基于沉降差和動態(tài)變形模量的含巨粒土路基壓實(shí)質(zhì)量控制

胡志文 程培峰 李澤闖 董乃寶

摘 要：依托實(shí)際工程選定試驗(yàn)路段，本文利用沉降差和動態(tài)變形模量（Dynamic Deformation Modulus ，Evd）值2種壓實(shí)檢測指標(biāo)對不同松鋪厚度和壓實(shí)工藝進(jìn)行壓實(shí)效果檢測分析，并對試驗(yàn)路段進(jìn)行沉降變形監(jiān)測。結(jié)果表明，含巨粒土分層填筑時，采用松鋪45 cm、32 t振動壓路機(jī)靜壓1次振壓5次施工方法填筑路基，壓實(shí)質(zhì)量滿足規(guī)范要求，采用沉降差和Evd值相結(jié)合控制巨粒土施工壓實(shí)質(zhì)量是可行的;含巨粒土填料在壓實(shí)過程中產(chǎn)生的沉降差與對應(yīng)的Evd值具有良好的線性關(guān)系，在施工中可以用便攜式落錘彎沉儀（portable falling weight deflectometer， PFWD）快速進(jìn)行加密質(zhì)量檢測;路基填筑高度較高的，每鋪筑3 m進(jìn)行一次強(qiáng)夯，路基達(dá)到標(biāo)高后最好進(jìn)行堆土預(yù)壓，利于加速路基固結(jié)，有效減小工后沉降。

關(guān)鍵詞：路基;含巨粒土;施工工藝;PFWD;壓實(shí)質(zhì)量控制措施;沉降觀測

中圖分類號：U416.1??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2022）01-0124-08

Compaction Quality Control of Containing Macrograined Soil Subgrade

Based on Settlement Difference and Dynamic Deformation Modulus

HU Zhiwen1， CHENG Peifeng1*， LI Zechuang1， DONG Naibao2

（1.School of Civil Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China;

2.Heilongjiang Provincial Transportation Information and Planning Research Center， Harbin 150080， China）

Abstract：In this paper， based on the actual project， the test section is selected， and two kinds of compaction detection indicators， namely settlement difference and dynamic deformation modulus value （Evd）， are used to detect and analyze the compaction effect of different loose paving thicknesses and compaction processes， and the settlement deformation of the test section is carried out monitor. The results show that： when filling in layers with macrograined soil， the subgrade is filled with the construction method of loose paving thickness of 45 cm and 32 t vibratory rollers static pressure for one time and 5 times vibration， and the compaction quality meets the specification requirements. It is feasible to use the combination of settlement difference and Evd value to control the compaction quality of macrograined soil construction. There is a good linear relationship between the settlement difference and the corresponding Evd value of the macrograined soil filler during the compaction process. The portable falling weight deflectometer （PFWD） can be used for rapid and intensive quality inspection during construction. If the subgrade filling height is high， dynamic compaction should be carried out every 3 m. After the subgrade reaches the elevation， it is best to carry out preloading of soil piles， which is conducive to accelerating the consolidation of the subgrade and effectively reducing the settlement after construction.

Keywords：Roadbed; containing macrograined soil; construction technology; PFWD; compaction quality control measures; settlement observation

0 引言

選擇路基填筑材料應(yīng)遵循因地制宜、就地取材的原則，一般是優(yōu)先利用挖方材料。這樣可以避免或減少征用土地堆放棄方材料，有利于沿線生態(tài)環(huán)境保護(hù)，降低工程造價。路塹深度范圍表層覆土厚度和巖石風(fēng)化程度不盡相同，開挖出巨粒土的粒徑大小不一，其中巨粒組含量也不盡相同。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）中的說明，粒徑大于60 mm的巨粒組占總質(zhì)量15%～50%的稱為含巨粒土，屬于巨粒土的一種。含巨粒土具有強(qiáng)度高、壓實(shí)密度大、沉降變形小、透水性能強(qiáng)、抗沖刷性能好以及可就近取材等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。但是含巨粒土屬于一種衰退性材料，應(yīng)用于道路工程后隨著時間推移，大粒徑填料會因外界因素作用發(fā)生破碎現(xiàn)象，且含巨粒土填料顆粒形狀和組成差異較大，這些因素均影響路基耐久性和穩(wěn)定性[4]。

通過全國土石混填路基施工現(xiàn)場調(diào)研和資料的分析可知，目前全國土石混填路基施工現(xiàn)場普遍采用的壓實(shí)機(jī)械噸位較低、激振力也沒有達(dá)到相當(dāng)大的量級，而且由于缺少必要、明確的技術(shù)指標(biāo)，再加上部分技術(shù)人員土石混填路基施工經(jīng)驗(yàn)不足，攤鋪和壓實(shí)不均勻，壓實(shí)的質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)和方法不當(dāng)，導(dǎo)致路基不夠密實(shí)，工后會產(chǎn)生較大的沉降;不同路基壓實(shí)層次密實(shí)程度有差異，給施工后路基不均勻沉降留下了隱患，影響道路的平整度，甚至可能導(dǎo)致路基產(chǎn)生縱、橫向裂縫，影響路基的整體穩(wěn)定性和耐久性。因此開展巨粒土路基施工及其質(zhì)量控制技術(shù)研究具有實(shí)際意義。

1 含巨粒土材料

依托國道丹東至阿勒泰公路吉黑省界（琿春）至東寧段改擴(kuò)建工程，該工程位于黑龍江省東寧市中東部的腹心地區(qū)，路線起點(diǎn)位于東寧市南部與吉林省交界處，與吉林省東防線（S201）相接，并沿現(xiàn)狀丹阿公路（原雞圖公路S206）向北布線，途經(jīng)老爺嶺、老黑山、太平川、大肚川和新城子溝等地區(qū)。該路線主線全長99.337 km，區(qū)域地形地貌條件多為中低山丘陵區(qū)，海拔為在342～810 m。試驗(yàn)路段位置情況如圖1所示。

1.1 路基填料的性質(zhì)

試驗(yàn)路段為國道丹東至阿勒泰公路吉黑省界（琿春）至東寧段改擴(kuò)建工程項(xiàng)目K81+650至K81+850部分（圖1），該路段為半填半挖路段，挖方主要為巨粒土，可用作填筑路堤的材料。

研究區(qū)域路基左幅為挖方段落、右幅為陡坡路基填方段落，除掉表面腐殖土后，挖出的土欲作為路基填料利用。對填料進(jìn)行室內(nèi)篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1，土中粒徑在60 mm以下的占83.3%，大于60 mm的巨粒組占16.7%，以100～200 m為主，按照土的分類，可確定填料為含巨粒土。該篩分結(jié)果較為典型，在此基礎(chǔ)上研究所得結(jié)論可以作為含巨粒土路基工程的參考依據(jù)。

該試驗(yàn)路的含巨粒土中巖石為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化凝灰?guī)r，如圖2所示，利用SD-1型點(diǎn)荷載儀測量開采出凝灰?guī)r的強(qiáng)度。SD-1型點(diǎn)荷載儀加荷系統(tǒng)包括液壓千斤頂、承壓框架和上下2個壓頭，采用臥式結(jié)構(gòu)，方便施加荷載，具有良好的穩(wěn)定性，不易產(chǎn)生偏心[5-7]。試驗(yàn)測得點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)均值為3.38 MPa，換算得出巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為56.89 MPa，滿足作為路基填料的需求。

1.2 含巨粒土路基施工

含巨粒土填料在路基施工中屬于土石混合材料，與常見的土路基填料相比，含巨粒土填料工程性質(zhì)復(fù)雜，一般通過試驗(yàn)路段來確定施工工藝及壓實(shí)質(zhì)量控制指標(biāo)。

試驗(yàn)路段共長150 m，由于填土高度大，采取分層填筑的方式。由于填料粗細(xì)顆粒懸殊，因此裝運(yùn)過程要注意均勻裝料，現(xiàn)場需加強(qiáng)填料監(jiān)測，卸料時應(yīng)該一次性倒卸，避免出現(xiàn)料源離析的情況[8-9]。

攤鋪采用漸進(jìn)式攤鋪法，配合人工輔助，保證攤鋪表面平整。由于含巨粒土填料形成骨架結(jié)構(gòu)，需要采用振動壓實(shí)減少顆粒間空隙。碾壓時使用中大32 t振動壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)，遵循先兩邊后中間、先慢后快、先靜壓后振壓的原則，振動壓路機(jī)輪跡重疊為碾壓輪寬的1/3～1/2，做到無漏壓、無死角，確保碾壓均勻。每鋪筑3 m進(jìn)行一次強(qiáng)夯，每次夯擊確保夯擊能可以達(dá)到1 000 kN·m，強(qiáng)夯機(jī)工作時采用梅花法，每個強(qiáng)夯點(diǎn)夯實(shí)5次。把質(zhì)量控制指標(biāo)和施工工藝結(jié)合起來可以更有效地對含巨粒土路基進(jìn)行質(zhì)量控制[10-11]，含巨粒土路基施工工藝為如圖3所示。

2 路基壓實(shí)檢測

2.1 壓實(shí)沉降差檢測

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD 30—2015）和《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610—2019）中關(guān)于土石路堤施工質(zhì)量控制說明，本次含巨粒土路基填筑試驗(yàn)主要依靠路基壓實(shí)沉降差指標(biāo)來檢測，精確度要求較高[12-13]。施工成型后，采用二等水準(zhǔn)測量每層填筑前和碾壓后的標(biāo)高，確定每層的碾壓遍數(shù)和壓實(shí)沉降差。前后2次壓實(shí)后標(biāo)高差即沉降差小于等于允許沉降差時，路基鋪筑質(zhì)量達(dá)到壓實(shí)要求。本次研究使用Leica DNA 03型數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行沉降差的測定，精度可達(dá)0.01 mm，沉降差平均值小于5 mm、方差小于3 mm可視為壓實(shí)合格。

進(jìn)行檢測前先使用百米尺量取合適的測點(diǎn)，測量剖面間距為20 m，同一剖面上測點(diǎn)間距為5 m。為最大程度地保證測量點(diǎn)不發(fā)生位移導(dǎo)致測量出現(xiàn)誤差，采用Q345高強(qiáng)度鋼定制圓形鋼板，板中心焊接凸起點(diǎn)，鋼板在使用前先經(jīng)過壓路機(jī)充分碾壓，保證其正式測量時幾乎不變形，觀測所用圓形鋼板如圖4所示。將圓鋼板置于填料表層，檢測時用水準(zhǔn)儀測鋼板中心點(diǎn)的前后標(biāo)高。

為了研究不同松鋪厚度對含巨粒土路基施工壓實(shí)質(zhì)量的影響，擬定了25、35、45、55 cm 4種不同的松鋪厚度，壓實(shí)方案見表2。

分別對不同松鋪厚度進(jìn)行壓實(shí)，每碾壓1遍后即進(jìn)行沉降差檢測，檢測值見表3，檢測折線如圖5所示。

由表3和圖5可以看出，松鋪厚度為25 cm和35 cm時，靜壓1遍振壓4遍即滿足要求，松鋪厚度為45 cm時，靜壓1遍振壓5遍滿足要求，松鋪厚度為55 cm時，靜壓1遍振壓6遍仍無法滿足壓實(shí)要求，振壓7遍仍有40%不滿足要求。松鋪厚度為45 cm時雖然壓實(shí)遍數(shù)較35 cm多1遍，但由于多鋪10 cm土層，攤鋪和壓實(shí)施工效率更高。所以建議含巨粒土路基施工的合理松鋪厚度為45 cm，最佳壓實(shí)工藝為32 t振動壓路機(jī)靜壓1遍振壓5遍。使用32 t振動壓路施工壓實(shí)，松鋪厚度為55 cm時效果不佳。

2.2 基于PFWD的Evd檢測

目前規(guī)范中路基壓實(shí)質(zhì)量的檢測方法，除沉降差法外其他方法不適用于含巨粒土路基。但受沉降差法檢測速度所限，一般只用沉降差法對代表性的測點(diǎn)進(jìn)行檢測，無法對大面積施工的含巨粒土路基壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行有效檢測。路基的回彈模量是表征材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)，通過調(diào)查不同位置處的回彈模量的均勻性可直接反映強(qiáng)度的均勻性，近年來便攜式落錘彎沉儀（portable falling weight deflectometer， PFWD）在路基模量與壓實(shí)度檢測中得到了廣泛應(yīng)用[14-15]。因?yàn)镻FWD 可以在路基施工中快速檢測壓實(shí)程度，含巨粒土路基壓實(shí)后用沉降差法選取代表性的測點(diǎn)進(jìn)行檢測，檢測合格后可以考慮使用PFWD 進(jìn)行更細(xì)致的質(zhì)量檢測，對個別路基強(qiáng)度不足處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理[16-17]。

本研究采用PRIMA 100型落錘彎沉儀，如圖6所示，在壓實(shí)沉降差測點(diǎn)旁30 cm處測得路基頂部動回彈模量Evd指標(biāo)值。

測得含巨粒土不同松鋪厚度時各個測點(diǎn)的頂部動回彈模量Evd值數(shù)據(jù)，繪制出不同松鋪厚度下每遍碾壓后的Evd值箱型圖，如圖7所示。

對圖7中Evd數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖7箱體中的“×”為每遍數(shù)據(jù)中的平均值。由不同碾壓遍數(shù)各測點(diǎn)Evd值的箱型圖可見，PFWD現(xiàn)場測試Evd值具有一定的離散性，但Evd的中位數(shù)和平均值隨碾壓遍數(shù)的增加持續(xù)增加，說明含巨粒土的壓實(shí)質(zhì)量在持續(xù)增加。統(tǒng)計(jì)Evd的平均值見表4。

由表4中數(shù)據(jù)可知，同樣壓實(shí)遍數(shù)時，松鋪厚度小的對應(yīng)Evd值大，松鋪厚度大的對應(yīng)Evd 值小，振壓5遍后，松鋪厚度為25、35、45 cm時，頂部動回彈模量均大于50 MPa，松鋪厚度為55 cm的頂部動回彈模量僅達(dá)到45.68 MPa。把壓實(shí)沉降差作為橫坐標(biāo)、Evd 值作為縱坐標(biāo)，可繪制出松鋪厚度為45 cm時的沉降差和對應(yīng)的Evd值的關(guān)系曲線圖，從圖8可以看出壓實(shí)沉降差與Evd值近似反比例直線關(guān)系。

分析沉降值檢測指標(biāo)和Evd指標(biāo)的相關(guān)性，皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.95，滿足大于0.7的要求，說明Evd值與沉降差有較好的線性相關(guān)性，可以建立其線性方程式。采用最小二乘法進(jìn)行沉降值與Evd值的線性回歸，得到公式：

E = - 0.521Δh+ 50.604Ε=-0.521Δh+50.604。（1）

式中：E為路基頂面動回彈模量Evd值;Δh為壓實(shí)沉降差值。

因?yàn)槌两挡罱缦拗礫Δh]為5 mm，代入線性回歸公式，得到對應(yīng)的Evd值為47.999 MPa，作為標(biāo)準(zhǔn)值就近取整，將[Evd]容許值定為50 MPa。對該種含巨粒土路基施工，可利用PFWD作為輔助手段配合沉降差法評價含巨粒土路基壓實(shí)質(zhì)量，可有效提高壓實(shí)質(zhì)量檢測效率。

3 路基后期沉降監(jiān)測

在公路建設(shè)中，高填方路基結(jié)構(gòu)具有工程量大、難以控制填筑、填筑高度較高、穩(wěn)定性和抗壓性要求高、累積沉降大、沉降時間長等特征[18-20]。這些特征嚴(yán)重影響了公路的正常使用及行車安全。

試驗(yàn)段含巨粒土路基填筑高度達(dá)到8.5～9.5 m，所以除了在施工時進(jìn)行沉降差和PFWD方法檢測含巨粒土路基壓實(shí)質(zhì)量，還采用沉降板觀測法進(jìn)行了施工后的路基沉降監(jiān)測，在填方路基的路肩處選取7個監(jiān)測點(diǎn)，在監(jiān)測點(diǎn)處埋設(shè)沉降板，如圖9所示。

因?yàn)槁坊罘捷^高，受施工現(xiàn)場條件限制，無法采用水準(zhǔn)儀法監(jiān)測，選用South NST-362R全站儀采集沉降板坐標(biāo)。沉降板初次埋設(shè)后測量測桿頂部高程作為初始高程，之后每次觀測所測得沉降板控制點(diǎn)的高程與前次測量的高程值之差即為沉降板底部以下路基在該次觀測周期內(nèi)的沉降值。

為了便于全站儀對沉降板進(jìn)行監(jiān)測，在沉降板頂部沉降管上貼全站儀反光貼，作為沉降板的控制點(diǎn)。施加預(yù)壓土方時，為沉降管提供保護(hù)，在沉降板周圍焊接鋼筋籠，防止路基填筑時大粒徑土石滾落砸碰沉降管，如圖10所示。

2019年8月19日完成沉降板埋設(shè)，然后開始進(jìn)行監(jiān)測。2019年9月至10月，施工單位對填方路基進(jìn)行了堆載預(yù)壓。11月末進(jìn)入冬季后，試驗(yàn)路段所處區(qū)域氣溫降至零下并出現(xiàn)降雪。由于新冠肺炎疫情影響，未進(jìn)行2至6月沉降監(jiān)測計(jì)劃，7月初恢復(fù)沉降監(jiān)測工作。繪制路基沉降量隨時間變化情況，如圖11所示，總沉降量監(jiān)測結(jié)果匯總見表5。

從圖11可以看出，填筑初期路基沉降較快，路基受預(yù)壓土作用，加快了沉降，2019年11月末之后，路基整體趨于穩(wěn)定狀態(tài)，幾乎沒再產(chǎn)生沉降變形，說明路基整體趨于穩(wěn)定。

從表5中可以看出，大部分沉降板的累計(jì)沉降量在3～4.5 cm，沉降的最大沉降量為5.2 cm，最小沉降量為3.1 cm，累計(jì)沉降率最大為0.59%，對比《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）中的技術(shù)要求，說明該路基滿足要求，安全穩(wěn)定。這說明采用松鋪厚度45 cm、中大32 t振動壓路機(jī)靜壓1遍，振壓5遍的施工方法填筑路基，壓實(shí)質(zhì)量完全滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)結(jié)果表明，對于本研究的含巨粒土填料進(jìn)行分層填筑時，采用松鋪45 cm、32 t振動壓路機(jī)靜壓1遍振壓5遍施工方法填筑路基，壓實(shí)質(zhì)量完全滿足規(guī)范要求，提高路基施工效率。含巨粒土路基所采取的攤鋪、碾壓和堆載預(yù)壓等各項(xiàng)技術(shù)措施是有效的，有利于加速路基固結(jié)，有效減小工后沉降。

（2）本研究的含巨粒土填料在壓實(shí)過程中產(chǎn)生的沉降差與對應(yīng)的Evd值具有良好的線性關(guān)系，采用沉降差和Evd值2種指標(biāo)相結(jié)合控制含巨粒土施工壓實(shí)質(zhì)量是可行的。在施工中可以用PFWD快速進(jìn)行加密質(zhì)量檢測，但需事先用沉降差法的檢測結(jié)果對Evd進(jìn)行標(biāo)定，確定[Evd]容許值，本研究的含巨粒土[Evd]為50 MPa。

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