公路路基填筑施工質(zhì)量控制措施研究

摘 要：用隧道棄渣填筑路基是降低公路工程成本的有效措施。本文以某高速公路利用隧道棄渣填筑路基工程為研究對象，分析了隧道洞渣級配隨碾壓次數(shù)的變化規(guī)律，通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定了洞渣填料碾壓過程的壓實(shí)度變化規(guī)律，研究結(jié)果表明：隧道洞渣級配具有較大的不均勻性，可以通過機(jī)械碾壓和增加細(xì)骨料進(jìn)行改善，通常經(jīng)過5次碾壓后，洞渣填料能滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。在路基填筑過程中須嚴(yán)控施工工藝，以此保證路基填筑質(zhì)量，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，為類似路基工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：路基填筑；級配曲線；壓實(shí)度；質(zhì)量控制

中圖分類號：U 416 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在高速公路路基填筑的過程中，使用臨近隧道施工產(chǎn)生的洞渣作為路基填料，可以實(shí)現(xiàn)工程廢棄物的再利用，可以有效降低工程的原材料成本。隧道洞渣的級配組成和物理性能會有一定差異，部分洞渣原材經(jīng)過處理才能達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范質(zhì)量要求[1]。在實(shí)際工程施工中，對洞渣原料進(jìn)行加工處理，確定分層填筑施工工藝是十分重要的[2]。本文以山東省某高速公路工程的路基試驗(yàn)填筑段為研究案例，通過洞渣原材級配試驗(yàn)確定了原料控制方案。通過設(shè)計(jì)現(xiàn)場試驗(yàn)，得到了洞渣級配隨碾壓次數(shù)的變化關(guān)系和最優(yōu)碾壓次數(shù)。在現(xiàn)場施工過程中，采用嚴(yán)控填料質(zhì)量、避開降水、分層壓實(shí)、設(shè)置水穩(wěn)層等方式保證了路基的施工質(zhì)量，達(dá)到了預(yù)期效果，為類似工程提供了參考。

1 工程概況

山東省某高速公路工程標(biāo)段項(xiàng)目包括隧道、路基、橋梁等結(jié)構(gòu)形式，路基試驗(yàn)段標(biāo)準(zhǔn)橫斷面路面寬度10.6m，填方路基坡度主要為1∶1.5，最大填筑高度3.0m，如圖1所示。項(xiàng)目采用標(biāo)段內(nèi)隧道工點(diǎn)產(chǎn)生的洞渣作為路基填筑的填料，在自建的碎石加工廠對洞渣進(jìn)行破碎加工，選擇50m長度作為洞渣填筑試驗(yàn)段，根據(jù)試驗(yàn)段所得洞渣處理方法、填筑工藝及質(zhì)量控制措施，在全標(biāo)段進(jìn)行推廣。

本項(xiàng)目公路沿線工程地質(zhì)概況：從元古界震旦系到新生界第四系地層均有出露。震旦系巖性為砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、硅質(zhì)巖等，有零星分布；寒武系、奧陶系巖性多以碳酸鹽巖為主，夾頁巖、泥巖等，主要分布在標(biāo)首隧道；志留系、泥盆系均為碎屑巖，主要分布在標(biāo)段中部隧道；石炭系至三迭系巖性多以碳酸鹽巖為主，主要分布在標(biāo)段中部隧道；泥盆系砂巖、花崗閃長巖、花崗斑巖等，主要分布在標(biāo)段尾部等一帶隧道。路基填筑原料主要選擇硬質(zhì)巖石、中硬巖石，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，本工程主要選擇洞渣中抗壓強(qiáng)度較好的砂巖、石灰?guī)r等巖石作為路基填筑原材料。

2 填筑原料級配控制

路基填料的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020），在現(xiàn)場施工過程中，使用各種機(jī)械設(shè)備對洞渣進(jìn)行碾壓，其級配、密度等物理性質(zhì)會發(fā)生較大的變化[3]。因此確定碾壓前后的級配分布對路基填筑質(zhì)量十分重要，須對施工碾壓前后的物理性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)測定[4]。

原料級配試驗(yàn)有以下步驟。1）樣品采集：從工程現(xiàn)場洞渣中采集10kg的洞渣樣品。每處隧道工點(diǎn)均取樣，確保樣品具有代表性。2）樣品預(yù)處理：對采集樣品進(jìn)行篩分處理，分離不同粒徑范圍的顆粒。3）顆粒級配計(jì)算：根據(jù)篩分結(jié)果，計(jì)算每個(gè)粒徑范圍內(nèi)的顆粒質(zhì)量百分比。通過將每個(gè)粒徑范圍內(nèi)的顆粒質(zhì)量除以總質(zhì)量，得到該粒徑范圍內(nèi)的顆粒質(zhì)量百分比。4）參數(shù)計(jì)算：不均勻系數(shù)是衡量顆粒級配分布不均勻程度的指標(biāo)，如公式（1）所示。

Cu=（D60/D10）×100% " " " " " " " " " " "（1）

式中：D60為60%顆粒通過的篩孔直徑；D10為10%顆粒通過的篩孔直徑。

曲率系數(shù)計(jì)算：根據(jù)顆粒級配計(jì)算結(jié)果，計(jì)算曲率系數(shù)。曲率系數(shù)是衡量顆粒級配曲線彎曲程度的指標(biāo)，計(jì)算過程如公式（2）所示。

Cc=[（D30/D60）+（D10/D60）]/2 " " " " " " "（2）

式中：D30為30%顆粒通過的篩孔直徑。

對計(jì)算的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2數(shù)據(jù)，可得Cu=7.9gt;5，Cc=1.5，為1～3，達(dá)到了規(guī)范要求的高速公路路基填筑級配質(zhì)量要求。根據(jù)圖2所示的級配曲線，經(jīng)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，洞渣原料存在級配較大的不連續(xù)性。洞渣粒徑大于9mm部分約占總量的50%，粒徑小于2mm的部分占比約8%，上述試驗(yàn)結(jié)果表明洞渣原料級配分布的不均勻性，此類填料在分層填筑過程中會對施工質(zhì)量存在一定影響。

填料碾壓后的級配質(zhì)量直接影響路基的承載能力和穩(wěn)定性。如果級配不均勻或不符合要求，就可能會導(dǎo)致路面出現(xiàn)凹陷、裂縫等質(zhì)量問題。對填料碾壓后的級配進(jìn)行試驗(yàn)測定，可以確定在填筑機(jī)械作用下填料的級配性質(zhì)的變化，確定虛鋪厚度和碾壓遍數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)，碾壓遍數(shù)與并曲率系數(shù)、不均勻系數(shù)與的變化關(guān)系如圖3所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，洞渣填料在經(jīng)過碾壓后，不均勻系數(shù)Cu隨碾壓次數(shù)的增加變化較小，但在經(jīng)過第2次碾壓后，不均勻系數(shù)Cu會大幅度上升，后續(xù)在繼續(xù)碾壓過程中還出現(xiàn)一定程度的上升現(xiàn)象，最后一次碾壓后，不均勻系數(shù)Cu達(dá)到18。上述數(shù)值變化產(chǎn)生的原因包括第一次機(jī)械碾壓后，洞渣中的較大空隙吸收機(jī)械碾壓較大的能量，使原有巖塊間空隙變小，在后續(xù)的碾壓過程中，一部分碎塊被壓碎，使不均勻系數(shù)Cu在第二次機(jī)械碾壓的過程中上升幅度較大，后續(xù)也是因巖塊不斷破碎造成上升。曲率系數(shù)基本維持在原本水平，未發(fā)生較大的變化。在碾壓5次的條件下，洞渣的級配均在規(guī)范要求的級配值內(nèi)。

在實(shí)際施工過程中，嚴(yán)禁將自身抗壓強(qiáng)度較低的原料用于填筑作業(yè)。由于原料具有不均勻性，因此部分開采的洞渣原材其級配也可能低于標(biāo)準(zhǔn)值，可以通過增加細(xì)骨料的含量，以改善洞渣的級配特性，保證原料的級配的連續(xù)性、均勻性，避免浪費(fèi)洞渣原料。每次進(jìn)行機(jī)械碾壓設(shè)備的振動強(qiáng)度、頻率等參數(shù)須盡量保持一致，并在每次增加細(xì)顆粒后，對填料再進(jìn)行一次級配測試，以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3 路基填筑壓實(shí)度控制

公路路基壓實(shí)度是質(zhì)量控制的重要指標(biāo)，本文使用灌砂法測量壓實(shí)度，利用灌沙法測出試洞的體積，利用挖出的洞內(nèi)土稱重得到質(zhì)量，求得該部位土質(zhì)的濕密度、含水量和干密度，計(jì)算壓實(shí)度[5]。在試驗(yàn)過程中，當(dāng)鑿檢測孔洞時(shí)，要盡量降低鑿出沙土的損失率，并隨時(shí)將鑿出的沙土裝入塑料袋中，防止水分蒸發(fā)。試洞的深度應(yīng)等于測定層高度，但不能有下層材料混入。在試驗(yàn)段共選取1#、2#、3#共3個(gè)壓實(shí)度測點(diǎn)。

碾壓次數(shù)與干密度的變化關(guān)系曲線如圖4所示，碾壓次數(shù)與壓實(shí)度的變化關(guān)系曲線如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：隨著碾壓次數(shù)的增加，3個(gè)測點(diǎn)處的干密度均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，直至1.85g/cm3，開始兩次碾壓上升幅度較大，說明在碾壓的開始階段，外力壓縮了路基洞渣填料中的空隙，使填料里的部分水分排出，導(dǎo)致干密度出現(xiàn)明顯上升。路基填料的壓實(shí)度的變化規(guī)律與干密度的變化基本一致，在經(jīng)歷5次碾壓后，壓實(shí)度基本達(dá)到95%。經(jīng)過5次碾壓，3個(gè)測點(diǎn)洞渣填料的干密度均達(dá)到了《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）及設(shè)計(jì)圖紙的要求，由此可知，經(jīng)過5次碾壓，洞渣填料可以達(dá)到填筑的壓實(shí)規(guī)范要求。在現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)路基邊緣處的壓實(shí)度會小于中部區(qū)域的壓實(shí)度，因此須在邊緣處增加1～3次碾壓補(bǔ)強(qiáng)，直至測量壓實(shí)度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，并注意填筑路面的整體線形和平整度控制。

4 施工組織質(zhì)量控制

在施工過程中，須嚴(yán)格避免混用不同種類的填料，不同性質(zhì)的填料要分區(qū)域填筑。特別是路堤上部受車輛荷載的作用影響較大，通常將水穩(wěn)定性好的填料用于路堤的上部。同時(shí)，在路堤填筑過程中應(yīng)嚴(yán)格分層上料、分層平整、分層壓實(shí)，松鋪分層厚度不大于40cm。為保證路基邊緣壓實(shí)度，路基填料寬度每側(cè)應(yīng)寬于填層設(shè)計(jì)寬度（30cm～50cm），壓實(shí)寬度不得小于路基設(shè)計(jì)寬度。

路基填筑縱向搭接兩段交接處不在同一時(shí)間填筑，須在先填地段按1∶1坡分層留臺階。為防止路基出現(xiàn)不均勻沉陷，當(dāng)同時(shí)填筑兩個(gè)地段時(shí)，應(yīng)分層相互交疊銜接，搭接長度不小于2m。針對路基下沉橋頭跳車等質(zhì)量問題，可以采用掛線水平分層填筑壓實(shí)的方法，并增加壓實(shí)度等試驗(yàn)檢測，以此保證填筑質(zhì)量。

當(dāng)路基填筑施工時(shí)，積水會嚴(yán)重影響填筑質(zhì)量，因此須在填筑前及時(shí)了解當(dāng)?shù)貧庀笮畔?，避開雨天施工作業(yè)。同時(shí)按設(shè)計(jì)橫坡以上的橫坡（2%～4%）整平壓實(shí)，防止已填筑部分路基積水。

當(dāng)路基下部距離地下水較近時(shí)，應(yīng)在路堤底部換填水穩(wěn)性較好、不易風(fēng)化的砂石材料或用無機(jī)結(jié)合料（例如石灰、水泥等固化材料）進(jìn)行加固處理，使基底形成水穩(wěn)性好、厚約20cm～30cm的穩(wěn)定層。通過上述質(zhì)量控制措施，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)施工的目的，并在全標(biāo)段進(jìn)行推廣使用，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

洞渣作為填料原材的級配連續(xù)性和均勻性較差，經(jīng)過5次碾壓加工后，不均勻系數(shù)Cu達(dá)到18，曲率系數(shù)Cc約為2，能夠滿足使用質(zhì)量要求。若部分洞渣級配不均勻嚴(yán)重，則可通過增加細(xì)顆粒的含量及加強(qiáng)碾壓的方式，改善洞渣的級配特性。

洞渣填料經(jīng)過碾壓，干密度和壓實(shí)度隨著碾壓次數(shù)的增加均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，開始兩次碾壓上升幅度較大，在經(jīng)歷5次碾壓后壓實(shí)度基本達(dá)到95%，干密度均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，直至1.85g/cm3，能滿足路基填筑施工需求。

當(dāng)高速公路路基填筑施工時(shí)，須加強(qiáng)路基排水技術(shù)措施，在填料填筑過程中應(yīng)注意分層平整、分層壓實(shí)、分區(qū)搭接；當(dāng)路基下部距離地下水較近時(shí)，須設(shè)置厚約20cm～30cm的穩(wěn)定層。同時(shí)每次填筑完成須嚴(yán)格檢查壓實(shí)度、含水量等指標(biāo)，保證路基填筑質(zhì)量符合要求。

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