風(fēng)積沙路基壓實工藝及控制措施研究

趙文紅

(河北冀通路橋建設(shè)有限公司)

在公路建設(shè)過程中,由于特殊的地理環(huán)境影響,常常會遇到極為松散的風(fēng)積沙土。風(fēng)積沙土結(jié)構(gòu)疏松,剖面發(fā)育微弱,當(dāng)風(fēng)積沙處于飽和狀態(tài)時具有液化現(xiàn)象,用天然風(fēng)積沙土修建道路時,常造成道路嚴(yán)重破壞,如路基沉陷,路面結(jié)構(gòu)層斷裂或開裂,路基邊坡失穩(wěn),雨水沖刷流失嚴(yán)重等病害,給道路建設(shè)和交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展帶來嚴(yán)重的障礙。利用我國廣泛分布的風(fēng)積沙做公路路基填料,研究其路用性能,制定道路運(yùn)營期間病害控制措施尤為重要。

河北省承德市圍場壩上地區(qū)也有著豐富的風(fēng)積沙土資源,已有圍多公路、棋塞公路、卸克公路多條重要的路線通過這些沙區(qū),并成功應(yīng)用風(fēng)積沙作為路基填料修筑了多條二級公路,解決了壩上地區(qū)沿線筑路材料匱乏的實際情況,加快了施工進(jìn)度,大大降低了工程造價。

1 風(fēng)積沙壓實原理

風(fēng)積沙是通過碾壓、沖壓等外力手段,克服土顆粒間的粘聚力和內(nèi)摩擦力,將空氣和水分?jǐn)D出,使土顆粒間相互位移靠攏,從而提高土的密度,以增強(qiáng)土體抵抗外部壓力的能力。對于風(fēng)積沙來說,由于干燥松散,粉粒與粘粒含量很少,粘聚力近似為零。因此,對沙基施加的壓實力只是用于克服其土顆粒間的內(nèi)摩擦力。

靜力壓路機(jī)是利用壓路機(jī)自身的靜荷載對材料產(chǎn)生剪應(yīng)力,當(dāng)剪應(yīng)力接近按壓實材料的最大剪切強(qiáng)度時,材料產(chǎn)生塑性變形,迫使土顆粒相互靠近,移動到更穩(wěn)定的位置。因它受材料性質(zhì)的限制較大,對級配較差的風(fēng)積沙(不均勻系數(shù)約為 1.4),較難使其顆粒相互嵌擠,達(dá)到最佳位置。另一方面,靜碾壓力影響隨著深度的增加而不斷減弱,其靜碾壓力主要集中在表層,有效壓實深度近似等于兩倍壓路機(jī)與土顆粒接觸表面的最小橫向距離。這對難于嚴(yán)格分層碾壓的沙基極為不利。此外,靜力壓路機(jī)工作效率也較低。

振動壓實是通過振動壓實機(jī)械的往復(fù)作用,給被壓材料連續(xù)的沖擊力,通常是正弦被動的振動荷載,導(dǎo)致材料強(qiáng)迫振動,振動一方面使材料顆粒間的內(nèi)摩擦力減小,另一方面使顆粒本身產(chǎn)生振動力來消除顆粒間的粘聚力和內(nèi)摩擦力,使顆粒重新排列組合,相互嵌擠,達(dá)到最佳密實狀態(tài)。因此,振動壓實理論可簡單地解釋為通過振動壓路機(jī)振動輪的誘發(fā)力,使被壓實材料中的顆粒產(chǎn)生共振,而共振減少了材料顆粒間的內(nèi)摩擦力,從而使顆粒移動到密實、穩(wěn)定的狀態(tài)。振動壓路機(jī)的壓實作用基本上歸納為:對材料施加了沖擊力,減少了材料顆粒間的內(nèi)摩擦力;由于振動使被壓實材料顆粒易于移動。

對于風(fēng)積沙來說,由于粘聚力基本為零,振動時易使顆粒處于運(yùn)動狀態(tài),所需的慣性力也較小,從而使得振動壓力波波及到較大的深度,獲得較大的有效壓實深度和較好的壓實效果,有效壓實深度一般可達(dá)到 1～2m。另一方面,從振動原理可知,當(dāng)振動壓路機(jī)的振動頻率接近風(fēng)積沙的自振頻率時,其顆粒的被迫振幅將增大,同時內(nèi)摩擦力降低,這是獲得良好壓實的有效途徑。因此,振動壓實是對沙基進(jìn)行壓實的最有效手段。

2 包邊土施工

2.1 包邊土

在風(fēng)積沙墊層的設(shè)計施工中,包邊土的作用主要是防止或者說是限制風(fēng)積沙墊層的側(cè)向位移,并防止風(fēng)積沙路基邊坡遭受風(fēng)蝕、雨水沖刷,同時當(dāng)人、畜對邊坡踐踏時,也起一定的保護(hù)作用。包邊土在風(fēng)積沙墊層中的位置見圖 1。

圖 1 包邊土在風(fēng)積沙路基中的位置

2.2 包邊土的施工

按設(shè)計要求,先掛線放樣,然后指揮汽車或挖掘機(jī)在檢測合格的土基上按一定間距倒土,最后由人工鏟(銷)平、并修整。施工時應(yīng)注意揀除草根、剔除大土塊、打碎小土塊,隨時確定不同土質(zhì)的松鋪厚度,以保證松散土體壓實后,其梯形包邊土的上底邊位置達(dá)到設(shè)計所要求的高度。具體圖示見圖 2。

圖 2 包邊土施工放樣圖

根據(jù)包邊土的施工情況,并參照土路肩施工的技術(shù)要求,對包邊土的施工作出如下的施工要求,從完成情況看,效果良好。

每一層包邊土的壓實厚度不超過 30 cm,以確保包邊土能夠達(dá)到設(shè)計所要求的壓實度,并與所對應(yīng)的風(fēng)積沙墊層的壓實厚度相一致。

包邊土的壓實度開始規(guī)定為不小于 90%,從現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn),這一規(guī)定的數(shù)值偏小,施工單位一般均可達(dá)到壓實度 93%以上。后將包邊土的壓實度規(guī)定為不小于93%。

包邊土的頂面寬度不小于設(shè)計值、內(nèi)邊緣線橫向位置允許偏差不大于 50mm。

橫坡允許誤差不大于 0.5%。

平整度要求為 3m直尺最大間隙不大于20mm。

3 風(fēng)積沙壓實工藝

根據(jù)擊實試驗的結(jié)果,結(jié)合壩上地區(qū)氣候特點和水文地質(zhì)條件,沙基采用干壓。由于一般壓實機(jī)械,特別是靜力光輪壓路機(jī)不能直接在沙面上作業(yè),自行式寬體輪胎驅(qū)動光輪振動壓路機(jī)(如W 1102系列壓路機(jī))可以在經(jīng)過分層初壓和調(diào)平復(fù)壓的沙基上直接行走作業(yè),這樣不僅可大大提高沙基的壓實效果,而且提高施工效率,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 沙基干壓實原則

根據(jù)壓實動態(tài)試驗和現(xiàn)場試驗,沙基干壓實應(yīng)遵循以下原則:

(1)采用振動壓實方法;

(2)振動壓路機(jī)應(yīng)選擇重型(大于 104 kg)和寬體輪胎驅(qū)動光輪機(jī)型;

(3)碾壓時采用高頻低幅的方式,振動頻率為 40 Hz左右,振幅為 0.4～1mm。

3.2 風(fēng)積沙碾壓工藝

具體的碾壓工藝流程如圖3所示。

圖 3 沙基干壓實振動壓實工藝流程

(1)填筑沙基:指揮車輛,在填筑好包邊土路槽內(nèi),沿一側(cè)傾倒所需數(shù)量的風(fēng)積沙,另一側(cè)留做施工工作面。根據(jù)施工圖放樣后,從路線兩側(cè)推筑,一般每層填筑厚度不大于50 cm。

(2)分層碾壓;填筑一層后,由推土機(jī)大致整平。并借助推土機(jī)履帶碾壓 4～6遍,達(dá)到設(shè)計標(biāo)高。

(3)調(diào)平復(fù)壓:采用鏟運(yùn)機(jī)調(diào)平時進(jìn)行復(fù)壓,鏟運(yùn)機(jī)自重 3×104kg左右,另裝 10m3左右的風(fēng)積沙,總重達(dá) 4.5×104～5×104kg,利用其寬體的輪胎碾壓 2～3遍。

(4)振動碾壓:調(diào)平復(fù)壓結(jié)束后,由振動壓路機(jī)采用高頻、低幅振動將風(fēng)積沙墊層連同包邊土一起從路基邊緣向路中心碾壓 2～3遍,碾壓速度 3～4 km/h。直到滿足設(shè)計所要求的風(fēng)積沙和包邊土壓實度,最后由輪胎式壓路機(jī)碾壓 2遍。

(5)鋪設(shè)土工布及天然沙礫:按設(shè)計要求鋪設(shè)土工布,并攤鋪約 10 cm的天然沙礫,并用平地機(jī)整平。

(6)表層碾壓:天然沙礫整平后,用 1.2×104kg以上的靜力壓路機(jī)碾壓 4～6遍,或振動壓路機(jī)振動碾壓 3～4遍。這是由于沙基通過直接振動碾壓后,表層(約 10 cm范圍內(nèi))仍處于松散狀態(tài),通過本次碾壓后使其密實,完成對沙基的全面壓實。

風(fēng)積沙材料如果采用干壓工藝,不但技術(shù)先進(jìn)、設(shè)計科學(xué),而且施工簡單、檢驗方便,最主要的是在不降低設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的前提下,最大限度地降低了工程造價。

4 壓實過程中應(yīng)注意的問題

4.1 施工機(jī)械對壓實層的影響

一般而言,地基穩(wěn)定的風(fēng)積沙路基具有沉降量小,沉降速度快,沉降均勻及水穩(wěn)定性好等優(yōu)點,但風(fēng)積沙在天然狀態(tài)下呈松散狀態(tài),內(nèi)聚力幾乎為零,抗剪能力很差,在外力作用下易發(fā)生移動。工程實踐表明,風(fēng)積沙路基填筑過程中機(jī)械會對下壓實層產(chǎn)生擾動影響。

風(fēng)積沙路基在碾壓過程中不同機(jī)械組合的碾壓方式中對下層均有一定擾動,同時對下層風(fēng)積沙密度也有影響,試驗結(jié)果表明其影響范圍在0～80 cm。

因此,在風(fēng)積沙路基填筑時一般需要采取以下措施。

修筑試驗路確定最佳機(jī)械組合方式與碾壓工藝。施工前應(yīng)通過試驗路段確立既要達(dá)到上面層的壓實度要求,又不會導(dǎo)致對下承層有過大擾動的壓實遍數(shù)及機(jī)械組合方式。經(jīng)過在試驗段上反復(fù)碾壓,得出風(fēng)積沙壓實最佳的機(jī)械組合方式為:采用T140以上推土機(jī)配合 18 t以上雙驅(qū)動壓路機(jī)進(jìn)行碾壓,其最佳的機(jī)械組合方式根據(jù)壓實控制區(qū)間確定,見表 1。

另外,可用水墜法配合推土機(jī)碾壓,且水頭高度 15 cm時,T140以上推土機(jī)碾壓 7遍時,即可接近最大干密度,如果再碾壓就會出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。

4.2 對施工車輛的控制

風(fēng)積沙易剪切破壞,因此在施工上土過程中以翼側(cè)開始,作業(yè)段不宜過長。車輛在風(fēng)積沙路基上要避免車輛在路基上卸料時調(diào)頭,打小轉(zhuǎn)向、剎車等,這樣車輛行走順暢,安全省工省時,如果按常規(guī)方法上土施工,車輛在路基上行走路線長,卸土?xí)r要調(diào)頭打小轉(zhuǎn)向,重載車與空返車對行,對風(fēng)積沙的路基面破壞性極大,直接影響上土后二層施工的壓實度,同時增加了施工作業(yè)難度,造成不應(yīng)有的浪費(fèi)。

表 1 機(jī)械組合方式表

4.3 避免液化現(xiàn)象

下層飽和松沙在震動荷載作用下,由于原先由沙礫間傳遞的有效應(yīng)力傳給孔隙水承擔(dān),引起孔隙水的上排和沙礫在一定時間內(nèi)的懸浮,導(dǎo)致部分或全部強(qiáng)度喪失,造成沙土變?yōu)橐环N類似液體的狀態(tài),造成路基失穩(wěn)的后果。所以,在施工中除了加強(qiáng)弱振壓實,增大密實度外,還對邊坡進(jìn)行了夯實加固,嚴(yán)格控制包邊土尺寸。為了防止在施工或日后使用荷載下發(fā)生液化,應(yīng)采用“疏導(dǎo)為主”的處理方法,加強(qiáng)排水、泄水系統(tǒng)的疏通、引導(dǎo),使中央分隔帶的水通過泄水槽排入邊溝,從而使水較少滲入路基,以免影響投入使用的路基路面強(qiáng)度。

5 結(jié) 語

通過研究風(fēng)積沙路用性能,針對其結(jié)構(gòu)疏松,剖面發(fā)育微弱,處于飽和狀態(tài)時具有液化現(xiàn)象的特點,對風(fēng)積沙路基施工采用包邊土,并進(jìn)行了包邊土斷面設(shè)計和施工控制要求制定,對包邊土內(nèi)的風(fēng)積沙采用分層填筑,干壓施工,確保了風(fēng)積沙路基的施工質(zhì)量,減少了道路運(yùn)營期間的病害發(fā)生,避免了遠(yuǎn)運(yùn)換填材料,加快了施工進(jìn)度,降低了施工成本。

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