砂礫石土路基施工的質量控制與檢測方法

【摘 要】砂礫石土作為路基填筑材料，填筑的路基具有抗剪強度高、透水性強、整體剛度大等工程特性，是一種比較優良的路基填筑材料。文章結合湖南東常高速公路試驗段路基工程，針對沿線存在豐富的砂礫石土材料，主要采用室內試驗和現場測試方法，開展砂礫石土混合料作為路基填料的研究與應用。對砂礫石土工程力學性質、壓實機理、施工工藝及檢測方法等進行了系統的研究。可為同類路基的設計施工檢測提供借鑒作用，具有廣泛的推廣應用前景。

【關鍵詞】路基工程；砂礫石土；試驗段；施工工藝；檢測方法

1、工程概況

湖南東常高速公路沿線分布有大量的砂礫石土，若能恰當的將砂礫石土運用于此工程作為路基填料，做到就地取材，對于節約項目投資，減少占用當地耕地，保護當地的生態環境，實現可持續發展具有重要意義。本次試驗以該工程RY-DB3和RY-DB4施工標段為試驗段，每個試驗段取100m，砂礫石土攤鋪厚度采取松鋪厚度為40cm和30cm兩種方案進行試驗段施工。試驗段路基的平均寬度為52.8m，松鋪厚度左幅40cm，右幅30cm。砂礫石土填筑平均寬度為47.8m，左幅寬19.9m，右幅寬27.9m，包邊土寬度為2.5m，共計需要砂礫石土1959.6m3，包邊土210m3。

2、室內基本性質試驗

2.1 顆粒分析試驗

砂礫石土為粗顆粒填料，與細顆粒土不同，級配達到一定要求后才能達到較好的填筑效果，選取5個不同位置的土樣進行顆粒分析，顆粒級配曲線如圖1所示，從級配曲線可以看出，如以5mm粒徑作為粗細顆粒的分界點，不同位置處填料的粗顆粒含量不同，砂礫石土填料的粗顆粒含量從試樣1的45.9%到試樣5的71.4%不等，除試樣1外，其他4個試樣粗顆粒含量均在50%以上，粗顆粒含量跨度較大，達到35.5%，說明砂礫石土填料的顆粒離散性。分析砂礫石土級配曲線，根據求得的不均勻系數Cu和曲率系數Cc可以看出，除試樣3曲率系數為3.66，稍大于3以外，其他試樣的曲率系數在1～3之間，不均勻系數均大于10，說明砂礫石土填料級配良好。從級配曲線中還可以看出，級配曲線較平緩，初步判斷可以得到較好的壓實。同時，砂礫石土的最大粒徑達到60mm以上，最小粒徑小于0.075mm，粒徑跨度極大，雖然從篩分曲線中得出級配良好，由于粗細顆粒懸殊，極易造成粗細顆粒離析，因此現場需加強填料監測，確保填料級配符合要求。

圖1 顆粒級配曲線

2.2最大干密度試驗

由篩分試驗得到砂礫石土的顆粒級配，依據已有研究成果，砂礫石土的最大干密度必須考慮粗顆粒與細顆粒的含量之比，為了更好地評價現場填料的現狀，室內試驗設計的粗顆粒含量分別為20%、40%、60%、70%、80%，采用重型擊實試驗方法，剔除填料中最大粒徑大于40mm部分，根據公路土工試驗規程中的換算公式得到原級配的最大干密度，試驗結果見圖2和圖3，砂礫石土的最大干密度隨著粗顆粒含量的增加出現先增大后減少的現象，粗顆粒含量在70%以前，填料的最大干密度隨著粗顆粒含量的增加而增大，但粗顆粒含量在60%以前，砂礫石土的干密度增長比較緩慢；當粗顆粒含量在60%～70%之間時，砂礫石土隨著粗顆粒含量的增多密度迅速增大。分析認為，此時粗細顆粒相互填充、膠結，相應的密度增大，粗顆粒含量繼續增加，大顆粒之間形成明顯的骨架沒有足夠的細粒料填充空隙，出現明顯的空隙，從而導致密度下降，孔隙率增大。砂礫石土的最優含水率隨著粗顆粒含量的增大而減小，粗顆粒含量小于40%時，最優含水率減小比較緩慢；含量為40%～60%時減小較快；當粗顆粒含量大于60%后最優含水率又趨于平緩。分析認為，隨著粗顆粒含量增加，試樣總的比表面積較少，擊實過程中，水起到潤滑作用，顆粒比表面積減少，需要的水相應減少。

圖2 最大干密度與粗顆粒含量關系

圖3 最優含水率與粗顆粒含量關系

2.3承載比試驗

加州承載比試驗是由美國加利福尼亞州公路局首先提出來的，通常簡稱CBR（californiabearingratio）試驗，是一種評定材料承載能力的試驗方法。國外多采用CBR值作為路面材料和路基土的設計參數，我國路基設計規范中對CBR值也有具體的規定。運用章節3.2中的擊實試驗結果，對砂礫石土填料在粗顆粒含量分別為20%，40%，60%，80%下進行承載比試驗。當粗顆粒含量為60%時考慮了不同擊實次數成型下的CBR值，試驗結果如圖4、5所示。從曲線可以看出，在擊實次數保持不變，即擊實98次時壓實度達到100%且泡水4d時，CBR值隨著粗顆粒含量的增加而增加；粗顆粒為20%時，試樣的CBR值較小，與普通細顆粒土相當；當粗顆粒含量達到40%時，試樣的CBR值較試樣A增加1倍左右，達到17.24%；粗顆粒含量繼續增加到60%，試樣的CBR值出現快速增加的趨勢，增加幅度明顯加快，達到61.95%；隨著粗顆粒含量的繼續增加，CBR值繼續增加，但變化緩慢，當粗顆粒含量達到80%時，CBR值達到63.91%。從路基填筑要求考慮，上述粗顆粒含量均能滿足要求。從CBR隨擊實次數關系曲線可以看出，隨著擊實次數的增加，砂礫石土的CBR值增加，經過計算，擊實30次后砂礫石土的壓實度達到95%，擊實50次壓實度達到97%。由此可見，當粗顆粒含量為60%時，路基在上述壓實度情況下，CBR值均能滿足要求。

圖4 CBR值與粗顆粒含量關系

圖5 CBR值與擊實次數關系

3、現場碾壓試驗

碾壓之前，現場對砂礫石土進行篩選，填料最大粒徑控制在松鋪厚度的2/3，對粒徑大于100mm部分進行剔除。同時，取樣做天然含水率實驗，砂礫石土在含水率為5.5%時進行碾壓，由于砂礫石土為無黏性粗顆粒土，粗顆粒含量達到一定值后，粗顆粒之間形成點-點接觸，細顆粒填充在粗顆粒形成的骨架之中，若只采用靜力壓實，只能增加路基中的應力，粗顆粒之間相對位置變化不大，達不到減小顆粒間阻力的作用。而振動壓實對于砂礫石土路基兼有增加應力與減少阻力的雙重優勢，砂礫石土在振動荷載作用下，粗顆粒經平動、轉動達到更加穩定的位置，減少了粗顆粒之間形成的空隙，已有研究成果表明，碾壓噸位越大，碾壓速度越慢，振幅越大，壓實效果越好。當振動頻率接近填料的固有頻率時，更容易壓實，一般粗粒土的固有頻率為30～50Hz。經過對比分析，碾壓時采用振動壓路機，工作質量為22000kg，壓路機的額定功率為128kW，振幅在2.1mm檔，頻率使用32Hz檔。先穩壓1遍，再振動碾壓4遍，碾壓時往返為1遍，壓路機碾壓速度為1.5～1.8km/h。

本次砂礫石土路基填筑試驗主要依靠路基壓實沉降量來檢測，施工成型后，采用二等水準測量每層填筑前和碾壓后的高程，以此確定每層的填筑高度、各碾壓遍數和碾壓沉降量。在進行壓實沉降的同時，進行了壓實度、CBR、彎沉、回彈模量檢測，比較各種檢測指標的相關性，并驗證采用沉降量控制的可行性，提出沉降量的控制標準。

3.1沉降差檢測法

沉降差檢測方法是指在路基壓實穩定之后，測定壓實層表面的測點在用標準噸位的壓路機械碾壓前后的高度差，以此來評定路基壓實質量的方法。這種方法認為，一定荷載作用下壓實層頂面的沉降量穩定或小于某一范圍時即說明路基壓實到了密實狀態。大量路基現場施工實踐已經證明，沉降差檢測的結果具有很好的規律性，本次試驗得到的數據如圖6、7所示。由圖可以看出，沉降量隨著碾壓遍數的增加而減少，不同測點在前3遍碾壓時沉降差相差較大，松鋪厚度為40cm時碾壓的沉降量比松鋪厚度30cm的沉降量大，碾壓5遍后的總沉降量也較松鋪厚度30cm的大，說明松鋪厚度30cm比40cm碾壓效果好，砂礫石土混合料在碾壓2遍后沉降量仍然較大，且各點沉降不穩定，需要繼續碾壓，碾壓3遍后的沉降量較碾壓2遍沉降量穩定，碾壓4遍后多數點的沉降量穩定在4mm以內，說明此時路基已經達到較高的壓實度，但繼續碾壓5遍后有少部分點的沉降差為負值，說明路基出現了回彈，初步判斷碾壓遍數4遍為宜。

圖6 松鋪厚度30cm時沉降差

圖7 松鋪厚度40cm時沉降差

3.2 壓實度、CBR、彎沉檢測

為了驗證章節4.1提出沉降差檢測的可行性，對兩種松鋪厚度下的砂礫石土在碾壓4遍后，進行了砂礫石土的壓實度、CBR、彎沉值、回彈模量檢測，采用灌砂法檢測試驗段的壓實度，采用動力圓錐貫入儀（DCP）進行加州承載比（CBR）檢測，運用手持式落錘彎沉儀（PFWD）進行路基彎沉值和回彈模量檢測，檢測結果見圖8、9。圖中，規定值壓實度為96%，CBR為8%，彎沉值為1.5mm，回彈模量為40MPa，因最大干密度非固定值，隨粗顆粒含量而變化，本次壓實度計算采用粗顆粒含量為60%時的最大干密度。從圖中還可以看出，上述兩種松鋪厚度下，壓實度與規定值的比值多數都在水平直線y=1上方，少部分在該直線下方，即壓實度小于96%，各測點壓實度不同的主要原因是不同測點處的顆粒級配并不一樣，因此各測點的最大干密度不同，統一采用粗顆粒含量為60%時的最大干密度，必然存在一定的誤差，故采用壓實度指標并不能很好的反映壓實效果，且灌砂檢測法費力費時，屬于破壞性檢測，試坑需要再壓實。使用DCP測得的CBR值全部大于規定值，說明砂礫石土的強度較高。但現場測得的CBR值小于室內試驗測得值，主要是兩種試驗方法級配組成不同引起的，從曲線可以看出，CBR數據離散，沒有明顯的規律，最大值達到規定值的5.36倍，最小值為1.84倍，數據表明，DCP用于砂礫石土的壓實檢測有一定的參考價值。PFWD作為一種新型路基檢測設備，具有攜帶方便、操作簡單、數據準確等優點，從PFWD測得的數據可以看出，除松鋪厚度30cm中的20號點外，碾壓4遍后的彎沉值與規定值的比值均小于1，回彈模量與規定值的比值均大于1，說明路基碾壓4遍后后彎沉值小于規定值，回彈模量大于規定值，滿足彎沉和回彈模量的要求，由于彎沉值與回彈模量成反比關系，故圖中彎沉值與回彈模量有較好的對應性。

圖8 30cm松鋪厚度檢測數據

圖9 40cm松鋪厚度檢測數據

3.3沉降差檢測標準值的確定與評價

前述各項檢測指標中，均表現出一定的數據離散型，這是砂礫石土作為路基填料的重要特性，是砂礫石土填料的不均勻性造成的。不同位置處的顆粒級配、粗顆粒含量、最大粒徑均不同，為了更好地評定砂礫石土路基的壓實程度，需要確定沉降差檢測的標準值，將現場實測的結果與標準值比較，以判斷是否需要繼續碾壓，但現場不可能檢測每一個點，同時不能保證所有檢測點的沉降差都小于標準值。從統計學的觀點考慮，碾壓前后的沉降差數據應服從正態分布，對碾壓4遍后48個沉降差觀測數據進行分析，樣本的平均值μ=3.234，樣本的標準方差σ=0.878，單個值的單側波動區間為μ+2σ=4.99，擬定沉降差標準值為5mm。假設檢驗是數理統計學中根據一定假設條件由樣本推斷總體的一種方法，基于統計學中的2σ未知時的顯著性假設檢驗模型，可作假設H0：μ>μ0，H1：μ≤μ0，顯著性水平α=0.05，引進統計量T：

（1）

式中： 為樣本均值；μ為總體均值；μ0為沉降差檢測標準值；S為樣本標準差；n為樣本數。

H0的拒絕域為T≤?tα（n-1），其中tα（n-1）為自由度為n?1的t分布的上側α分位點，由α=0.05及自由度n?1=47查表得tα（n-1） =t0.05（47）=1.6779，由樣本數據得 =3. 234，