花崗巖殘積土公路路基壓實(shí)質(zhì)量研究

摘要：為研究桂東南某高速公路花崗巖殘積土路基的壓實(shí)質(zhì)量和力學(xué)性能，文章對回填路基進(jìn)行室內(nèi)外試驗，并應(yīng)用連續(xù)壓實(shí)檢測CMV、地基系數(shù)K30和靜態(tài)變形模量Ev2這三項力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)，綜合評價花崗巖殘積土路基壓實(shí)質(zhì)量。結(jié)果表明，當(dāng)壓實(shí)度由93%增加至96%時，花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度變化相對較小；試驗測量得到的Ev2/Ev1值和K30值均符合要求，表明試驗段花崗巖殘積土作為路基填料壓實(shí)后的強(qiáng)度較好，可作為路基持力層及下臥層；路基連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量檢測結(jié)果反映出路基壓實(shí)的均勻性較差，因此施工實(shí)踐中應(yīng)對填料級配和含水率的均勻性進(jìn)行控制。

關(guān)鍵詞：花崗巖殘積土；公路路基；道路工程；壓實(shí)度

中圖分類號：U416.1" " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.00.007

文章編號：1673-4874（2024）11-0022-03

引言

廣西東南部是廣西區(qū)內(nèi)花崗巖風(fēng)化程度嚴(yán)重的地區(qū)之一，該地區(qū)孕育了大量的花崗巖殘積土［1］?；◢弾r殘積土作為路基填料時，通常表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)松散、持水性差和碾壓成型困難等工程特性，與此同時其又具有較高強(qiáng)度的優(yōu)良力學(xué)特性［2-5］。在桂東南地區(qū)路基施工期間，經(jīng)常會出現(xiàn)花崗巖殘積土填料天然含水率大于最佳含水率的情況，使碾壓壓實(shí)度的控制存在一定困難。若路基壓實(shí)質(zhì)量不足時容易引起后續(xù)路基病害的發(fā)生，因此有必要對路基施工期間的壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行合理的評價。

對于黏性土而言，通常以壓實(shí)度來評價壓實(shí)質(zhì)量；對于砂性土而言，一般不進(jìn)行擊實(shí)試驗，而用相對密度Dr控制［6-7］。雖然這兩種指標(biāo)都能評價路基壓實(shí)質(zhì)量，但卻不能合理評價其力學(xué)性能。對于具有黏性土和砂性土的雙重力學(xué)性狀的花崗巖殘積土而言，單獨(dú)檢測壓實(shí)度K[WTBZ]或相對密度Dr都難以全面評價其壓實(shí)質(zhì)量和力學(xué)性能［8-9］。因此，有必要引入能反映壓實(shí)性能的力學(xué)評價指標(biāo)，如K30、Ev2等［10-11］。目前，對于花崗巖殘積土公路路基壓實(shí)質(zhì)量的研究大多為傳統(tǒng)壓實(shí)質(zhì)量檢測指標(biāo)，缺少力學(xué)性能評價指標(biāo)的研究。

花崗巖殘積土在廣西東南部南湛高速公路沿線大量分布，嚴(yán)重影響該公路的建設(shè)成本和工期。因此，本文以該高速公路某段花崗巖殘積土填料路基工程為依托，開展路基填筑試驗段碾壓試驗，并展開K30和Ev2的現(xiàn)場檢測與連續(xù)壓實(shí)檢測CMV，用以對路基壓實(shí)質(zhì)量和力學(xué)性能進(jìn)行評價，以期為花崗巖殘積土路基填料的公路工程應(yīng)用提供參考。

1試驗研究

1.1工程概況

依托南湛高速公路K121+080～K121+320段高填路基。該路段內(nèi)路基設(shè)計高程為92.438～91.762 m，中心線最大填方高度約為21 m，邊線最大填方高度約為24 m，填方長度約為240 m。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭露，場地主要由粉質(zhì)黏土（含約15%砂礫）、淤泥質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等組成。該路段花崗巖殘積土主要為砂質(zhì)黏性土及全風(fēng)化花崗巖。試驗路段典型填料基本性能如表1所示，顆粒篩分試驗結(jié)果如圖1所示。進(jìn)行擊實(shí)試驗得到填土的最大干密度，采用重型Ⅱ-2擊實(shí)法分三層進(jìn)行擊實(shí)，共配置5種不同含水率下的花崗巖殘積土試樣，分別獲取其含水率及對應(yīng)干密度。試驗結(jié)果如圖2所示。

1.2路基壓實(shí)質(zhì)量現(xiàn)場試驗

如圖3所示為現(xiàn)場試驗的整體示意圖。按照圖3所示的方式布置檢測點(diǎn)位置，原則上，在整個試驗區(qū)內(nèi)的測點(diǎn)應(yīng)＞4個，橫向和縱向兩個相鄰測點(diǎn)之間的間距≤12 m。試驗壓實(shí)機(jī)械采用單鋼輪振動壓路機(jī)。

具體試驗步驟為：（1）路基回填碾壓完成后，先完成K30和Ev2的檢測布置，之后再開展連續(xù)性壓實(shí)檢測CMV試驗；（2）進(jìn)行K30和Ev2的檢測，在實(shí)際檢測過程中，要保證每個測區(qū)（大圓范圍）的半徑≤1 m，且兩個項目互不影響，因此每一次檢測開始之前應(yīng)該先劃分好檢測區(qū)域；（3）加載，指定CMV檢測加載壓路機(jī)參數(shù)，設(shè)計開行速度、開行路線，獲取路基回填壓實(shí)度。

2試驗結(jié)果分析

2.1三軸試驗結(jié)果分析

如圖4所示為不同壓實(shí)系數(shù)K下花崗巖殘積土樣摩爾應(yīng)力圓和抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線。由圖4可知，當(dāng)壓實(shí)度由93%增加至96%時，試樣土的抗剪強(qiáng)度變化相對較小。

2.2靜態(tài)變形模量Ev2分析

路基的靜態(tài)變形模量Ev2反映了路基抵抗變形的能力。測試得到的應(yīng)力-沉降量曲線如下頁圖5所示。由圖5可以看出，第1次加載時路基承載力較低，此時的沉降量曲線變化較快；當(dāng)卸荷后，沉降量曲線回彈回不到原位，表明路基發(fā)生了塑性變形；第2次加載后，沉降量曲線的變化幅度明顯降低，表明此時路基表面效應(yīng)被消除，更能反映路基實(shí)際使用過程的變形情況。

Ev2是由第二次加載的應(yīng)力-沉降量曲線上的0.3σ1max和0.7σ1max之間割線的斜率確定的［12-13］，可由式（1）計算得出：

Evi=1.5r/（a1+a2σ1max）（1）

式中：r——承載板半徑（mm）；

a1——一次項系數(shù)；

a2——二次項系數(shù)；

σ1max——第一次加載的最大應(yīng)力（MPa）。

依據(jù)式（1）計算得出的結(jié)果如下頁表2所示。Ev2/Ev1值與Ev2值二者相互獨(dú)立表征了不同的物理意義，路基壓實(shí)越好，則力學(xué)性能越好，Ev2值也就越大，而Ev2/Ev1值反映的是路基壓實(shí)質(zhì)量，路基越松散產(chǎn)生的永久塑性變形就越大，從而Ev2/Ev1值越大。目前公路工程的相關(guān)規(guī)范中尚未引入Ev2來直接評價路基壓實(shí)質(zhì)量，因此用Ev2/Ev1值來間接評價公路路基壓實(shí)程度要比單獨(dú)使用Ev2值進(jìn)行評價顯得更為合理。參考鐵路路基的相關(guān)要求，有關(guān)文獻(xiàn)指出Ev2/Ev1值應(yīng)≤2.5，從表2中可以看出，測試得到的Ev2/Ev1值都符合要求，這表明路基壓實(shí)質(zhì)量較好。

2.3地基系數(shù)K30分析

地基系數(shù)K30反映了路基的最大容許變形，可以通過式（2）計算：

K30=P0.125S0.125（2）

式中：K30——地基系數(shù)；

P0.125——荷載板沉降量為0.125 cm時對應(yīng)的靜荷載；

S0.125——荷載板沉降0.125 cm時的沉降量。

在試驗區(qū)每進(jìn)行一次加載后選取一個加載點(diǎn)進(jìn)行K30測試，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)沉降量達(dá)到1.25 mm時，所需要的荷載越大則表明路基壓實(shí)質(zhì)量越好，試驗測量得到的K30最小值為128MPa/m，符合鐵路路基設(shè)計規(guī)范［14］中列車設(shè)計時速為120 km/h、砂類土填料所要求的K30值。由此可見，試驗段的花崗巖殘積土路基壓實(shí)后的強(qiáng)度是較好的。

2.4連續(xù)壓實(shí)檢測指標(biāo)CMV分析

路基碾壓后，常規(guī)檢測方法是采用灌砂灌水法來獲取壓實(shí)度。這種方法對于壓實(shí)質(zhì)量的評價存在一定的滯后性，而采用連續(xù)壓實(shí)檢測方法可實(shí)時獲取路基壓實(shí)質(zhì)量。連續(xù)壓實(shí)檢測通過安裝在振動輪上的傳感器檢測振動的波形及振動強(qiáng)度出現(xiàn)的規(guī)律來判定填料壓實(shí)狀況［15］。

路基的連續(xù)壓實(shí)檢測結(jié)果如后頁圖7所示。由圖7可以看出，路基壓實(shí)的均勻性不是很好，而且壓實(shí)質(zhì)量參差不齊。壓路機(jī)振動輪接觸材料的力學(xué)特性會直接通過CMV值反饋出來，小范圍內(nèi)的土體壓實(shí)度是不均勻的，偶爾還存在奇異點(diǎn)（波谷值為0的位置），這種不均勻性主要是由填料的級配、含水率等因素造成的。因此，要提高路基壓實(shí)均勻性，就要控制填料級配的均勻性和含水率的均勻性。

3結(jié)語

（1）花崗巖殘積土具有較高的承載力，但是其黏土含量不高，遇水具有崩解性和軟化性，易受雨水沖刷侵蝕，因此路基施工期間應(yīng)做好防排水措施。

（2）Ev2/Ev1值與Ev2值二者相互獨(dú)立表征了不同的物理意義，用Ev2/Ev1值來評價公路路基壓實(shí)程度要更為合理。在K30檢測中，沉降量達(dá)到1.25 mm時所需要的荷載越大則表明路基壓實(shí)質(zhì)量越好。試驗段測量得到的Ev2/Ev1值和K30值均符合相關(guān)要求，表明試驗段花崗巖殘積土作為路基填料壓實(shí)后的強(qiáng)度較好，可作為路基持力層及下臥層。

（3）CMV值反映出路基壓實(shí)均勻性較差，這種不均勻性主要由填料的級配、含水率等因素造成的，因此有必要控制填料級配和含水率的均勻性，以此來提高路基壓實(shí)的均勻性。

參考文獻(xiàn)：

［1］韋朝華，文海濤，廖麗萍，等.桂東南花崗巖殘坡積土邊坡破壞特征與防治對策［J］.地球與環(huán)境，2017，45（5）：576-586.

［2］曾朋.花崗巖殘積土的壓實(shí)特性及崩解特性研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2012.

［3］洪昌偉.廣西花崗巖殘積土強(qiáng)度與滲透性及工程應(yīng)用研究［D］.武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2020.

［4］吳能森.花崗巖殘積土的分類研究［J］.巖土力學(xué)，2006（12）：2 299-2 304.

［5］王志兵，麥棠坤，齊程.容縣壓實(shí)花崗巖殘積土的力學(xué)性質(zhì)與微結(jié)構(gòu)特性研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2018，45（5）：101-107.

［6］王海峰，馬濤.路基壓實(shí)連續(xù)檢測系統(tǒng)在蘭新二線路基工程中的應(yīng)用［J］.路基工程，2015（2）：131-136.

［7］周文權(quán)，梁橋，聶如松.鐵路路基壓實(shí)性能評價指標(biāo)分析［J］.湖南工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，29（1）：81-85.

［8］劉冀，鄧超，胡煥校，等.高液限花崗巖殘積土路用特性試驗研究［J］.水資源與水工程學(xué)報，2021，32（2）：194-201.

［9］尹松，孔令偉，楊愛武，等.花崗巖殘積土填料路用工程特性室內(nèi)試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2016，37（S2）：287-293.

［10］戴玉，賴國泉.鐵路路基壓實(shí)指標(biāo)K30、Ev2、Evd對比分析［J］.鐵道勘察，2011，37（3）：52-54.

［11］TB 10102-2023，鐵路工程土工試驗規(guī)程［S］.

［12］胡在良，李晉平，王軍東，等.無砟軌道鐵路路基變形模量Ev2控制指標(biāo)的試驗研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2008（5）：20-24.

［13］楊有海，黃大維，賴國泉，等.高速鐵路路基戈壁填料地基系數(shù)與變形模量分析［J］.巖土力學(xué)，2011，32（7）：2 051-2 056，2 065.

［14］TB 10001-2016，鐵路路基設(shè)計規(guī)范［S］.

［15］閆國棟.高速鐵路路基連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量控制研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2010.

作者簡介：羅茂冰（1990—），工程師，主要從事公路工程管理經(jīng)營相關(guān)工作。

收稿日期：2024-05-16