粘性土路基填方壓實(shí)機(jī)理及施工技術(shù)研究

王 健

（中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000）

1 引言

隨著我國(guó)道路建設(shè)的不斷發(fā)展，路基作為銜接地基與路面的重要紐帶，其質(zhì)量直接影響公路質(zhì)量和使用壽命。 在“綠水青山就是金山銀山” 的國(guó)家環(huán)保政策下，既保證工程質(zhì)量又合理利用工程范圍內(nèi)非常規(guī)填料，對(duì)降低施工成本和保護(hù)自然環(huán)境具有重大意義。 對(duì)于廣泛分布有粘性土的路基施工過(guò)程中缺乏優(yōu)質(zhì)填料的地區(qū)。 如果在施工過(guò)程中不能采取正確的處理措施，往往會(huì)造成路面不均勻沉降、 路面開裂、 路基坍塌等嚴(yán)重的工程病害。 因此，粘性土等細(xì)粒土路基的施工已成為我國(guó)大部分地區(qū)亟待解決的問(wèn)題。 根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究證明，當(dāng)土體處于最佳含水量時(shí)進(jìn)行碾壓，對(duì)土體產(chǎn)生的壓實(shí)效果最好，且最省工，但是還需考慮路基能否長(zhǎng)期保持優(yōu)良性能，避免公路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中所產(chǎn)生的病害是粘性土所需要深入研究的課題［1］。 本文將粘性土的各種特性進(jìn)行試驗(yàn)及分析，并對(duì)粘性土的壓實(shí)機(jī)理和施工技術(shù)進(jìn)行研究，系統(tǒng)解決粘性土填筑施工問(wèn)題。

2 工程概況

某高速公路路基施工項(xiàng)目全長(zhǎng)95.2km。 該高速公路全程采用雙向四車道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度為26m，高速公路設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)到100km/h。 本工程項(xiàng)目分為5 個(gè)土建標(biāo)段，2 個(gè)路面標(biāo)段建設(shè)。本文選取了該項(xiàng)目上的粘性土路段進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)段填方量在8600m3左右，長(zhǎng)度為200m。

3 工程實(shí)踐

3.1 粘性土的工程性質(zhì)

（1） 粘性土顆粒分析

對(duì)試驗(yàn)段所取土樣進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果為：液限20.8%、 塑限14.7%、 塑性指數(shù)5.9，說(shuō)明試驗(yàn)中的土樣為粘性土。 試樣有機(jī)質(zhì)含量合格，顆粒分析符合規(guī)范要求，各項(xiàng)指標(biāo)都能達(dá)到細(xì)粒土的技術(shù)要求。按照我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定是可以直接使用該類粘性土作為路基填料來(lái)填筑路基。 將試驗(yàn)段的粘性土取回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行篩分試驗(yàn)，匯總結(jié)果如表1 所示。

表1 篩分試驗(yàn)匯總表

續(xù)表

（2） 擊實(shí)試驗(yàn)

將足夠質(zhì)量的粘性土取回實(shí)驗(yàn)室，將其均勻攤鋪分層放在烘干箱進(jìn)行烘干，為確保試料充分烘干，在烘干時(shí)用刮刀進(jìn)行翻料。 取5000g 烘干的試料，依次加一定量的水并攪拌均勻，使其含水率分別達(dá)到0%、 2%、 4%、 8%、 10%、 12%、14%、 16%、 18%、 20%。 將其放入雙層塑料袋中進(jìn)行悶料。 分別將悶好的試料均勾拌合后裝入擊實(shí)桶中，嚴(yán)格按照 《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》 中關(guān)于重型擊實(shí)的規(guī)定擊實(shí)方法進(jìn)行電動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2 和圖1 所示。

表2 粘性土電動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖1 擊實(shí)試驗(yàn)曲線

根據(jù)電動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，分析表2 和圖1 可知，該粘性土的最大干密度為1.58g/cm3，最佳含水率為13.9%。

（3） CBR 試驗(yàn)

CBR 試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)制備土樣的方法主要根據(jù) 《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTJE40-2007） 的操作步驟來(lái)進(jìn)行，本試驗(yàn)采用重型、 中型和輕型擊實(shí)功，整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示，得到土樣CBR與含水率之間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 土樣CBR 與含水率之間的關(guān)系

表3 試驗(yàn)段土樣CBR 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

分析表3 和圖2 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：（1） 達(dá)到最佳含水率時(shí)，土樣CBR 值的大小排列為重型擊實(shí)功＞中型擊實(shí)功＞輕型擊實(shí)功，且三種擊實(shí)功作用下，土體CBR 的最大值并沒(méi)出現(xiàn)在最佳含水率附近。（2） 三種擊實(shí)功條件下的土體CBR 值均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，輕型擊實(shí)所得CBR 值在達(dá)到最大后減小趨勢(shì)最為平緩。 說(shuō)明當(dāng)土體含水率超過(guò)最佳含水率時(shí)，重、 中型擊實(shí)并不能明顯提高土體的CBR 值，相反會(huì)出現(xiàn)因擊實(shí)功過(guò)大而產(chǎn)生的“彈簧” 現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致土體CBR 值有所降低，這就說(shuō)明，在含水率過(guò)大的情況下，輕型擊實(shí)相較于其他兩種擊實(shí)功更加適用。

3.2 粘性土路基碾壓試驗(yàn)方法

（1） 碾壓施工工藝

碾壓前由試驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)取樣，測(cè)出路基天然含水量，施工中控制在最佳含水量的±1%。 采用TY200 推土機(jī)粗平和PY-160 平地機(jī)精平，使路基含水量和松浦厚度達(dá)到規(guī)定要求，整個(gè)過(guò)程用灌砂法進(jìn)行檢測(cè)。 碾壓時(shí)遵循 “先輕后重、 先慢后快、 先兩邊后中間” 的原則，靜壓兩遍，再?gòu)?qiáng)振2-3 遍，最后弱振1 遍，振動(dòng)壓路機(jī)碾壓速度不超過(guò)4km/h，碾壓前后輪跡重疊不大于0.5m［2］。

（2） 壓實(shí)設(shè)備介紹

試驗(yàn)段的碾壓選擇的是YZ32 大激振力壓路機(jī)，該設(shè)備具有憑借自身重量大以及工作時(shí)產(chǎn)生的大激振力，不但可以對(duì)攤鋪較厚的路基填土產(chǎn)生一個(gè)較厚的壓實(shí)效果，而且還可以對(duì)先填筑的路基壓實(shí)層起到一個(gè)補(bǔ)強(qiáng)作用。 YZ32 壓路機(jī)主要參數(shù)如表4 所示。

表4 YZ20 壓路機(jī)的主要參數(shù)

表5 各工況碾壓遍數(shù)及壓實(shí)度情況

當(dāng)路基填土為粉質(zhì)黏土，壓路機(jī)碾壓速度為2-4km/h，松鋪厚度為70cm，32t 壓路機(jī)選擇靜壓1 遍、 振 動(dòng)6 遍、 靜 壓1 遍，壓 實(shí) 度 可 達(dá)90%； 松鋪厚度為60cm 時(shí)，按照工況2 碾壓方式（前后弱振4 遍，強(qiáng)振4 遍），壓實(shí)度可達(dá)97%； 當(dāng)松鋪厚度達(dá)到40cm 時(shí)，按照工況3 碾壓方式（前后弱振2 遍，強(qiáng)振6 遍），壓實(shí)度可達(dá)93%； 當(dāng)松鋪厚度為30cm 時(shí)，按照工況4 碾壓方式（前后弱振4 遍，強(qiáng)振3 遍） 4，壓實(shí)度可達(dá)92%。

3.3 粘性土路基的壓實(shí)沉降觀測(cè)

（1） 干密度的測(cè)定

由3.1 可知，該黏性土樣的最佳含水率為13.9%，最大干密度為1.58g/cm3。 采用灌砂法對(duì)土質(zhì)路基進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)。 對(duì)于各類松鋪厚度的試驗(yàn)段，先分別用取土鏟收集上部壓實(shí)層土樣用以檢測(cè)濕土的濕密度、 含水率及干密度，然后用灌砂筒小心灌入標(biāo)準(zhǔn)砂至頂面齊平，記錄人員記下此時(shí)孔內(nèi)砂的質(zhì)量和孔體積，當(dāng)灌砂筒檢測(cè)完上部壓實(shí)層時(shí)，再挖出孔內(nèi)砂，繼續(xù)對(duì)下部壓實(shí)層進(jìn)行挖坑，挖深與第一次灌砂時(shí)齊平，并對(duì)挖坑面進(jìn)行整平，再繼續(xù)下一層的挖孔灌砂［3］。 之后對(duì)各個(gè)壓實(shí)層的壓實(shí)效果進(jìn)行分析，得出YZ32 壓路機(jī)在不同路基填土松鋪厚度下干密度的變化情況，具體關(guān)系如圖3 所示。

圖3 碾壓n 遍后粘性土不同松鋪厚度的干密度

由圖3 可知，在第一遍的強(qiáng)振碾壓和第四遍的強(qiáng)振碾壓中，YZ32 壓路機(jī)在松鋪厚度為60cm時(shí)土體干密度都相較于其他松鋪厚度要大。 由此表明，YZ32 壓路機(jī)填土松鋪厚度為60cm 時(shí)，壓實(shí)效果最好。

（2） 壓實(shí)沉降率

先分別靜壓一遍，然后用水準(zhǔn)儀檢測(cè)各個(gè)標(biāo)點(diǎn)的沉降差。 但是沉降差不能反映不同松鋪厚度下的壓實(shí)效果，需計(jì)算得到沉降率，即路基填土松鋪厚度經(jīng)過(guò)壓實(shí)機(jī)械碾壓n 遍后所產(chǎn)生的總沉降量與對(duì)松鋪厚度的比值［4］。 試驗(yàn)計(jì)算得到的沉降差如表6 所示。

表6 粘性土試驗(yàn)路段沉降率記錄表

從圖4 可以看出，當(dāng)碾壓遍數(shù)增大時(shí)，壓實(shí)層的沉降率增加，但松鋪厚度最大時(shí)并不能獲得最大的沉降率，這是因?yàn)槌两德士梢蚤g接表征壓實(shí)效果，當(dāng)沉降率越大時(shí)壓實(shí)效果越好，松鋪厚度為60cm 時(shí)，壓實(shí)層的壓實(shí)效果最好。

圖4 碾壓n 遍后壓實(shí)層沉降率的變化

4 結(jié)語(yǔ)

以某公路工程項(xiàng)目為依托，總結(jié)了粘性土的物理力學(xué)特性，并研究分析粘性土路基的壓實(shí)機(jī)理和施工技術(shù)得出以下結(jié)論：

（1） 隨著含水量的增加，土顆粒間的結(jié)合水膜變厚，導(dǎo)致顆粒表面附著間距增大而造成粘滯性有所降低； 同時(shí)水在顆粒間起到潤(rùn)滑作用使土顆粒之間的內(nèi)摩阻力逐漸降低。 這就會(huì)使干密度緩慢增長(zhǎng)，而在達(dá)到最大干密度時(shí)對(duì)應(yīng)的含水率就是最佳含水率。

（2） 三種擊實(shí)功作用下，土體CBR 值先增后減且最大值不在最佳含水率附近，而當(dāng)處于最佳含水率時(shí)，重型擊實(shí)功的CBR 值大于另外兩種。 當(dāng)土體含水率超過(guò)最佳含水率時(shí)，重、 中型擊實(shí)會(huì)因擊實(shí)功過(guò)大而產(chǎn)生的 “彈簧” 現(xiàn)象，從而降低土體的CBR 值。 由此表明，輕型擊實(shí)比較適用于含水率過(guò)大的土體。

（3） 通過(guò)以上試驗(yàn)可知，與普通型壓路機(jī)相比，大振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)效果更好，且使用大振動(dòng)壓路機(jī)時(shí)，上部壓實(shí)效果較下部壓實(shí)效果好。使用大振動(dòng)壓路機(jī)時(shí)，其松鋪厚度在60cm 以下沉降率最大，壓實(shí)效果最好。

（4） 大激振壓路機(jī)的碾壓更貼近公路路基工作狀態(tài)下的承壓工況，通過(guò)大激振壓路機(jī)碾壓的路基長(zhǎng)期穩(wěn)定性能更好。