大噸位壓路機(jī)下黏質(zhì)土路基碾壓工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

袁 燕，吳紅權(quán)，林國仁，闕 云

(1. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108； 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

黏質(zhì)土在我國廣泛存在，這類土塑性指數(shù)大[1-2]，用于路基填料時(shí)表現(xiàn)出很多不利性質(zhì)，其中以水穩(wěn)定性較差、 壓實(shí)困難最為突出，但如果工程所在地區(qū)優(yōu)質(zhì)填料不足，在填筑路基時(shí)就不得不使用這類土來進(jìn)行填筑[3]. 這類土往往需要經(jīng)過一定的處理方能使用，但如果處理措施不當(dāng)，后期可能會(huì)產(chǎn)生各種工程病害，包括道路的不均勻沉降、 路面出現(xiàn)裂縫甚至路基垮塌等[4].

對(duì)于黏質(zhì)土路基填料，許多國內(nèi)外的研究人員從不同的角度展開研究工作：文獻(xiàn)[5]研究采用沖擊壓實(shí)技術(shù)處理此類土基的效果； 文獻(xiàn)[6]研究了華南地區(qū)粘性土壓實(shí)后的彈性模量的預(yù)估問題； Zhang等[7]結(jié)合蘭州新疆高速鐵路戈壁灘地區(qū)路基工程的試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為采用徐工XSM220型振動(dòng)壓路機(jī)，靜壓1遍+弱振1遍+強(qiáng)振2遍+弱振1遍+靜壓1遍，壓實(shí)度可達(dá)路堤壓實(shí)的要求. 查旭東等[8]針對(duì)紅黏土的壓實(shí)性能進(jìn)行研究，認(rèn)為對(duì)于普通18 t壓路機(jī)，采用帶凸塊振動(dòng)碾壓、 松鋪厚度在25～30 cm時(shí)碾壓效果較好； 萬智[9]通過研究得到類似的結(jié)論，認(rèn)為帶凸塊普通噸位壓路機(jī)振動(dòng)碾壓的效果好于光輪振動(dòng)壓路機(jī). 文獻(xiàn)[10]對(duì)低液限砂土、 粉土等路基土的機(jī)械碾壓組合進(jìn)行試驗(yàn)研究; 而朱盛[11]研究固化作用下高含水率粘性土路基的壓實(shí)類型不同時(shí)，即使壓實(shí)功相同，控制參數(shù)也不相同.

以上研究大多是基于幾種普通噸位碾壓機(jī)具適應(yīng)的施工工藝，而現(xiàn)在路基施工壓路機(jī)機(jī)械發(fā)展迅速，其中大噸位壓路機(jī)得到較多應(yīng)用. 目前激振力達(dá)81 t的大噸位壓路機(jī)已廣泛在福建省公路路基施工中采用，基于普通噸位壓路機(jī)的研究結(jié)果可能已不能適用. 針對(duì)大噸位壓路機(jī)的黏質(zhì)土施工工藝研究，目前僅見于文獻(xiàn)[13]，該文獻(xiàn)采用YZ32大噸位振動(dòng)壓路機(jī)，對(duì)不同填筑厚度的高液限粘土試驗(yàn)段進(jìn)行強(qiáng)振碾壓試驗(yàn). 試驗(yàn)采用不同遍數(shù)的強(qiáng)振碾壓，對(duì)比SR20M壓路機(jī)的壓實(shí)效果，認(rèn)為大噸位壓路機(jī)強(qiáng)振碾壓后的粘性路基土干密度提高, 有效壓實(shí)深度可以達(dá)到60 cm. 除上述文獻(xiàn)外，對(duì)于大噸位壓路機(jī)，很多具體施工參數(shù)，比如當(dāng)土質(zhì)不同時(shí)應(yīng)取的松鋪厚度、 相應(yīng)的碾壓遍數(shù)、 不同壓實(shí)深度可以達(dá)到的壓實(shí)度等，目前還鮮見針對(duì)性研究文獻(xiàn). 缺少針對(duì)性研究結(jié)論做為依據(jù)，成為大噸位壓路機(jī)使用過程中困擾施工與檢測(cè)單位的問題. 鑒于此，本文分析福建省典型黏質(zhì)土填土路基大噸位壓實(shí)機(jī)械碾壓的最佳松鋪厚度及其施工工藝參數(shù)，可為福建省土質(zhì)路基施工提供參考.

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的主要內(nèi)容和方案

本次現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)路段位于福建省長平高速公路，在K19+720～K19+900段部分車道進(jìn)行機(jī)械碾壓工藝組合的試驗(yàn)路段施工，同時(shí)在其中K19+700～K19+750段進(jìn)行最佳松鋪厚度試驗(yàn)，試驗(yàn)路段按車道劃分三個(gè)路段并列進(jìn)行.

1.1 黏質(zhì)土的物理特性

選用的土樣來自福建省長平高速公路長平段A2標(biāo)段K19+900處. 按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTJ E40—2007)》[14]，結(jié)合篩分法和沉降法來對(duì)這類土體進(jìn)行分類及判定. 土的顆粒組成及試驗(yàn)結(jié)果見表1和表2.

表2 液塑限及擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Liquid plastic limit and compaction test results

試驗(yàn)結(jié)果表明，本試驗(yàn)土樣小于0.075 mm的土質(zhì)量超過試驗(yàn)總質(zhì)量的50%，說明本試驗(yàn)土樣為細(xì)粒土； 塑性指數(shù)為15.2，大于7，且大于界限值Ip=0.73(wL-20)=14.2，可得試驗(yàn)土樣為低液限黏土.

1.2 碾壓機(jī)械類型

長樂至平潭高速公路試驗(yàn)路段用的碾壓機(jī)械型號(hào)與相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)如表3所示.

表3 試驗(yàn)段所使用的碾壓機(jī)械參數(shù)Tab.3 Rolling machine parameters used in the test section

1.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

1.3.1不同松鋪厚度試驗(yàn)路段施工方案

對(duì)于本次所填筑的黏質(zhì)土試驗(yàn)路段，主要是進(jìn)行不同松鋪厚度下的壓實(shí)試驗(yàn)，得到不同松鋪厚度下大激振力振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)效果，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析大激振力振動(dòng)壓路機(jī)在對(duì)路基碾壓填筑厚度方面的特點(diǎn)，總結(jié)大噸位振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)路基填料的壓實(shí)規(guī)律.

在施工現(xiàn)場(chǎng)，按車道劃分為三條并列試驗(yàn)路段，每條寬5 m，每條長度均為50 m，50 m長度再一分為二，這樣共6段. 普通壓路機(jī)擬碾壓松鋪厚度為40、 50 cm，大噸位壓路機(jī)擬碾壓厚度為40、 50、 60、 70 cm，如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)區(qū)的平面尺寸圖Fig.1 Plan dimension drawing of test area

1.3.2大噸位壓路機(jī)碾壓組合試驗(yàn)路段施工方案

通過上節(jié)方案可得到松鋪厚度的最佳值，以該值做為松鋪厚度鋪筑新的試驗(yàn)路段，攤鋪完成后用大激振力壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)，將碾壓機(jī)械工藝組合、 土壤含水率、 松鋪厚度以及振動(dòng)大小等對(duì)壓實(shí)效果有影響的參數(shù)綜合考慮，進(jìn)行6種工況下的壓實(shí)作業(yè). 此試驗(yàn)路段全長為150 m，將其平均劃分為6個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段長度為25 m，松鋪厚度為上一方案得到的最佳松鋪厚度. 現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械組合方式如表4所示.

表4 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)方案Tab.4 Site rolling test scheme

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同松鋪厚度下黏質(zhì)土干密度的測(cè)定

常規(guī)灌砂法對(duì)較大的壓實(shí)層厚難以進(jìn)行檢測(cè)，因此本研究采用的壓實(shí)度檢測(cè)方法是改進(jìn)后的灌砂檢測(cè)方法. 具體步驟如下：大厚度松鋪層壓實(shí)后，用洛陽鏟從壓實(shí)路基頂面開始往下取土，注意取土?xí)r成孔，成孔后使用灌砂筒灌砂，標(biāo)定體積； 檢測(cè)完上層壓實(shí)層后，再圍著上層孔向四周進(jìn)行面積較大的開挖，使孔底面積變大，注意開挖深度不要超過第一次灌砂時(shí)的深度； 整平坑底平面后，再進(jìn)行第二層的挖孔灌砂、 標(biāo)定體積； 然后進(jìn)行第二層擴(kuò)孔與孔底平面整平，最后進(jìn)行第三層的挖孔灌砂和體積標(biāo)定.

為了比較兩種不同類型與噸位的壓路機(jī)對(duì)黏質(zhì)土路堤填土的壓實(shí)效果，本次試驗(yàn)路段均進(jìn)行4遍碾壓，為了節(jié)省時(shí)間和提高壓實(shí)效果的檢測(cè)效率，只檢測(cè)碾壓1遍和第4遍后的土層壓實(shí)效果. 壓實(shí)效果檢測(cè)時(shí)取土步驟如下：路基按設(shè)計(jì)松鋪厚度壓實(shí)后，用洛陽鏟在其上半層壓實(shí)層的土體上挖孔，迅速把挖出的土裝入不透氣的塑料袋內(nèi)并密封，馬上稱量土的質(zhì)量，然后用灌砂筒往孔內(nèi)灌入標(biāo)準(zhǔn)砂，等到砂停止流出時(shí)拿起灌砂筒，試驗(yàn)員稱取筒內(nèi)剩余砂的質(zhì)量并計(jì)算壓實(shí)度. 進(jìn)行上層壓實(shí)層的檢測(cè)后，挖出孔內(nèi)砂，再圍著上層孔向四周進(jìn)行面積較大的開挖，注意深度不要超過上層孔的深度位置，然后整平坑底平面，再進(jìn)行第二層的挖孔灌砂. 所有松鋪厚度均采用這種由上而下的成孔方式，具體形式和孔深如圖2所示. 強(qiáng)振1、 4遍后黏質(zhì)土壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果見表5所示.

圖2 壓實(shí)度檢測(cè)層次劃分Fig.2 Classification of compaction detection levels

表5 黏質(zhì)土壓實(shí)度的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 Relevant test data of compaction degree of cohesive soil

本研究只鋪筑了松鋪厚度為40、 50 cm的試驗(yàn)路段來研究普通壓路機(jī)的壓實(shí)效果試驗(yàn)，從已有文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)來說，較厚松鋪厚度下普通壓路機(jī)的壓實(shí)效果不好，通常50 cm厚度已不易壓實(shí)，不進(jìn)行60、 70 cm松鋪厚度試驗(yàn). 圖3(a)～3(b)繪出用兩種壓路機(jī)壓實(shí)后，不同壓實(shí)深度處粘性土干密度值的變化情況，可據(jù)此分析兩種機(jī)械壓實(shí)效果的區(qū)別； 通過把表5數(shù)據(jù)中同一壓實(shí)工況下的上下層位的干密度進(jìn)行平均，即可得到整個(gè)壓實(shí)層的干密度，繪出干密度-松鋪厚度-壓實(shí)遍數(shù)關(guān)系的柱狀圖，如圖3(c)～ 3(d)所示.

(a) 碾壓1遍不同層位

(b) 碾壓4遍后不同層位

(c) 碾壓1遍不同松鋪厚度

由表5和圖3可得到如下4個(gè)主要結(jié)論.

1) 大噸位壓路機(jī)的壓實(shí)效果優(yōu)于普通壓路機(jī)的壓實(shí)效果. 大噸位壓路機(jī)的壓實(shí)功率與激振力較普通壓路機(jī)大得多，能夠在較深松鋪厚度下達(dá)到較大的有效壓實(shí)度； 無論壓路機(jī)類型、 碾壓遍數(shù)，上層壓實(shí)效果總是比下層壓實(shí)效果要好.

2) 本研究所采用的壓路機(jī)型號(hào)，壓實(shí)4遍效果均好于壓實(shí)1遍. 比較表5中的壓實(shí)度數(shù)據(jù)，可以看到對(duì)大噸位壓路機(jī)亦或普通壓路機(jī)，壓實(shí)遍數(shù)更多，壓實(shí)效果均更好，大噸位壓路機(jī)的壓實(shí)效果在不同遍數(shù)下區(qū)別更大. 但應(yīng)留意的是，此試驗(yàn)工況最多進(jìn)行4遍壓實(shí). 可以說，在一定壓實(shí)遍數(shù)和壓實(shí)噸位范圍內(nèi)，碾壓遍數(shù)和機(jī)械噸位的增加都影響路基填土壓實(shí)度的大小.

3)采用的大噸位壓路機(jī)對(duì)60 cm及更小松鋪厚度強(qiáng)振碾壓4遍后，壓實(shí)度都達(dá)到96%的壓實(shí)度要求，符合路基施工規(guī)范規(guī)定的所有等級(jí)公路路床所要求的壓實(shí)度[12]； 60 cm及以下松鋪厚度經(jīng)過大噸位壓路機(jī)強(qiáng)振碾壓4遍后，上層都超過100%，其原因可能是：① 試驗(yàn)采用的最大干密度試驗(yàn)擊實(shí)功較小，擊實(shí)后剩余的空氣體積率相對(duì)還比較高，最大干密度值偏低； ② 大噸位壓路機(jī)的強(qiáng)振碾壓對(duì)土體作用較大壓實(shí)功，造成壓實(shí)層上層土顆粒間空隙被破壞，土體進(jìn)一步密實(shí)，壓實(shí)度超百.

4)無論是強(qiáng)振碾壓1遍還是4遍，大噸位壓路機(jī)在松鋪厚度為60 cm時(shí)的壓實(shí)效果均優(yōu)于其它松鋪厚度，強(qiáng)壓1遍即可達(dá)到94區(qū). 對(duì)黏質(zhì)土采用大噸位壓路機(jī)進(jìn)行施工壓實(shí)可以更快速地達(dá)到規(guī)范規(guī)定的壓實(shí)度要求，最適應(yīng)的壓實(shí)厚度為60 cm. 其原因可能是在60 cm松鋪厚度和大噸位壓實(shí)功下，土作為三相體系，土顆粒間的水分易排出，土顆粒間空隙減小，排列最緊密，形成密實(shí)的整體； 40、 50 cm厚度下，大激振力可能引起表層土顆粒空隙封閉較快，反而不利于水分快速排出，壓實(shí)度小于60 cm厚度時(shí)的壓實(shí)效果.

2.2 不同松鋪厚度下黏質(zhì)土壓實(shí)沉降觀測(cè)

試驗(yàn)時(shí)各工況均為壓路機(jī)先靜壓1遍，然后開啟振動(dòng)碾壓模式，每碾壓1遍均進(jìn)行1次沉降量檢測(cè)并記錄數(shù)據(jù). 在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，本文采用“十字法”進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)的定位，即在要測(cè)量壓實(shí)度的壓實(shí)表層上確定相應(yīng)的代表點(diǎn)位置后，以該點(diǎn)為中心在地面上畫互相垂直的兩條線，形成十字，在十字的4條線上從交叉點(diǎn)開始，向外間隔0.5 m取點(diǎn)，如圖4(a)所示，然后測(cè)量這些點(diǎn)的沉降量, 見圖4(b)[15].

(a) 布置檢測(cè)沉降的代表點(diǎn)

(b) 用水準(zhǔn)儀觀測(cè)代表點(diǎn)的沉降圖4 代表點(diǎn)的布置和沉降觀測(cè)Fig.4 Arrangement of representative points and settlement observing

對(duì)試驗(yàn)得到的沉降量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為沉降率數(shù)據(jù)，沉降率指路基填土松鋪厚度經(jīng)過壓實(shí)機(jī)械碾壓n遍后所產(chǎn)生的總沉降量與對(duì)應(yīng)松鋪厚度的比值. 沉降量和沉降率隨碾壓遍數(shù)的變化繪成曲線，如圖5所示.

(a)壓實(shí)層的沉降量

(b) 壓實(shí)層的沉降率圖5 壓實(shí)層沉降量與沉降率隨壓實(shí)遍數(shù)的變化Fig.5 Change of settlement and settlement rate of compacted layer with rolling times

從圖5可看出，靜壓一遍以后，壓實(shí)層的表面沉降量隨著振動(dòng)碾壓遍數(shù)的增加而增大，沉降率也同向增大； 碾壓產(chǎn)生的沉降量也隨著松鋪厚度的增大而增大. 大噸位壓路機(jī)振動(dòng)碾壓作用下，40 cm與50 cm松鋪厚度下產(chǎn)生的沉降量比普通壓路機(jī)更大. 這樣從沉降量的角度出發(fā)，大激振力壓路機(jī)的壓實(shí)效果要優(yōu)于普通壓路機(jī).

由圖5還可以得出，沉降率最大的松鋪厚度不是70 cm，而是60 cm，說明過大的松鋪厚度會(huì)降低壓實(shí)效率. 但是研究人員注意到，即使70 cm厚度，沉降率也超過普通壓路機(jī). 本試驗(yàn)采用的大激振力壓實(shí)機(jī)械與工況組合下，對(duì)應(yīng)相應(yīng)土質(zhì)的最佳厚度為60 cm.

2.3 大噸位壓路機(jī)碾壓工藝組合

在碾壓開始前，按規(guī)范要求從現(xiàn)場(chǎng)取樣，測(cè)出土體的天然含水量. 碾壓施工時(shí)，注意使土體含水量滿足最佳含水量要求，必要時(shí)需在填筑時(shí)加水拌合均勻. 填土后整平表面，使松鋪厚度為60 cm，然后開始碾壓，碾壓時(shí)遵循“先輕后重、 先慢后快、 先兩邊后中間”的原則[13]. 工序是先靜壓一遍，開啟振動(dòng)進(jìn)行縱向碾壓，時(shí)速≤4 km·h-1，最后靜壓一遍進(jìn)行路基表面收光. 根據(jù)步驟振動(dòng)縱向碾壓遍數(shù)的不同分為6個(gè)工況，碾壓工藝組合如前表4所示，碾壓效果如表6所示.

表6 不同碾壓工藝組合下大噸位壓路機(jī)的壓實(shí)試驗(yàn)效果Tab.6 Test data of compactness of high exciting force roller under different rolling combinations

由表6中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出以下兩點(diǎn)主要結(jié)論.

1) 隨著碾壓遍數(shù)的增加，平均壓實(shí)度均隨之增加，但其壓實(shí)度的差異隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加逐漸縮小. 上述所有工況除了強(qiáng)振遍數(shù)不同，其它組合工藝均相同，基本組合方式為(靜壓1遍+弱振1遍+強(qiáng)振n遍+靜壓1遍). 從表6可以看到，本節(jié)試驗(yàn)均采用60 cm厚度的情況下，在工況1即強(qiáng)振1遍即可達(dá)到94區(qū)要求(下層20 cm的壓實(shí)度為94.8%)； 工況2為強(qiáng)振2遍，可以達(dá)到96區(qū)，此時(shí)下層20 cm壓實(shí)度為96.9%.

2) 隨著碾壓遍數(shù)的增加，上層和中層壓實(shí)土體的壓實(shí)度先增大，然后出現(xiàn)小幅回落，其中上層壓實(shí)度的回落趨勢(shì)較中層更為明顯，下層壓實(shí)度基本上是先上升后趨于穩(wěn)定. 分析其原因，可能是因?yàn)樯蠈雍椭袑邮艿捷^大壓實(shí)功的作用，土體狀態(tài)會(huì)經(jīng)歷松散—壓實(shí)—再次松動(dòng)的變化過程，即強(qiáng)振遍數(shù)較多，造成壓實(shí)功過大時(shí)，上層壓實(shí)土體再次松動(dòng)，表現(xiàn)為其壓實(shí)度先上升后下降. 壓實(shí)土體在深度上距離大激振力壓路機(jī)越大，受到的影響越小，不同土質(zhì)受影響的范圍可能不同，因此將來還需要進(jìn)一步研究不同土質(zhì)下該規(guī)律的適用性.

3 結(jié)語

1) 與普通壓路機(jī)(20 t)相比，大噸位壓路機(jī)(32 t)對(duì)低液限黏土填土的壓實(shí)效果更好，且在松鋪厚度為60 cm時(shí)的壓實(shí)效果要比其它松鋪厚度好； 在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，采用大噸位壓路機(jī)更容易滿足規(guī)范規(guī)定的壓實(shí)度要求.

2) 低液限黏土壓實(shí)層的沉降量和沉降率均隨碾壓遍數(shù)的增加而增大； 松鋪厚度越大，沉降量一般越大，但松鋪厚度最大的不一定沉降率最大； 試驗(yàn)表明，當(dāng)大噸位壓路機(jī)碾壓松鋪厚度為60 cm的黏質(zhì)土路基時(shí)，沉降率最大，壓實(shí)效果最好.

3) 隨著碾壓遍數(shù)的增加，平均壓實(shí)度均隨之增加，其壓實(shí)度的差異隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加逐漸縮小. 大激振力壓路機(jī)工況組合1(靜壓1遍+弱振1遍+強(qiáng)振n遍+靜壓1遍)可使松鋪鋪厚度為60 cm的下層20 cm土體達(dá)到94區(qū)； 其它壓實(shí)工藝不變，強(qiáng)振2遍時(shí)該位置可達(dá)到96區(qū).

4) 不同層位的壓實(shí)度不會(huì)總是隨著大噸位壓路機(jī)碾壓遍數(shù)的增加而增大，松鋪厚度為60 cm時(shí)的碾壓結(jié)果表明，上、 中壓實(shí)層的壓實(shí)度隨著強(qiáng)振遍數(shù)的增加先增大然后小幅下降，上層壓實(shí)度的回落趨勢(shì)更為明顯； 下層受到的壓實(shí)功相對(duì)較小，壓實(shí)度先增大然后穩(wěn)定在100%左右.