚度為40 cm，碾壓施工過程中對(duì)松鋪厚度進(jìn)行測(cè)量，天然砂礫路基碾壓沉降量記錄如表3所示。

分析表3數(shù)據(jù)，得出各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量基本一致，沉降量變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。其中B系列的沉降量略高于A系列，隨著碾壓遍數(shù)的增加，沉降量不斷減小，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。第一遍碾壓沉降量最大，均超過了10 mm，第五遍碾壓沉降較小，均低于2 mm，平均值為-1 mm，滿足規(guī)范要求的不大于5 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.3 mm，小于規(guī)范要求的3 mm，說明碾壓5遍各測(cè)點(diǎn)均達(dá)到了路基壓實(shí)質(zhì)量要求。

4 結(jié)語

結(jié)合高速公路天然砂礫填筑施工實(shí)踐，通過試驗(yàn)分析含石量、含水量、級(jí)配和振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)對(duì)壓實(shí)效果的影響，并采用表面沉降控制法對(duì)壓實(shí)后路基壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，得出以下結(jié)論：

1)通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出含石量、級(jí)配和振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)對(duì)路基壓實(shí)質(zhì)量影響較大，含水量影響較?。?/p>

2)通過布置測(cè)點(diǎn)，分析表面沉降控制法檢測(cè)結(jié)果得出，設(shè)計(jì)松鋪厚度為40 cm的天然砂礫路基，采用振動(dòng)壓路機(jī)碾壓5遍各測(cè)點(diǎn)沉降量均低于3 mm，說明壓實(shí)質(zhì)量達(dá)到了規(guī)范要求。