昔格達土路基填料壓實度影響因素的試驗研究

王維早，許 強

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059;2.石家莊經(jīng)濟學院，河北石家莊050031;3.河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)重點實驗室，河北 石家莊050031)

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，西南地區(qū)的基礎建設正進入迅猛發(fā)展階段。很多大型的工程要修建在一些比較特殊的地層，這些地層的適宜性就成為工程建設研究的重點課題。昔格達組土就是其中的一種比較特殊的地層，主要是由淺黃色、肉紅色、灰黑色泥巖與淺黃色細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖呈韻律互層的靜水河湖相沉積地層［1－2］，以淺黃色黏土層和細砂層互層為主，屬于上新統(tǒng)(N2)。由于昔格達地層形成時代較新，先期固結壓力較小，沒有完成沉積成巖作用，是弱膠結半成巖地層，導致了其具有強度低、性質不穩(wěn)定、易滑等工程地質問題［3］。昔格達填料是開挖昔格達地層后將其各巖性混合在一起形成的，由于其復雜的工程特性，昔格達土作為路基填料也具有復雜的工程性質，因此應該對昔格達土填料引起足夠的重視。

路基壓實度是衡量道路施工質量的重要指標，也是保證道路有足夠高的強度和穩(wěn)定性，以及較長使用壽命的關鍵［4－7］。對昔格達土這種特殊填料而言，壓實度指標是否滿足要求顯得尤為重要。筆者在大量現(xiàn)場試驗的基礎上，對影響昔格達土填料路基壓實度的因素進行研究，為其在路基、壩基工程中的應用提供了參考依據(jù)。

1 含水量對壓實度的影響

在壓實過程中，昔格達土填料的含水量對所能達到的密實度起著非常重要的作用。當昔格達土填料含水量較小時，其粒間引力較大，在一定的外部壓實功能作用下，不能有效地克服引力而使土粒相對移動，這時壓實效果就比較差。當增大昔格達土填料含水量時，結合水膜逐漸增厚，減少了引力，土粒在相同壓實功能條件下易于移動而擠密，所以壓實效果較好。但當昔格達土填料含水量增大到一定程度后，孔隙中就出現(xiàn)了自由水，此時自由水填充在孔隙中，從而阻止土粒移動，所以壓實效果又趨下降，故只有在最佳含水量時，土填料才能被擊實至最大干密度［8］。

昔格達填料為一種混合填料，它不同于其它任何單一填料類型，為確定其最大干密度與最佳含水量，對現(xiàn)場機械開挖后隨機混合的填料進行了擊實試驗，在對現(xiàn)場取樣的試驗中模擬了現(xiàn)場壓實的真實過程，即將原樣篩除大于40 mm的顆粒后，從濕到干進行擊實試驗。試驗結果如表1和圖1。

表1 現(xiàn)場隨機取的昔格達混合填料擊實試驗結果Tab.1 Fruits of compaction test on Xigeda composite filling chosen randomly on site

圖1 現(xiàn)場隨機取樣擊實結果Fig.1 Fruits of compaction test on samples chosen randomly on site

由表1和圖1可知，現(xiàn)場隨機混合樣因均勻性差別大，最大干密度變化也較大，小值為1.74 g/cm3，大值可達到1.87 g/cm3，平均值為1.78 g/cm3。最佳含水率變化范圍為11% ～15.5%。

本次試驗是在8個層位上采用18 t壓路機對昔格達土填料壓實，其含水量與壓實度的關系成果如表2和圖2。

表2 含水量與壓實度關系結果Tab.2 Relationship between moisture content and compaction degree

圖2 18 t壓路機壓試驗法含水量與壓實度的關系曲線Fig.2 Curve of moisture content and compaction under the test with 18t road roller

由表2和圖2可以看出:當昔格達混合填料中砂巖含量過大時，混合填料的含水量較低，約為8%左右，當混合填料的泥巖含量較高時，混合填料的含水量較高，約為22%左右。在相同的壓實方式下路基壓實度總體上表現(xiàn)出隨含水量的增加先增大而后減小的趨勢;昔格達土填料的不均一性，導致填料最佳含水量并不是一個定值，但不同填料條件下路基最佳壓實效果所對應的含水量總體在12%～17%之間，這與現(xiàn)場擊實試驗所得的最佳含水量為11%～15.5%的結果相差不多。

2 顆粒級配對壓實度的影響

填料的級配對碾壓層所能達到的密實度有著明顯的影響。實踐證明，均勻顆粒的砂、單一尺寸的礫石和碎石都很難碾壓密實。在路基施工時，粗料過多或細料過多，都達不到壓實標準。只有在良好級配的條件下才能達到要求的密實度，也才能滿足強度和穩(wěn)定性的要求。

昔格達填料是一種混合填料，在現(xiàn)場施工過程中，可以發(fā)現(xiàn)，泥質灰?guī)r和砂質結核塊體大，普遍粒徑超過30 cm。它必須要清除掉，否則影響壓實的效果。對于較大的泥巖和砂巖，可以敲碎。

本次試驗是對昔格達土填料碾壓前后做顆粒分析試驗，其試驗結果如圖3。由圖3(a)可知:昔格達填料的不均勻系數(shù)Cu=7.8，曲率系數(shù)Cc=2.9，按照規(guī)范滿足Cu≥5，Cc=1～3的要求［5］，說明昔格達土填料是一種級配良好的填料。由圖3(b)可知:碾壓后，昔格達土填料的不均勻系數(shù)Cu=7.3，曲率系數(shù)Cc=2.7，按照規(guī)范滿足Cu≥5，Cc=1～3的要求［5］，昔格達土填料碾壓前后，它的級配變化也不大，說明昔格達土填料是一種級配良好的填料，其壓實效果是較好的。

圖3 昔格達土填料顆粒分析曲線Fig.3 Curve of grading analysis of Xigeda Filling

3 施工工藝對壓實度的影響

施工工藝對路基的壓實質量有著直接的影響，最佳的施工工藝是保證高等級公路壓實質量的關鍵，對昔格達土路基而言，施工工藝對路基的壓實度顯得尤為重要。本次試驗主要研究昔格達土填料的松鋪厚度、碾壓方式和碾壓遍數(shù)對昔格達土路基壓實度的影響。

3.1 松鋪厚度對壓實度的影響

松鋪厚度對壓實度具有非常明顯的影響，松鋪厚度較薄時，對面積施工而言浪費經(jīng)費，而且拖延施工進度，松鋪厚度較厚時，路基的密實程度達不到要求，需要合理的確定松鋪厚度，不同壓實機械的有效壓實深度各有不同。因此，規(guī)范要求路基應分層壓實。對路基填料分層的最佳松鋪厚度應根據(jù)壓實機械類型、填料的土質、對路基壓實的基本要求等因素通過鋪設試驗段確定。

本次試驗采用YZ18C、LSS216A兩種振動壓路機對昔格達土填料進行壓實。YZ18C型振動壓路機強振時頻率29 Hz、振幅1.88 mm、激振力320 kN，弱振時頻率 35 Hz、振幅 0.99 mm、激振力 260 kN;LSS216A型振動壓路機強振時頻率30 Hz、振幅1.8 mm、激振力310 kN，弱振時頻率33 Hz、振幅0.9 mm、激振力180 kN。在2種壓實機械下，研究松鋪厚度對壓實度的影響。在現(xiàn)場壓實度檢測中，采用2種碾壓方式:先強振后弱振為，靜壓1遍+強振1遍+弱振6遍+靜壓1遍;先弱振后強振為，靜壓1遍+弱振6遍+強振1遍+靜壓1遍，然后進行壓實度檢測。最后得到16 t和18 t壓路機在各松鋪厚度的壓實度，其試驗結果見圖4。

圖4 松鋪層厚與壓實度關系曲線Fig.4 Relationship between different loose laying depths and compaction

從圖4(a)中可以看出，無論是先弱振后強振還是先強振后弱振的碾壓方式，在松鋪厚度達到35 cm之前，壓實度隨著松鋪厚度的增加而逐漸增加。這主要是因為松鋪厚度較薄時已經(jīng)壓密實的路基被后面的強振或者被后面的弱振又振松了，壓實度有所降低，隨著松鋪厚度的增加，已經(jīng)壓密實的路基被后面的強振或者被后面的弱振振松的越來越少了，也就是說壓實度降低得越來越少了，表現(xiàn)為壓實度隨著松鋪厚度的增加而逐漸增加。在松鋪厚度達到35 cm時，壓實度達到峰值，其值分別是94.5%和93.9%，對先弱振后強振而言，松鋪厚度超過35 cm以后，壓實度隨著松鋪厚度的增加而逐漸減小，對先強振后弱振而言，松鋪厚度超過35 cm以后，壓實度隨著松鋪厚度的增加先減小后增加。從圖4(a)還可以看出，在松鋪厚度為35 cm以上時，壓實度曲線已開始下降，為此，可以選擇35 cm為16 t壓路機碾壓方式下昔格達土填料的適合松鋪厚度，參照規(guī)范中的取值，適合昔格達土填料的松鋪厚度也可取為一個區(qū)間值。松鋪厚度為30 cm時，其壓實度為94.4%和93.8%，與35 cm時的峰值很接近，所以在16 t壓路機碾壓方式下適合昔格達土填料的松鋪厚度為30～35 cm。

從圖4(b)中可以看出，無論是先弱振后強振還是先強振后弱振的碾壓方式，在松鋪厚度達到40 cm之前，壓實度隨著松鋪厚度的增加而逐漸增加。這主要是因為松鋪厚度較薄時已經(jīng)壓密實的路基被后面的強振或者被后面的弱振又振松了，壓實度有所降低，隨著松鋪厚度的增加，已經(jīng)壓密實的路基被后面的強振或者被后面的弱振振松的越來越少了。也就是說壓實度降低得越來越少了，表現(xiàn)為壓實度隨著松鋪厚度的增加而逐漸增加。在松鋪厚度達到40 cm時，壓實度達到峰值，其值分別是94.5%和93.5%，松鋪厚度超過40 cm以后，壓實度隨著松鋪厚度的增加而逐漸減小，在這2種壓實方式下，松鋪厚度在30～40 cm之間時，均能達到壓實度93%的要求。從圖4(b)還可以看出，在松鋪厚度為40 cm以上時，壓實度曲線已開始下降，為此，可以選擇40 cm為18 t壓路機碾壓方式下昔格達土填料的適合松鋪厚度，參照規(guī)范中的取值，適合昔格達土填料的松鋪厚度也可取為一個區(qū)間值。松鋪厚度為35 cm時，其壓實度為94.4%和93.3%，與40 cm 時的峰值很接近，所以在18 t壓路機碾壓方式下適合昔格達土填料的松鋪厚度為35～40 cm。

3.2 碾壓方式對壓實度的影響

本次試驗采用先弱振后強振和先強振后弱振的碾壓方式，碾壓方式對壓實度存在一定的影響，由圖4可以看出:對16 t和18 t壓實機械而言，采用先弱振后強振的碾壓方式要比采用先強振后弱振的碾壓方式所得到的壓實度普遍要高。所以無論對16 t壓實機械還是18 t壓實機械，采用先弱振后強振的碾壓方式得到壓實度高，效果較好。

3.3 碾壓遍數(shù)對壓實度的影響

本次試驗采用16 t和18 t壓路機分別對松鋪厚度為30 cm和35 cm的昔格達土填料進行壓實試驗，研究各碾壓遍數(shù)與壓實度的關系，其試驗成果如圖5。

圖5 碾壓遍數(shù)與壓實度關系曲線Fig.5 Curve of different rolling times and compaction

由圖5(a)可知，16 t壓路機的壓實度峰值出現(xiàn)在碾壓7遍時，為94.5%，碾壓6遍時壓實度為93.4%，此時碾壓6遍與碾壓7遍的效果相差不大。由圖5(b)可知，18 t壓路機的壓實度峰值出現(xiàn)在碾壓6遍時，為94.4%，但在碾壓5遍時就已達到了93.8%的要求。這主要是因為16 t壓路機在碾壓7遍和18 t壓路機在碾壓6遍時路基壓實的效果最好，再碾壓時路基容易被振松，壓實度降低，然后隨著碾壓遍數(shù)的增加，路基又逐漸被壓密實，壓實度又隨著碾壓遍數(shù)的增加而增加。所以，從壓實效果以及節(jié)約方面考慮，昔格達土填料在松鋪30 cm時，16 t壓路機的合適碾壓遍數(shù)為6遍，昔格達土填料在松鋪30 cm時，18 t壓路機的合適碾壓遍數(shù)為5遍。

4 結論

1)從含水量對壓實度的影響來看，昔格達土填料在不同的壓實條件下路基最佳壓實效果所對應的含水量總體在12%～17%之間。

2)從顆粒級配對壓實度的影響來看，碾壓前后，填料的Cu和Cc均滿足規(guī)范的要求，是一種良好級配的填料。

3)從松鋪厚度對壓實度的影響方面來看，在16 t壓路機碾壓方式下，適合昔格達土填料的松鋪厚度為30～35 cm;在18 t壓路機碾壓方式下適合昔格達土填料的松鋪厚度為35～40 cm。

4)從碾壓方式對壓實度的影響方面來看，無論對16 t壓實機械還是18 t壓實機械，采用先強振后弱振的碾壓方式得到壓實度高，效果較好。

5)從碾壓遍數(shù)對壓實度的影響方面來看，16 t壓路機最佳的碾壓遍數(shù)為6遍;18 t壓路機最佳的碾壓遍數(shù)為5遍時，碾壓效果最佳。

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