重載高速公路風(fēng)積砂高填方路基壓實(shí)施工技術(shù)研究

黎 斌

（江西贛東路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,江西 撫州 344000）

0 引言

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的逐步開展，在沙漠地區(qū)修建高速公路逐步成為西部大開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。而風(fēng)積砂作為沙漠地區(qū)最多的自然資源，具有無黏性、抗剪強(qiáng)度低、顆粒粒徑細(xì)等特點(diǎn)，因此風(fēng)積砂能否作為路基填料，采用風(fēng)積砂作為路基填料，路基是否需要進(jìn)行特殊處理等都是需要公路工程從業(yè)人員解決的問題。故該文依托工程實(shí)踐，對試驗(yàn)路段風(fēng)積砂土顆粒和承載能力進(jìn)行分析，并研究不同的松鋪厚度和不同壓實(shí)器具進(jìn)行風(fēng)積砂填方路基壓實(shí)施工質(zhì)量的影響，對推動我國西部大開發(fā)交通發(fā)展事業(yè)具有重要意義[1]。

1 工程概況

1.1 試驗(yàn)路段簡介

某高速公路全長350 km，起點(diǎn)樁號K500+300，終點(diǎn)樁號K850+300，路段最大填方量為20 m，最小填方量為10 m，整體填方量均在15 m左右，長度為100 m。該路段位于內(nèi)蒙古高原北部，該地地形地貌表現(xiàn)為以殘坡積為主，存在一定堆積厚度的殘坡，高平原存在由高到低的階梯狀分布，其間水域面積很小且分布稀少，河流下流河床已被砂石沖刷，表現(xiàn)得較為不明顯。試驗(yàn)路段整體呈現(xiàn)第四季風(fēng)積砂，為研究風(fēng)積砂物理、力學(xué)特性，該文在試驗(yàn)路段K620+400～K621+400和K746+100～K747+100采集風(fēng)積砂，檢測其路用性能。

1.2 風(fēng)積砂顆粒分析

在試驗(yàn)路段取樣300 g風(fēng)積砂，帶回試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行篩分試驗(yàn)，篩分結(jié)果如表1所示。

1.2.1 土的特征粒徑

由土粒徑規(guī)范可知，限定粒徑d60=0.16 mm，d30=0.12 mm，d10=0.09 mm。計(jì)算試驗(yàn)路段風(fēng)積砂的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc，對該地區(qū)土粒分布范圍及土粒分布形狀進(jìn)行評估，計(jì)算公式如下所示：

式中，d10、d30、d60——土的特征粒徑，在土的粒徑分布曲線上，小于該粒徑如土粒質(zhì)量分布為土的總質(zhì)量的10%、30%、60%。由公式計(jì)算可得：

1.2.2 土的細(xì)度模數(shù)

根據(jù)表1風(fēng)積砂的篩分結(jié)果表可以計(jì)算土的細(xì)度模數(shù)，土的細(xì)度模數(shù)計(jì)算公式如下所示：

表1 風(fēng)積砂篩分結(jié)果比表

由上述計(jì)算結(jié)果可知試驗(yàn)路段風(fēng)積砂粒徑在0.25～0.075 mm的顆粒分布約占總質(zhì)量分布的82.9%，粒徑在0.5～0.25 mm的顆粒分布約占總質(zhì)量分布的5.1%，粒徑在1～0.5 mm的顆粒分布約占總質(zhì)量分布的2.1%。由此總結(jié)可以看出，試驗(yàn)路段風(fēng)積砂主要分布在0.25～0.075 mm，表明試驗(yàn)路段風(fēng)積砂黏粒含量較少，水穩(wěn)定較好，松散無黏性。

按照細(xì)砂的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)度模數(shù)為Mx=2.2～1.6，試驗(yàn)路段風(fēng)積砂細(xì)度模數(shù)為1.63，其中不均勻系數(shù)Cu為1.78，曲率系數(shù)Cc為0.98，不均勻系數(shù)Cu遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于5，曲率系數(shù)Cc低于1，可知試驗(yàn)路段風(fēng)積砂粒徑分布不均勻，級配較差，為不良級配材料，做路基填方材料時需要充分壓實(shí)，不然會導(dǎo)致路基出現(xiàn)不均勻沉降[2]。

1.3 風(fēng)積砂承載能力分析

在試驗(yàn)路段取樣在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行承載力檢測，通過擊實(shí)30次、50次、100次檢測承載比，試驗(yàn)過程中貫入桿荷載為45 kN，貫入桿速度為1 min/min，試驗(yàn)檢測結(jié)果如表2所示，擊實(shí)次數(shù)與承載力關(guān)系如圖1所示。

表2 檢測結(jié)果表

圖1 擊實(shí)次數(shù)與承載力關(guān)系圖

由圖可知，試驗(yàn)路段風(fēng)積砂承載比隨著擊實(shí)次數(shù)增加而逐漸增加，擊實(shí)次數(shù)為30次時，承載力平均值為4.9%，擊實(shí)次數(shù)為50次時，承載力平均值為8.5%，增加率為73.5%，擊實(shí)次數(shù)為100次時，承載力平均值為12.2%，增加率為43.5%，擊實(shí)次數(shù)為30次增加到50次時，承載力大幅度上升。這是因?yàn)橥馏w密實(shí)度隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，土顆粒之間彼此擠壓，土體密實(shí)度增加，而擊實(shí)次數(shù)從50次增加到100次時，承載力增加幅度較小，這是因?yàn)橥亮ｉg密實(shí)度將要到達(dá)臨界值，繼續(xù)增加壓實(shí)次數(shù)并不會提高承載力，對擊實(shí)次數(shù)和承載力進(jìn)行線性分析可得：y=5.15x-2.766 7、R2=0.974 3，風(fēng)積砂承載比隨著擊實(shí)次數(shù)增加而逐漸增加。

2 施工工藝

2.1 施工前準(zhǔn)備

為研究高速公路風(fēng)積砂填方路基壓實(shí)施工技術(shù)，該文采用不同松鋪厚度、不同壓實(shí)器具進(jìn)行風(fēng)積砂填方路基壓實(shí)施工。選取試驗(yàn)路段K562+100～K562+400作為不同松鋪厚度施工路段，選取試驗(yàn)路段K742+300～K742+500作為不同壓實(shí)器具施工路段。由于試驗(yàn)路段風(fēng)積砂粒徑分布不均勻，級配較差，為不良級配材料，且風(fēng)積砂承載比隨著擊實(shí)次數(shù)增加而逐漸增加，因此試驗(yàn)路段壓實(shí)施工時需要適當(dāng)增加壓實(shí)遍數(shù)，以提高路基承載能力，避免路基出現(xiàn)不均勻沉降[3]，項(xiàng)目路段所使用的施工設(shè)備如表3所示。

表3 現(xiàn)場施工設(shè)備

2.2 松鋪厚度

為研究不同松鋪厚度對風(fēng)積砂填方路基壓實(shí)施工質(zhì)量的影響，將項(xiàng)目工程試驗(yàn)路段K562+100～K562+400全程300 m分成3條路段，試驗(yàn)路段A采用松鋪厚度為40 cm，試驗(yàn)路段B采用松鋪厚度為50 cm，試驗(yàn)路段C采用松鋪厚度為60 cm，并檢測不同壓實(shí)遍數(shù)下試驗(yàn)路段壓實(shí)度。不同壓實(shí)遍數(shù)下試驗(yàn)路段壓實(shí)度檢測結(jié)果如表4所示，不同壓實(shí)遍數(shù)與試驗(yàn)路段壓實(shí)度關(guān)系如圖2所示。

表4 不同壓實(shí)遍數(shù)下試驗(yàn)路段壓實(shí)度檢測結(jié)果表

圖2 不同壓實(shí)遍數(shù)與試驗(yàn)路段壓實(shí)度關(guān)系

由圖可知，隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加試驗(yàn)路段壓實(shí)度先增加后減小。松鋪厚度在40 cm時，壓實(shí)遍數(shù)從4遍增加到8遍，壓實(shí)度從75%增加到94%；壓實(shí)遍數(shù)從8遍增加到10遍，壓實(shí)度從94%減小到93%；松鋪厚度在50 cm時，壓實(shí)遍數(shù)從4遍增加到8遍，壓實(shí)度從79%增加到98%。這是因?yàn)殡S著壓實(shí)遍數(shù)增加，土體顆粒之間孔隙率逐漸減小，顆粒間相互緊密排列，從而使壓實(shí)度逐漸增加，壓實(shí)遍數(shù)從8遍增加到10遍，壓實(shí)度從98%減小到96%。這是因?yàn)殡S著壓實(shí)遍數(shù)繼續(xù)增加，土顆粒間空隙很小，再繼續(xù)壓實(shí)只會破壞土體間密度，導(dǎo)致壓實(shí)度減小。

松鋪厚度在60 cm時，壓實(shí)遍數(shù)從4遍增加到8遍，壓實(shí)度從80%增加到95%；壓實(shí)遍數(shù)從8遍增加到10遍，壓實(shí)度保持95%不增不減；松鋪厚度60 cm的壓實(shí)度小于松鋪厚度50 cm，這是因?yàn)樗射伜穸?0 cm時，器具壓實(shí)力是自上而下傳遞到路基下層土體。由于路基土厚度較大，上層土體顆粒壓實(shí)度已經(jīng)達(dá)到飽和時下層土體顆粒壓實(shí)度卻沒達(dá)到飽和，器具壓實(shí)力是自上而下傳遞過程中，力會隨著深度的增加而逐漸減小，導(dǎo)致下層壓實(shí)不到位，繼續(xù)壓實(shí)會導(dǎo)致土體顆粒密實(shí)狀態(tài)遭受破壞。由此可知，松鋪厚度在50 cm，壓實(shí)遍數(shù)為8遍時，土體壓實(shí)度最佳[4]。

2.3 壓實(shí)器具

風(fēng)積砂填方路基的強(qiáng)度來自集料間的嵌擠和填充作用，良好的壓實(shí)器具和壓實(shí)工藝可以保證風(fēng)積砂填方路基的強(qiáng)度。振動壓路機(jī)可以獲得較好的密實(shí)度而沖擊碾壓路擠可以獲得更高的彈性模量。因此為研究不同壓實(shí)器具對風(fēng)積砂填方路基壓實(shí)施工質(zhì)量的影響，將項(xiàng)目工程試驗(yàn)路段K742+300～K742+500全程200 m分成2條路段。試驗(yàn)路段D采用沖擊碾壓路機(jī)，試驗(yàn)路段E采用振動壓路機(jī)，壓實(shí)工序?yàn)橄褥o壓再重壓最后靜壓，壓實(shí)過程中并檢測不同壓實(shí)遍數(shù)下試驗(yàn)路段壓實(shí)度。不同壓實(shí)遍數(shù)下試驗(yàn)路段壓實(shí)度檢測結(jié)果如表5所示，不同壓實(shí)遍數(shù)與試驗(yàn)路段壓實(shí)度關(guān)系如圖3所示。

表5 不同壓實(shí)遍數(shù)下試驗(yàn)路段壓實(shí)度檢測結(jié)果表

圖3 不同壓實(shí)遍數(shù)與試驗(yàn)路段壓實(shí)度關(guān)系

由圖3可知，沖擊碾壓路機(jī)壓實(shí)的試驗(yàn)路段壓實(shí)度優(yōu)于振動壓路機(jī)。試驗(yàn)路段D壓實(shí)遍數(shù)從4遍增加到8遍，壓實(shí)度從85%增加到99%；壓實(shí)遍數(shù)從8遍增加到10遍，壓實(shí)度從99%減小到98%。這是因?yàn)槟雺旱?遍時，路基土壓實(shí)度已經(jīng)飽和再繼續(xù)壓實(shí)只會破壞土體顆粒間的密實(shí)度。試驗(yàn)路段E實(shí)遍數(shù)從8遍增加到10遍，壓實(shí)度從84%增加到98%，振動壓路機(jī)壓實(shí)效率低于沖擊碾壓路機(jī)。這是因?yàn)闆_擊碾壓路機(jī)壓實(shí)能明顯優(yōu)于振動壓路機(jī)，沖擊碾壓路機(jī)壓實(shí)8遍，試驗(yàn)路段土體顆粒間密實(shí)度已經(jīng)飽和，而振動壓路機(jī)需要壓實(shí)10遍以上。因此從工程效率和工程經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，風(fēng)積砂填方路基壓實(shí)施工選擇沖擊碾壓路機(jī)作為壓實(shí)器具，壓實(shí)遍數(shù)控制在8遍。

3 路用性能檢測

風(fēng)積砂填方路基項(xiàng)目路段竣工后，對路基的彎沉值進(jìn)行跟蹤檢測，并記錄竣工和路基使用一年、三年后的彎沉值，測試結(jié)果見表6。

表6 瀝青路面彎沉值

由表6可知，風(fēng)積砂填方路基項(xiàng)目路段竣工后彎沉值為83.97（0.01 mm），遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的89.44（0.01 mm），路基使用一年、三年后的彎沉值為84.51（0.01 mm）和86.05（0.01 mm），彎沉值減小率為4.6%、1.8%，兩者同樣低于規(guī)范要求值，說明風(fēng)積砂填方路基具有較好的路用性能。

4 結(jié)語

該文對試驗(yàn)路段風(fēng)積砂土顆粒和承載能力進(jìn)行分析，結(jié)合工程實(shí)例，在試驗(yàn)路段采用不同的松鋪厚度和不同壓實(shí)器具進(jìn)行風(fēng)積砂填方路基壓實(shí)施工，并對路基壓實(shí)進(jìn)行檢測分析，得到以下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)路段風(fēng)積砂粒徑在0.25～0.075 mm的顆粒分布約占總質(zhì)量分布的82.9%，細(xì)度模數(shù)為1.63，其中不均勻系數(shù)Cu為1.78，曲率系數(shù)Cc為0.98，為不良級配材料。

（2）松鋪厚度60 cm和松鋪厚度40 cm的壓實(shí)度小于松鋪厚度50 cm。

（3）沖擊碾壓路機(jī)壓實(shí)效率明顯優(yōu)于振動壓路機(jī)。