基于表面沉降法的鐵尾礦料路基現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)分析

于建游YU Jian-you

（河北省高速公路延崇籌建處，張家口 075000）

0 引言

由于我國(guó)過去對(duì)礦產(chǎn)資源進(jìn)行開放式的開采，導(dǎo)致大量鐵尾礦料堆存，進(jìn)而造成了土地資源浪費(fèi)、生態(tài)環(huán)境失衡等問題[1，2]。隨著我國(guó)高速公路的快速發(fā)展，路基填料日漸短缺，而鐵尾礦料中的磁鐵礦、石英等均為質(zhì)地堅(jiān)硬的礦物，有利于承擔(dān)較大的荷載作用，因此，越來越多的鐵尾礦料被用于公路路基填筑[3]。

學(xué)者們對(duì)鐵尾礦料的靜動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。郭曉霞等[4]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)，對(duì)鐵尾礦料的級(jí)配特性、強(qiáng)度特性等進(jìn)行了研究。王宗璞等[5]對(duì)張家口赤誠(chéng)地區(qū)的鐵尾礦料原料進(jìn)行了分析，并對(duì)其作為高速公路路基填料的適用性進(jìn)行了研究。易龍生等[6]針對(duì)金山店的鐵尾礦料開展了其作為路基基層填料的配合比的研究，表明鐵尾礦用量達(dá)70%時(shí)，鐵尾礦料路基填料抗壓強(qiáng)度可達(dá)到一級(jí)公路強(qiáng)度要求?？梢钥闯?，鐵尾礦料作為公路路基填料具有廣泛的適用性，而鐵尾礦料路基的碾壓施工過程則會(huì)對(duì)路基的使用壽命產(chǎn)生很大的影響。秦尚林等[7]、Gash 等[8]對(duì)路基的現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)進(jìn)行了分析，探討了碾壓施工參數(shù)與壓實(shí)質(zhì)量之間的關(guān)系。在路基碾壓施工過程中，我國(guó)通常采用灌砂法對(duì)路基壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，但該種方法操作步驟較多，操作的規(guī)范性通常是影響檢測(cè)結(jié)果的主要因素[9]。作為一種路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方法，表面沉降法具有簡(jiǎn)單方便、省時(shí)省力的特點(diǎn)[10]，但現(xiàn)有的研究對(duì)鐵尾礦料路基的現(xiàn)場(chǎng)碾壓分析較少，需要對(duì)鐵尾礦料路基的壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行進(jìn)一步研究。

因此，本文主要針對(duì)鐵尾礦料路基，通過表面沉降法對(duì)鐵尾礦料路基現(xiàn)場(chǎng)碾壓質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，分析碾壓遍數(shù)、松鋪厚度和碾壓位置對(duì)碾壓效果的影響，并將沉降差與壓實(shí)度進(jìn)行相關(guān)性分析，為鐵尾礦料路基的壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)提供理論依據(jù)。

1 鐵尾礦料路基碾壓試驗(yàn)

1.1 表面沉降法

表面沉降法具有操作簡(jiǎn)便、省時(shí)省力的優(yōu)點(diǎn)。表面沉降法主要采用精密水準(zhǔn)儀對(duì)碾壓前后的路基高程進(jìn)行測(cè)量，獲得路基碾壓前后發(fā)生的沉降差和沉降率，通過沉降差、沉降率等指標(biāo)對(duì)路基碾壓施工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。路基碾壓和路基面高程測(cè)量如圖1 所示。

圖1 路基碾壓與高程測(cè)量

路基碾壓前后的沉降差可根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中，ΔH 為路基碾壓前后的沉降差；H1為路基碾壓前的高程值；H2為路基碾壓后的高程值。

路基沉降率主要指碾壓結(jié)束后，攤鋪層的壓縮值與松鋪厚度之間的百分比，可根據(jù)式（2）進(jìn)行計(jì)算：

1.2 試驗(yàn)概況

依托在建的延崇高速公路河北段ZT7 標(biāo)鐵尾礦料路基開展碾壓試驗(yàn)。該高速公路是2022 年北京冬奧會(huì)連接北京賽區(qū)和張家口賽區(qū)的重要通道，路線總長(zhǎng)113.684 公里，工程規(guī)模大，年度有效工期短。該公路路基填料主要采用鐵尾礦料，保證良好的路基施工質(zhì)量是整個(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)保障。

1.3 場(chǎng)地方案

鐵尾礦料路基試驗(yàn)段長(zhǎng)度為300m。試驗(yàn)前用推土機(jī)和壓路機(jī)進(jìn)行場(chǎng)地平整，消除基礎(chǔ)面沉降對(duì)鐵尾礦料碾壓試驗(yàn)的影響。試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)每40m 取一個(gè)測(cè)點(diǎn)斷面，每個(gè)斷面分別在左幅路基中心和右幅路基中心各取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別標(biāo)記為Ai和Bi（i=1，…，6），共12 個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)段測(cè)點(diǎn)

分別設(shè)置鐵尾礦料松鋪厚度為33cm 和41cm。對(duì)兩種松鋪厚度下的鐵尾礦料路基各測(cè)點(diǎn)量測(cè)高程，然后靜壓一遍+弱振一遍，采集第一遍碾壓后的高程，隨后進(jìn)行強(qiáng)振碾壓，每強(qiáng)振一遍，量測(cè)一遍高程，最后對(duì)路基進(jìn)行靜壓收光。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 碾壓質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值

基于表面沉降法的路基碾壓質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值主要通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得。選取壓實(shí)度達(dá)到90%且碾壓完成的鐵尾礦料路基，隨機(jī)對(duì)60 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，并記錄碾壓完成后的沉降差，繪制60 個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降差數(shù)據(jù)概率分布直方圖，如圖3 所示。

根據(jù)60 個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，鐵尾礦料路基碾壓完成后的沉降差平均值為X=1.03mm，標(biāo)準(zhǔn)方差為S=0.28mm，單個(gè)值的單側(cè)波動(dòng)區(qū)間為X+2S=1.59mm。結(jié)合圖3 中沉降差的概率分布，可知沉降差近似呈正態(tài)分布，單個(gè)值在X≤X+2S 范圍內(nèi)波動(dòng)的概率為85%，可以根據(jù)該概率值確定鐵尾礦料路基理論沉降差標(biāo)準(zhǔn)值為1.59mm。但在實(shí)際施工過程中，1.59mm 的沉降差極易受到測(cè)量方法、數(shù)據(jù)讀取等的影響，為了便于實(shí)際操作，將控制的沉降差標(biāo)準(zhǔn)值修正為2mm，此時(shí)這60 個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降差概率也達(dá)到了100%。在后續(xù)鐵尾礦料路基碾壓施工過程中，當(dāng)最后兩次碾壓的沉降差不超過2mm 時(shí)，視為碾壓完成。

圖3 沉降差數(shù)據(jù)概率分布直方圖

2.2 表面沉降法結(jié)果分析

基于表面沉降法對(duì)碾壓后的鐵尾礦料路基進(jìn)行檢測(cè)，分別記錄每次碾壓前后的沉降差和沉降率。當(dāng)沉降差小于2mm 后，視為碾壓完成。分別對(duì)不同碾壓遍數(shù)下的沉降差、不同松鋪厚度下的沉降差和不同位置處的沉降率進(jìn)行分析。

2.2.1 不同碾壓遍數(shù)下沉降差分析

鐵尾礦料松鋪厚度為33cm 時(shí)，沉降差隨碾壓遍數(shù)的變化規(guī)律如圖4 所示。由于第一次碾壓為靜壓和弱振，第二次碾壓為強(qiáng)振，因此第二次碾壓后的沉降差明顯大于第一次的沉降差，說明強(qiáng)振的工作效率高于弱振。第二次及之后的碾壓均采用了強(qiáng)振方式，隨著碾壓遍數(shù)的增大，沉降差逐漸降低。到第五次碾壓后，所有測(cè)點(diǎn)的沉降差均小于2mm，說明按本文方式碾壓五遍，即可完成鐵尾礦料路基土的碾壓施工。

圖4 沉降差隨碾壓遍數(shù)的變化規(guī)律

2.2.2 不同松鋪厚度下沉降差分析

鐵尾礦料松鋪厚度分別設(shè)置為33cm 和41cm。兩種松鋪厚度下鐵尾礦路基的平均沉降差隨碾壓遍數(shù)的變化規(guī)律如圖5 所示。由圖5 可知，兩種松鋪厚度下鐵尾礦料路基碾壓后的平均沉降差隨碾壓遍數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)，松鋪厚度為41cm 的路基碾壓沉降差大于松鋪厚度為33cm 的沉降差。

圖5 兩種松鋪厚度下平均沉降差

2.2.3 不同位置處沉降率分析

碾壓完成后，左幅路基和右幅路基在兩種松鋪厚度下的沉降率如圖6 所示。由圖6 可知，碾壓完成后，兩種松鋪厚度下鐵尾礦料路基的沉降率變化范圍為5.09～7.57%，該沉降率沿路線縱向分布較均勻，說明碾壓效果較好。

圖6 沿路基縱向沉降率

3 沉降差與壓實(shí)度的相關(guān)性

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）[11]對(duì)兩種松鋪厚度下的鐵尾礦料路基采用灌砂法測(cè)量碾壓完成后的路基壓實(shí)度，并將壓實(shí)度結(jié)果與采用表面沉降法的第五次碾壓后的沉降差值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 沉降差與壓實(shí)度的相關(guān)性

由圖7 可知，采用表面沉降法得到的沉降差與壓實(shí)度之間滿足式（3）：

式中，K 為壓實(shí)度。該公式的相關(guān)性系數(shù)R2=0.9472，說明壓實(shí)度與沉降差之間的相關(guān)性良好。根據(jù)式（3）可知，當(dāng)沉降差為2mm 時(shí)，壓實(shí)度達(dá)到95.7%，滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）規(guī)定的公路路堤壓實(shí)度的要求。

4 結(jié)論

本文基于表面沉降法對(duì)鐵尾礦料路基現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了研究，分析了碾壓遍數(shù)、松鋪厚度和碾壓位置對(duì)碾壓效果的影響，并將沉降差與壓實(shí)度進(jìn)行了相關(guān)性分析。主要得到以下結(jié)論：①鐵尾礦料路基在碾壓五遍后沉降差小于2mm，達(dá)到碾壓施工質(zhì)量要求。松鋪厚度大時(shí)，鐵尾礦料路基的平均沉降差較大。碾壓完成后，鐵尾礦料路基沉降率的變化范圍為5.09～7.57%，沿路線縱向分布較均勻。②基于表面沉降法得到的鐵尾礦料路基沉降差與壓實(shí)度具有線性負(fù)相關(guān)的關(guān)系。當(dāng)鐵尾礦料路基土沉降差為2mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度達(dá)到95.7%，滿足規(guī)范要求。