填石路堤壓實質量無損快速檢測技術*

劉玉龍，鐘少杰，郜夢棵

(1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510000；2.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南 長沙 410000)

0 引言

隨著中西部公路工程建設的不斷推進，山嶺地區(qū)修建高速公路受自然條件限制，深挖路塹和隧道施工會產生大量大粒徑碎石料，為合理利用資源，保護生態(tài)環(huán)境，填石路堤是我國山區(qū)高速公路修筑中的必然選擇[1]。

當填方路基中粒徑≥60mm的顆粒>50%，<0.074mm的顆粒低于10%時，即可進一步明確填石路堤的概念[2]。我國填石路堤工程的應用開始于20世紀80年代，在技術方面積累了一定經驗。劉鑫[3]依托施工試驗路段結合室內試驗，證明粗粒料有較好的物理力學性質，是較理想的路基填筑材料。邸小勇等[4]的研究表明，填石料自身的壓縮對路面修筑幾乎無影響，對路堤修筑有利。郭精德[5]以張承高速公路巨粒土填方路基試驗段為例，介紹了山區(qū)高速公路巨粒土填方路基施工填筑工藝和質量控制關鍵技術。

填石路堤的壓實質量控制及其檢測方法關系到整個路堤施工的整體質量及施工效率，邵臘庚等[6]依托宜昌—長陽高速公路項目鋪筑試驗路段，研究了沉降差與壓實密度、碾壓參數間的關系，提出填石路堤壓實質量快速檢測法。張榮等[7]依據填石路堤壓實孔隙率設計標準，開展試驗研究，確定碾壓組合參數和沉降差控制標準。李國峰等[8]分析各因素對檢測結果的影響，將無核密度儀用于現場快速檢測。

為推進填石路堤在高速公路建設中的廣泛應用，對本標段試驗路段填石路堤填筑工藝及壓實施工工藝等進行總結探討，分析灌水法測定孔隙率對填石路堤壓實質量控制的影響，探究無核密度儀應用于填石路堤質量的快速檢測方法。

1 山區(qū)填石路堤填筑工藝

1.1 工程概況

廣州從化—清遠連州高速公路全線采用六車道高速公路標準建設，設計速度為120km/h，路基寬度為34.5m，設計荷載為公路-Ⅰ級。沿線通過地層有第四系、石炭系、泥盆系地層等，巖性主要為灰?guī)r、白云質灰?guī)r等。TJ09標段沿線3座隧道總長達5.51km，占標段長度29.9%。因存在大量巖質隧道和路塹邊坡的爆破作業(yè)，形成大量大粒徑碎礫石材料，可用于填石路堤修筑，降低了工程造價，縮短了施工周期。

填石路堤試驗路段K148+530—K148+680長150m，填方高度為5.5～7.6m。通過在試驗路段開展山區(qū)填石路堤填筑、壓實工藝研究，并在路堤填筑完成后通過埋設傳感器對其完工后的沉降進行監(jiān)測，以對填石路堤的長期質量進行把控。

1.2 施工工藝

1.2.1分層填筑

山區(qū)填石路堤具有自重大、強度高、壓實密度大的特點，填筑前需先明確地基處理要求。根據工程施工資料，不同填筑高度的路基需滿足的地基承載力為[9]：①高度<10m 承載力應>150kPa；②高度為10～20m 承載力應>200kPa；③高度>20m 路基需位于對應的巖石基底。

現行規(guī)范要求填石路堤應分層填筑、壓實。在陡峻山坡地、施工特別困難地段、三級及以下砂石路面公路下路堤可采用傾填方式。具體施工中，不同項目需結合現場實際情況、施工經驗進行施工。填石路堤施工流程如圖1所示。

圖1 填石路堤施工流程

填筑采用橫斷面全寬縱向分層填筑壓實。每層松鋪厚度≤50cm。填筑前先用石灰線打出方格網，方格網按路基寬度橫向從中線分開，縱向每隔5m打1道橫線，根據每個方格的面積，結合運輸車運石料量，確定每個方格卸石料車數。

實際施工時，要嚴格控制每輛運輸車運量，不得隨意加減，以保證上料厚度均勻，進而確保壓實度。石塊逐層水平填筑，填筑時安排好石料運輸路線，按水平分層，先低后高、先兩側后中央卸料，并用D85型推土機攤平。個別不平處配合人工用細石塊石屑找平。當石塊級配較差、粒徑較大、填層較厚、石塊間空隙較大時，在每層表面空隙插入石渣、石屑、中粗砂，反復數次使空隙填滿。

人工填筑過程中，不同填鋪粒徑采用不同的填筑方法。填鋪石料粒徑≥25cm時，先填鋪大塊石料，大塊石料間空隙用小石塊、石屑填滿，最后壓實；填鋪石料粒徑<25cm時，直接分層攤鋪、分層碾壓。填筑路堤最后1層鋪筑厚度≤400mm的開山石渣，過渡層碎石料粒徑<150mm，<0.05mm的細料含量≥30%。

1.2.2攤鋪平整

路基攤鋪方式可分為漸進式、后退式和混合攤鋪法，其中漸進式攤鋪法最適合填石路堤施工。卸下填料后，先用大型推土機粗平，使填筑層表面大致平整，然后人工配合找平、填塞孔洞。對于不滿足要求的粒徑，采取人工與機械相結合的方式進行剔除，保證粒料級配的科學性。最后在每層表面填筑10～20cm厚的礫石或粒徑≤10cm的碎石，達到層面平整、無孤立石塊突出，以保證碾壓密實。

1.2.3振動壓實

填石路堤由隧道礦渣填筑而成，自身強度高，壓實后的質量主要受填石料力學性質、級配特性、壓實機械性能及壓實工藝參數的影響[10]，因此填石料須經過充分壓實才能保證路基的強度和穩(wěn)定性。

在路基壓實過程中，常規(guī)壓實方案僅通過調整碾壓遍數提升碾壓效果。本項目根據不同層位調整壓路機械參數，通過試驗路段確定最佳壓實組合，如表1所示。

表1 最佳壓實組合

壓實時繼續(xù)用小石塊或石屑填縫，直到壓實層頂面穩(wěn)定、無下沉、石塊緊密、表面平整為止。每層碾壓完成后，按規(guī)范規(guī)定的頻率進行取樣檢驗，經試驗壓實度符合要求后，方可進行下一層填筑。

對K148+600—K148+680路段進行分層碾壓，在常規(guī)路堤壓實基礎上，利用三邊形沖擊式壓路機沖壓1次進行增強補壓(沖擊式壓路機沖壓20遍記為1次)，通過與K148+530—K148+600路段填筑壓實后的路堤整體沉降對比，研究沖擊式壓路機對填石路堤壓實施工的作用。

2 填石路堤壓實質量檢測技術

控制壓實質量是保證填石路堤整體質量的關鍵因素，傳統檢測方法的壓實質量控制指標主要分為物理性質和力學性質[1]。由于填料特性，填石路堤壓實質量檢測指標與普通填土路堤不同，現行規(guī)范規(guī)定利用孔隙率對填石路堤壓實質量進行控制，質量標準如表2所示。

表2 填石路堤壓實質量標準(孔隙率)

2.1 壓實質量檢測方法

目前，填石路堤壓實度檢測方法主要有灌水法、沉降差法、核子濕密度儀法及重型重力觸探法等。本項目采用灌水法進行孔隙率測試控制壓實質量，同時采用無核密度儀進行現場檢測，以提升質量檢測效率。

2.1.1灌水法檢測

孔隙率主要通過檢測填料表觀密度和干密度后計算得出。同一檢測層位取3個點位進行檢測，如圖2所示。取其平均值作為該層位孔隙率檢測結果。灌水法測定孔隙率傳統可靠、可量化，但現場試驗為破壞性試驗，準確性易受人為因素影響，檢測效率低。

圖2 灌水法檢測點位

2.1.2無核密度儀檢測

無核密度儀屬于無損檢測，不破壞路基完整性，且測量更簡潔快速，讀數快，測取1個樣本點僅需3s左右，易重復測量及在施工過程中實時測量。在實際操作過程中，每處測試位置采取5點取樣法(見圖3)，取5個點位平均值作為該處測試位置的測量結果。

圖3 5點取樣法

2.2 取樣測量及數據分析

2.2.1水袋法檢測結果分析

對K148+550—K148+680路段進行現場檢測。采用灌水法檢測孔隙率時，每攤鋪碾壓1層即檢測1次，每層抽檢3個點位。主要檢測數據為現場濕密度，測試結果如表3所示。

表3 現場濕密度測試結果 g·cm-3

現場灌水法檢測濕密度后，對開挖試坑內填料進行室內試驗，檢測其含水率、干密度及表觀密度，結合現場濕密度計算得各層位孔隙率，下路堤、上路堤、下路床、上路床孔隙率分別為21%，16%，21%，15%。

根據孔隙率現場檢測結果可知，在上述施工工藝、壓實組合方案下，該路段孔隙率檢測結果滿足規(guī)范與設計文件下路堤25%、上路堤23%的要求。但測點3各層位現場檢測濕密度整體低于測點1，2。究其原因，測點3位于路肩范圍內，在壓實機具壓實過程中，路肩一側為邊坡，存在一定程度的粒料松散情況，導致壓實效果不如道路內側。在后續(xù)施工過程中，針對路肩范圍可增加碾壓遍數或適當降低邊坡坡率至1∶1.5，減緩路肩范圍粒料在碾壓過程中的松散情況，并著重檢測路肩范圍內的壓實質量，發(fā)現壓實質量不足時，及時進行針對性補壓。

2.2.2無核密度儀檢測結果分析

采用灌水法檢測孔隙率前，先利用無核密度儀按5點取樣法進行無損檢測，檢測每個點位密度值，并計算其平均值作為該層密度值，下路堤、上路堤、下路床、上路床密度分別為2.236，2.197，2.234，2.302g/cm3。

為提高路基壓實過程中壓實質量檢測效率，考慮采用無核密度儀結合灌水法檢測路基壓實度，以無核密度儀檢測密度代替現場開挖試坑得出的密度，計算路基孔隙率。采用現場灌水法與無核密度儀測量的密度值對比如表4所示。

表4 2種測試方法測得的密度值對比 g·cm-3

2種測試方法測得的密度值相差較大，故采用無核密度儀得到的密度值不可直接用于孔隙率的計算，需對其進行修正。對各層位2種測試方法測得的密度值差值取平均值，作為采用無核密度儀測得密度的修正值，為0.124。修正后的密度為下路堤2.360g/cm3、上路堤2.321g/cm3、下路床2.358g/cm3、上路床2.426g/cm3。

采取修正后的密度值進行孔隙率計算，并與采用灌水法現場得到孔隙率進行對比，如圖4所示，設計要求孔隙率為23%。

圖4 孔隙率對比

由圖4可知，采取修正后的密度值計算的孔隙率整體低于采用灌水法得到的孔隙率，誤差為2%～6%。取最大誤差6%，即后續(xù)路段采用無核密度儀得到孔隙率≤17%時，即可認為該路段孔隙率滿足23%的標準要求。

3 填石路堤工后沉降監(jiān)測及分析

由于工程范圍內山體地質情況復雜，為確保路堤整體安全、更好地把控填石路堤的長期性能，及時對設計和施工方案進行調整優(yōu)化，在填石路堤內部埋設智能傳感器對填石路堤工后沉降進行長期監(jiān)測，埋設單點沉降計用于測量路基原位沉降變形、路堤壓縮變形等。

3.1 監(jiān)測方案

現場埋設4個單點沉降計，4個監(jiān)測點位分別位于樁號K148+595，K148+625處，每個樁號在硬路肩及外行車道處各1個，硬路肩位置編號為1，3，外行車道位置編號為2，4。單點沉降計埋設位置橫斷面如圖5所示。

圖5 埋設位置橫斷面(單位：m)

安裝時將沉降計整體埋設，底層錨頭錨固至基巖(相對不動點)，導線從側面引出。當基礎下沉時，沉降板隨基礎一起下沉，使傳感器與測桿間發(fā)生相對滑移，輸出信號，獲取位移讀數。

3.2 監(jiān)測結果分析

采用DSC無線數據業(yè)務中心系統收集監(jiān)測數據，該系統為與單點沉降計相配套的自動采集系統，可對監(jiān)測數據進行全自動實時采集，并自動保存。對4個監(jiān)測點位以1d/次的頻率記錄沉降數據，并設置沉降速率預警值，在每日沉降速率超過2mm/d時發(fā)出預警信息。根據監(jiān)測數據繪制沉降曲線，如圖6所示。

圖6 監(jiān)測點位沉降曲線

由圖6可知，各監(jiān)測點位工后沉降隨時間變化規(guī)律均為剛完工后沉降速率較快，后期逐漸變小。路肩1，3號位置最大沉降速率為0.47mm/d，遠未小于設計預警值，約60d后沉降速率變緩，整個過程未發(fā)現沉降異常，由此可知路肩、邊坡位置較穩(wěn)定，但路肩位置沉降量總體大于外行車道2，4位置，說明其壓實效果不如行車道位置。3，4號位置沉降量整體小于1，2號位置，說明在常規(guī)路堤壓實基礎上，采用三邊形沖擊式壓路機進行沖壓增強可有效消除路堤本身的壓密變形，進而控制高路基沉降變形總量。沉降變化曲線始終未出現沉降異常點，且在工后約80d后趨于穩(wěn)定，說明路基整體沉降趨向穩(wěn)定，未發(fā)生大幅度差異沉降等病害，說明試驗路段采取的填筑、壓實方案組合切實可行。

4 結語

1)項目設計的施工和壓實方案下各層位孔隙率均滿足標準要求，測點3路肩范圍內的壓實質量低于路基內側壓實質量，在后續(xù)路段施工過程中應加強路肩范圍內的壓實強度和檢測頻率，以提升路肩范圍內的壓實質量。

2)采用無核密度儀整體低于采用灌水法所得孔隙率結果1%～6%，但數值更穩(wěn)定、誤差更小，且檢測效率遠高于灌水法，因此可采用修正后的數值對填石路堤進行無損快速壓實質量檢測。

3)路堤施工過程中，在常規(guī)壓實基礎上，采用三邊形沖擊壓路機進行沖擊補強增壓可有效消除路基本身產生的壓密變形，進而控制填石路堤整體沉降。

4)根據工后路堤沉降智能監(jiān)測發(fā)現，試驗路段填石路堤施工完成后，初期沉降速率較大，最大沉降速率為0.47mm/d，后期逐漸變小，約60d后沉降速率變慢，80d左右沉降平緩，累計沉降量最大為21.4mm，路堤整體穩(wěn)定。