大粒徑無黏性土石混合料路用性能研究

柴榮山，孔振中，張永圣，王延忠，胡文軍

（1.山東省公路橋梁建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250002；2.山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101）

引言

采用大粒徑土石混合料進(jìn)行山區(qū)高等級公路的路基填筑技術(shù)在我國發(fā)展歷程較短，但隨著各種施工機(jī)械、施工方法與施工技術(shù)的發(fā)展，以及理論研究方面的提升，我國在土石混填路堤領(lǐng)域取得了一定的成果[1-3]。許錫昌[4]研究了土石混填路堤中土石混合料中粒徑超過5 mm 的石料含量對壓實(shí)性能的影響；胡其志等[5]研究了壓路機(jī)碾壓遍數(shù)對不同工況下土石混合料填筑路基沉降變形的影響；賈學(xué)明[6]則通過數(shù)值模擬方式分析了土石混合料中含石量及石料特性對填筑體抗剪性能的影響。

京滬高速公路改擴(kuò)建工程萊蕪-新泰二標(biāo)段位于丘陵地區(qū)，土地資源緊張、普通路基填料匱乏，而無黏性土石混合料較多，路塹開挖或隧道爆破開鑿出的碎石粒徑較大。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

按四分法取土樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)確定土石混合料的級配曲線；取混合料中石塊測定其礦物成分；通過標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)，制作試件，測定土樣的最大干密度、最佳含水率；按照擊實(shí)試驗(yàn)所得最佳含水率制件，進(jìn)行四晝夜泡水后，測定試件的CBR 值。

1.1 篩分試驗(yàn)

通過篩分試驗(yàn)，可得大粒徑無黏性土石混合料級配曲線見圖1，分析結(jié)果見表1。依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007），大粒徑土石混合料中礫組質(zhì)量多于砂粒組質(zhì)量，且細(xì)粒土含量小于總質(zhì)量的5%，命名為級配良好礫。

表1 大粒徑土石混合料分析結(jié)果

圖1 大粒徑土石混合料級配曲線

1.2 XRD 試驗(yàn)

取土石混合料中碎石樣品進(jìn)行X射線衍射試驗(yàn)，進(jìn)行礦物成分分析，結(jié)果見表2。巖樣呈黃褐色-灰白色，主要礦物成分為長石和石英，巖樣中二氧化硅含量為16%（＜52%），在道路工程中屬于堿性石料（鈣質(zhì)）[7]。

表2 巖樣礦物成分含量/%

1.3 標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)

采用四分法取土樣，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制擊實(shí)曲線見圖2，確定土石混合料的最大干密度為2.054 g/m3,最佳含水率為5.2%。

圖2 土石混合料擊實(shí)曲線

1.4 CBR 試驗(yàn)

將試件進(jìn)行4 d 浸水，膨脹量0.08%，吸水率2.1%，采用路強(qiáng)儀測定土石混合料試件的CBR 值為63.2，遠(yuǎn)大于規(guī)范對于高速公路路堤填料最小承載比的要求。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

采用GEO-SLOPE 軟件對大粒徑無黏性土石混合料高路堤進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，分析方法為Bishop法，分析參數(shù)見表3。

表3 大粒徑無黏性土石混合料典型路基穩(wěn)定性分析參數(shù)

不考慮地下水影響，荷載采用換算土柱重模擬，換算土條為7.5 m×0.761 m，重度為20.54 kN/m3。計(jì)算結(jié)果見圖3、圖4，兩種典型路堤邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于1.25，符合《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）的要求。

圖3 8 m 高路堤邊坡穩(wěn)定性分析

圖4 20 m 高邊坡穩(wěn)定性分析

3 現(xiàn)場試驗(yàn)路鋪筑

大粒徑土石混合料的特點(diǎn)是塊石粒徑比較大、細(xì)粒土含量較少，土質(zhì)較不均勻，與常規(guī)碎石土的壓實(shí)有所區(qū)別。普通碎石土在壓實(shí)過程中主要是顆粒的移動擠密，孔隙由細(xì)顆粒填充；而大粒徑土石混合料在壓實(shí)過程中，除了移動擠密外，還存在部分顆粒的破碎與移動；同時(shí)由于其細(xì)粒含量較少，若級配不好，即使施工過程中采用較大的壓實(shí)功，導(dǎo)致細(xì)粒不能完全填充粗粒的孔隙，從而形成骨架-空隙結(jié)構(gòu)[8-10]。

依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)場選取200 m 路段進(jìn)行試驗(yàn)路鋪筑。施工工藝（分層填筑，重型機(jī)械壓實(shí)）流程：填料→攤鋪→補(bǔ)充細(xì)料、人工局部找平→30 t壓路機(jī)壓實(shí)→壓實(shí)質(zhì)量檢測→每填筑2 m

沖擊碾壓一次。步驟：（1）填料超大粒徑的范圍一般為35 ～50 cm；（2）填料最佳含水率控制在5.2±2%范圍內(nèi)，并根據(jù)現(xiàn)場干濕情況進(jìn)行調(diào)整；（3）使用挖掘機(jī)對大粒徑土石混合料進(jìn)行攤鋪、找平，松鋪系數(shù)按1.35，松鋪厚度為80 cm，壓實(shí)厚度為60 cm；（4）按照30%比例對大粒徑填料補(bǔ)充細(xì)料、人工局部找平；（5）碾壓順序及碾壓方法：采用30 t壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，以振動碾壓為主，根據(jù)具體情況增加振動碾壓遍數(shù)。碾壓過程遵循先邊后中，先輕后重，先慢后快的原則；（6）壓實(shí)質(zhì)量檢測采用沉降法進(jìn)行每層檢測；（7）路堤填筑過程中，每填筑2 m 采用30 kJ 沖擊壓路機(jī)進(jìn)行沖擊碾壓一次，沖擊遍數(shù)為20。

4 結(jié)語

（1）項(xiàng)目所用土石混合料級配良好，承載比等指標(biāo)符合路基填料要求；（2）現(xiàn)場試驗(yàn)路鋪筑效果較好，表面無明顯孔洞，大粒徑填石無松動；（3）土石混合料中含有部分大粒徑（35 ～50 cm）的石塊，若級配適宜，強(qiáng)度指標(biāo)符合要求，可以作為優(yōu)良的路堤填料；（4）由于填料中含有大粒徑塊石，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)觀測或研究，考慮水對路基的影響，完善其作為路基填料的各項(xiàng)性能研究。

大粒徑土石混合料具有強(qiáng)度較高的工程特性，在工程建設(shè)中，經(jīng)過試驗(yàn)與理論論證后，若能就地取材進(jìn)行路基的填筑，可以起到降低工程造價(jià)、加快施工進(jìn)度的目的，同時(shí)起到減少棄方、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用。