路基碎石排水層級配試驗、數(shù)值模擬及施工工藝研究

【摘 要】論文針對高速公路排水系統(tǒng)的不完善，對路基碎石排水層性能進(jìn)行了試驗，采用SEEP/M軟件對路基碎石排水層進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：說明碎石層厚度只要大于40cm，就可以滿足阻隔毛細(xì)水的要求，為碎石排水層的設(shè)計提供了理論依據(jù)，最后對其施工工藝進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】路基；碎石排水層；數(shù)值模擬；施工工藝

1 引言

我國高速公路多穿過農(nóng)田灌溉區(qū)，路基兩側(cè)河流、池塘與灌溉用水可能通過地下水的遷移倒灌進(jìn)入路基，造成路基土壤含水量增大，路基變形、承載力降低。路基排水層是指設(shè)置在路基之中的結(jié)構(gòu)層，它的主要作用是阻隔地下水由于毛細(xì)上升進(jìn)入路基土壤，導(dǎo)致路基含水量增大，影響路基結(jié)構(gòu)強度和整體穩(wěn)定性。路基排水層位于人工填筑的路堤下部，天然地基之上，主要是保證地下高水位或者路基兩側(cè)的河流、池塘和灌溉用水不會經(jīng)由地入路基。位于路堤底部的排水層，由于距路基頂面較深，遠(yuǎn)遠(yuǎn)位于路基工作區(qū)之外，所以可以認(rèn)為其主要承受路基上部結(jié)構(gòu)的垂直重力。本文針對高速公路某改擴建工程，研究路基碎石排水層性能并結(jié)合數(shù)值模擬，分析其在實際擴寬路基中所發(fā)揮的作用并評價其效果。

2 路基碎石排水層級配試驗

本試驗碎石排水層以31.5mm作為最大粒徑，采用4.75mm作為粗、細(xì)集料的分界點。試驗采用基于體積的填充系數(shù)法設(shè)計粗集料，使粗骨料形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，而通過毛細(xì)水試驗確定2.36mm及以下的細(xì)集料的級配。最終尋找出既能隔斷毛細(xì)水又擁有盡可能大的密度的級配曲線。

集料最大粒徑31.5mm，公稱最大粒徑26.5mm，4.75mm為粗、細(xì)集料的分界點。對粗骨料作如下填充試驗:

2.1 測定4.75mm及其以上各檔粒徑石料的毛體積密度，如表1所示：

2.2 保證每次試驗的總質(zhì)量相同、分別以不同的比例取26.5mm和19mm的石料進(jìn)行試驗，并記26.5mm的質(zhì)量為M1，19mm的質(zhì)量為M2;

2.3 將稱好的兩檔集料從與從混合均勻分三層裝入干搗筒內(nèi)，每層以相同力度均勻插搗30下。保證最上層集料上表面水平，在干搗筒十字對稱處分別量取集料上表面距離擊實筒上邊緣的高度，計算其平均值，得到搗實后集料所占總體積V。按下式(1) 計算出混合集料的搗實密度 。

=（M1+M2）/ V （1）

上式中: 為混合料的搗實密度(g/cm3); M1和M2分別是兩檔粒徑的質(zhì)量;V為搗實后集料的總體積。然后再按下式(2)計算空隙率W。

（2）

上式中:W是搗實后混合料的孔隙率(%); 1和 2分別是兩檔料的毛體積密度。

2.4 建立集料之間不同比例與搗實密度、空隙率之間的關(guān)系，確立這兩檔粒徑石料之間形成骨架結(jié)構(gòu)的最優(yōu)組成比例。

2.5 以確定的比例為準(zhǔn)，將26.5mm與19mm。兩檔石料作為第一級填充料，以同樣的步驟1-4研究26.5mm、19mm與16mm的比例關(guān)系，并將其作為二級填充料;以此類推，最終確定26.5mm、19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm各檔形成骨架時的最優(yōu)比例。

第一級填充試驗，以不同的比例取單一粒徑的26.5mm和19mm的材料，使兩者的總質(zhì)量為5kg。參考《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中級配碎石的級配范圍，選取2:8、3:7和4:6三個不同比例，.進(jìn)行試驗結(jié)果如表2所示:

通過以上的填充法試驗，4.75mm以上的粗集料將會形成空間骨架結(jié)構(gòu)，且具有約37%的孔隙率。保證4.75mm及以上各檔粗集料在總量中比例不變，形成穩(wěn)定的空間骨架結(jié)構(gòu)前提下，如果填充的細(xì)集料充滿骨架孔隙，就會形成骨架—密實結(jié)構(gòu)，擁有足夠大的強度;如果減少細(xì)集料的含量，那么就沒有足夠的細(xì)料來填充骨架間的孔隙，就會形成骨架—孔隙結(jié)構(gòu)，從而具有優(yōu)異的排水性能為了找到既能隔斷毛細(xì)水又具有足夠強度的級配，是通過調(diào)整2.36mm及以下各檔細(xì)集料的含量來實現(xiàn)。現(xiàn)保證4.75mm以上骨架結(jié)構(gòu)不變，經(jīng)過調(diào)整2.36mm篩孔及以下各檔細(xì)料的含量，可以得到如圖1級配曲線。

對三種級配進(jìn)行擊實實驗，得到級配A的密度大致為2.289/cm3，孔隙率為11.9%;級配B的密度大致為2.229/cm3，孔隙率為173%;級配C的密度大致為2.16g/cm，，孔隙率約為23.5%。可見，級配A為骨架密實結(jié)構(gòu)，級配B與級配C均為骨架孔隙結(jié)構(gòu)。

3 路基碎石排水層數(shù)值模擬

借助SEEP/M軟件對水在碎石層中的毛細(xì)上升進(jìn)行模擬。模型仍采用簡單的平面二維模型，參考之前的室內(nèi)試驗結(jié)果取模型高度為lm，寬度為0.2m。共劃分了160個四邊形網(wǎng)格，含有243個節(jié)點。由于水在碎石與水在土中的毛細(xì)性能存在較大差異，所以不能直接將模型底部邊界條件設(shè)置為10m水頭邊界。參考實驗室內(nèi)碎石試件試驗結(jié)果，并從安全考慮，取底邊界的水頭高度為lm。由于在碎石集料中，毛細(xì)水到達(dá)最大高度時間較短，所以直接采用穩(wěn)態(tài)模擬。最終得到的模型如圖2所示。

通過數(shù)值模擬級配A的最終毛細(xì)高度達(dá)到了0.42m，高于室內(nèi)試驗最終毛細(xì)高度0.28m。這主要由于試驗儀器限制，碎石的壓實度相對較低，加之可能在成型時裝料的不均勻，都會使毛細(xì)水上升高度降低。

級配B的最終毛細(xì)上升高度達(dá)到了約0.39m，低于級配A的0.42m。由級配B粒徑較級配A偏粗，所以其含水量隨高度變化曲線表現(xiàn)更加陡直。

級配C的最終毛細(xì)上升高度達(dá)到0.3m，較級配B來說，毛細(xì)水的最終高度下降較明顯，這是由于級配C是在級配B的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少2mm以下細(xì)料含量并剔除0.6mm以下的細(xì)集料，所以最終毛細(xì)水上升高度下降更明顯，同時也說明在碎石材料中毛細(xì)水升高度受細(xì)集特別是2.36mm以下影響較大。

通過SEEP/W對三種不同級配的碎石層模擬表明，隨著級配的變粗碎石層中水的毛細(xì)高度逐漸降低也就是其隔水性能逐漸增加，說明碎石層厚度只要大于40cm，就可以滿足阻隔毛細(xì)水的要求，為碎石排水層的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

4 路基碎石排水層施工工藝分析

施工主要參考級配碎石的施工工藝，施工的主要環(huán)節(jié)包括混合料的拌合和運輸、攤鋪和碾壓三個主要環(huán)節(jié)，主要包括:

4.1 碎石混合料的拌合和運輸:建議碎石混合料采用集中場拌法，且必須進(jìn)行抽樣檢驗，包括級配、含水量和均勻性，拌和好的混合料在運輸過程中要防止離析。本課題室內(nèi)試驗為了觀察毛細(xì)水上升，所以集料的擊實成型都采用了干搗法并沒有加水，而在現(xiàn)場工地中，為了保證壓實度，可以均勻噴入少量的水，在最佳含水量下進(jìn)行擊實。

4.2 攤鋪碎石:在路拱整型地段，將車輛運輸來的碎石，按松鋪厚度(約為壓實厚度的1，2倍)一次性均勻鋪在路基上，當(dāng)中有部分較大塊石頭應(yīng)用人工將其打碎，然后用自行式平地機攤鋪，路拱達(dá)到1.5%。

4.3 整型碾壓。平地機攤鋪完成后，進(jìn)行碾壓，壓路機宜先輕后重，先邊緣后中部，對有“狗頭石”狀的石塊無法壓實的，應(yīng)將其打碎或清除，硬壓實度達(dá)到93%以上。碎石壓實后，用碎石土將其封面、灌縫，起到粘結(jié)封面作用，有利于節(jié)約水泥穩(wěn)定砂材料，但封面土以亞粘土為好，含水量必須控制在最佳含水量，過干或過濕都會影響壓實，最佳含水量一般控制在15%左右。

對于級配碎石材料，開始宜先靜壓，使其大體穩(wěn)定并具有一定的密實度;接著宜用弱振、強振，使結(jié)構(gòu)層內(nèi)部密實、減少空隙率;最后采用膠輪碾壓，使結(jié)構(gòu)層從內(nèi)部到表觀更加密實。

5 結(jié)論

本文考慮路基工作區(qū)的基礎(chǔ)上，研究排水層的級配與阻隔毛細(xì)水的性能。采用基于體積填充系數(shù)法對路基碎石排水層的級配進(jìn)行試驗研究，并參考規(guī)范中級配碎石的級配范圍，推薦了不同的級配組成; 數(shù)值模擬結(jié)果顯示級配C比級配B降低毛細(xì)水上升高度的效果更明顯，表明水在碎石中的毛細(xì)上升高度受2.36mm以下細(xì)集料影響更大。

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