天然級配砂礫在高填方路基工程中的應用

王曉飛

中鐵十六局集團第四工程有限公司（101400）

天然級配砂礫在高填方路基工程中的應用

王曉飛

中鐵十六局集團第四工程有限公司（101400）

通過分析天然級配砂礫的材料性能及北京市懷柔區小泉河分洪渠工程深基坑高填方路基施工質量控制中的問題，對天然級配砂礫在高填方路基工程中的應用進行了探究。

天然級配砂礫；高填方路基；材料；質量控制

0 引言

隨著現代科技的發展，我國一些城市大型建筑和復雜的交通道路，如雨后春筍一般快速地發展起來，并且這種趨勢還有增無減。但是，在這種發展的背后,也存在著一些復雜的施工難題,例如，在氣候和地理環境相當復雜的地區進行施工，針對復雜地段高填方路基開始大量的出現。

高填方路基相對一般路基而言，具有填料用量大、填筑高度大、填筑斷面面積大、路堤本身累計沉降大、穩定性需進行專門分析和驗證等特點，因此，高填方路基施工中填料的選擇尤為重要，既要考慮填料在高填方路基工程中的適用性，又要考慮填料的經濟價值。北京市懷柔區存在著豐富的天然級配砂礫資源，因此，在懷柔區高填方路基工程中，天然級配砂礫自然成為優先選用的路基理想填料。在就地取材的前提下，儲量豐富的天然級配砂礫得到了充分利用，為當地經濟帶來發展。

然而，天然級配砂礫質量不均勻，材料性能復雜，應用到高填方路基中道路也不穩定，同時，高填方路基施工難度大，施工工藝以及施工質量難以控制，極大地影響了高填方路基的質量。反映天然級配砂礫材料性能的主要是材料級配和材料強度，而施工中質量控制的幾個重要問題，分別是材料的顆粒級配、最大粒徑、含水量、施工碾壓壓實度等。

1 天然級配砂礫的材料性能

1.1 天然級配砂礫的作用機理

天然級配砂礫是由大量單個顆粒組成的砂礫石，它的物理性質介于固體與流體之間，它的顆粒易滑動，從而會對維護面產生一定的壓力。砂礫屬于沉積巖中的陸源碎屑巖，在壓實過程中，細顆粒填入到粗顆粒的空隙中，使路基密實度增加，在經大噸位壓路機的振動碾壓后，天然級配砂礫的粗細顆粒彼此緊密鑲嵌，提高路基強度，減小空隙率，增加路基使用過程中的強度和穩定性。

1.2 天然級配砂礫的級配

級配是天然砂礫粒徑顆粒的分配情況，良好的級配是指粗顆粒的空隙恰好由中顆粒填充，中顆粒的空隙恰好由細顆粒填充，如此逐級填充使天然砂礫形成最致密的堆積狀態,空隙率達到最小值，堆積密度達到最大值。天然砂礫級配決定著高填方路基碾壓的密實度，碾壓的密實度又直接影響高填方路基結構層的強度和穩定性。大量的碾壓試驗證明：級配不良的天然級配砂礫難以碾壓密實，而級配良好的天然級配砂礫則容易碾壓密實；前者碾壓的強度和穩定性較差,后者碾壓的強度和穩定性較好。天然砂礫石缺乏黏性，容易產生水破壞、冰凍破壞、滲透破壞、松散破壞等現象，合理的級配有助于保證混合料的冰、水穩定性[1]。

1.3 天然級配砂礫的強度

天然級配砂礫屬于無黏性顆粒材料，強度的形成主要來源于顆粒之間的嵌擠密實。所以，天然級配砂礫的強度首先決定于砂礫本身的強度和顆粒組成，其次取決于施工過程中控制的壓實度。

天然級配砂礫高填方路基結構的強度是這樣產生的：砂礫的顆粒之間的聯結能力產生的強度，這種強度比起砂礫顆粒自身的強度一般都要小；外力對它擠壓時，材料承載能力變弱，然后產生破壞，這是因為外力會使得材料顆粒相互發生位移和滑動。雖然材料顆粒自身強度也重要，但由于在松散材料構成的高填方路基的結構強度構成中起決定作用的是顆粒之間的相互黏結能力，通常可以用庫倫公式來表示砂礫石材料構成的路基的抗剪切能力。庫倫公式表示為：

τ=с+σtanφ

其中，τ為抗剪強度，σ為滑動面上法向應力，φ為內摩擦角，tanφ為內摩擦系數，с為黏性土的內聚力，σtanφ為摩擦強度。

由此看來，砂礫石材料構成的路基結構強度是由材料內部顆粒之間的相互摩擦決定了顆粒間的聯結能力。砂礫石材料剪切面上的應力和其內摩擦角主要決定了它的抗剪強度，它的強度是按相互嵌入并且擠壓的原理產生的。

以下因素影響著天然級配砂礫在高填方路基抵抗剪切力的強度：

一是天然級配砂礫顆粒表面的相互滑動摩擦；二是砂礫因剪切時體積膨脹而克服的阻力；三是因砂礫顆粒破碎與重新排列而受到的阻力[2]。

2 天然級配砂礫在高填方路基施工中質量控制與防治

天然級配砂礫在高填方路基施工中，存在三個問題直接影響到施工的質量：第一個是材料本身的顆粒級配情況，第二個是材料在填筑過程中的含水量，第三個是施工時的碾壓工藝、方法。

2.1 材料顆粒級配

天然級配砂礫因為不是人工或機械摻和的級配，而是天然級配，所以料源質量不穩定，有可能出現較差的情況。顆粒級配較差的天然級配砂礫容易出現以下現象：礫石顆粒過多過大，即含有過多的直徑大于100 mm的巨粒卵石或砂礫；礫石顆粒過少過小，即粒徑大于2 mm的顆粒質量未達到總質量的50%。級配就意味著大小顆粒相互匹配，小一級的顆粒填充大一級顆粒的空隙，使顆粒間嵌擠緊密、空隙率小、密度高、穩定性好，所以使用級配良好的天然級配砂礫能較好地提高高填方路基結構的質量。

在懷柔區小泉河分洪渠工程深基坑高填方路基施工前，對天然級配砂礫料源進行了考察。考察發現,懷柔地區的天然級配砂礫各級顆粒比較均勻，但其中含有部分顆粒粒徑超過100 mm的卵石。為解決這一問題，通過在自卸車上加焊10 cm×10 cm鋼筋網片形成篩網的方法，有效地控制了天然級配砂礫的最大粒徑，并且對天然級配砂礫進行了大量的取樣篩分試驗。試驗結果表明，懷柔地區的天然級配砂礫級配良好，可用于深基坑高填方路基工程中。

然而，在懷柔區小泉河分洪渠深基坑高填方路基施工過程中的一些施工因素也改變了天然級配砂礫的顆粒情況。材料卸車和機械攤鋪使砂礫粗、細料離析，表現為粗細集料集中，攤鋪后，出現梅花狀,即砂礫集中。粗、細料離析的級配砂礫，梅花狀部分空隙率大，不密實，嵌擠力小；砂窩部分松散，不穩定，會影響高填方路基的填筑質量。為避免施工因素的影響，施工過程中采取了以下措施進行質量控制：在天然級配砂礫攤鋪過程中，將粗、細料拌合均勻，無粗、細料分離現象。在碾壓過程中若發現有梅花狀、砂窩存在，就將梅花狀部分、砂窩部分分別挖出，摻入砂或礫石翻拌，翻拌均勻后再進行填筑、碾壓。如此控制，使天然砂礫達到級配均勻、密實。

2.2 材料的含水量

天然級配砂礫屬于無黏性粗粒土。在級配良好的條件下，當材料含水量為零時，干密度值較大；稍增大含水量，干密度反而減小；但隨著含水量的繼續增大，干密度過了最低值后又逐漸增大，這是無黏性粗粒土獨有的特征。出現這種特征的原因主要是無黏性粗粒土較粗，細顆粒也呈砂性，顆粒之間黏結力趨于零。當含水量為零時，在外力作用下，大小顆粒易于相互填充，形成較高的密度；當稍加水后，顆粒表面形成一層薄膜水，增大了分子引力，顆粒間形成了似黏結力，因而不易壓實，干密度較小；以后隨著含水量的增大，水膜增厚，水分子引力逐漸減小，以至消失，同時還在顆粒間起潤滑作用，減小了摩擦阻力，顆粒在外力作用下易于移動和相互填充，可達到較高的密度值。

由于天然級配砂礫自身顆粒粗，透水性強，具有自由排水能力，難以保持水分，因此很難達到最佳含水量。懷柔區天然級配砂礫的天然含水率在2%～3%，通過表面振動擊實法試驗，其最大干密度為2.273 g／cm3，在小泉河分洪渠深基坑高填方路基施工過程中，選定了路基試驗段，按相同的碾壓方式，對天然級配砂礫不同含水量的壓實度進行了試驗檢測，試驗結果如表1。

表1 天然級配砂礫不同含水量的壓實度

從表1可以看出，天然級配砂礫的含水量在4%～6%時，其壓實效果比較好。在施工過程中，若填料含水量偏高,則采用翻曬法降低填料含水量；若填料含水量偏低，則采用灑水車灑水，提高填料含水量。通過對天然級配砂礫填料含水量的控制，有效地保證了深基坑高填方路基的填筑質量。

2.3 施工碾壓工藝、方法

天然級配砂礫高填方路基結構的強度主要來自于對松散砂礫進行碾壓的壓實度。高填方路基的填方荷載較大，為了盡可能減小填筑體本身的壓縮變形，提高其密實度是減小填筑體本身變形的直接手段。施工過程中，如果天然級配砂礫填料的攤鋪厚度過大、碾壓遍數不夠，會造成高填方路基結構整體沉降過大；如果填挖交界處未進行處理，會造成交界處產生不均勻沉降;如果防排水措施不到位，會使高填方路基本體遭水浸泡失穩；如果邊坡刷坡不及時，坡度不夠，會造成邊坡滑坡。這些問題都會影響高填方路基結構的強度和穩定性。因此，在高填方路基施工過程中，要嚴格施工工藝及方法。

懷柔區小泉河分洪渠工程深基坑高填方路基的平均填筑高度在25 m左右，最高處達30 m。填筑施工前，在深基坑坡頂地面設置了不滲水的截水溝，以防止地表水流入基坑內；邊坡坡腳設置了排水溝,以防路堤遭水浸泡。施工過程中，選取了路基試驗段，壓實度采用標高高差控制，確定了壓路機碾壓遍數及天然級配砂礫的松鋪系數。天然級配砂礫按照分層攤鋪、分層碾壓的方法，每層攤鋪采用網格放樣，統一采用車輛運輸，根據厚度確定用量。網格橫向寬度為4 m，縱向寬度為10 m，擬定松鋪厚度為30 cm，使用白灰在作業面將網格繪出，沿網格邊線每隔8 m布設一根鋼筋掛線，嚴格控制填料厚度，使填料厚度控制在30±2 cm以內。填料攤鋪整平使用推土機，人工掛線配合找平，保證控制層面無顯著局部凹凸。碾壓按照先邊后中、先輕后重、先慢后快、先靜后振、先弱后強的原則，重疊碾壓。錯輪寬度對振動壓路機不小于壓實輪的1/2，路堤每邊寬度超填50 cm，碾壓達到無漏壓、無死角，按路基試驗段確定的碾壓遍數進行碾壓,無明顯輪跡。

填料壓實度檢測采用灌水法，試驗坑直徑為30 cm，檢測頻率為每填筑1 000 m2檢測3點，每層填料碾壓完成后，及時進行壓實度試驗檢測，檢測合格后方允許填筑上一層。在填挖交界處采用挖臺階法搭接，從填方坡腳向上挖成向內傾斜的臺階，坡度為2%，臺階寬度不小于2 m，并在搭接處鋪設三向土工格柵。填筑過程中，路堤每層填筑向排水溝方向做成坡度不小于3‰的橫坡，以防雨季施工時路堤頂面積水。路堤每填筑1 m進行邊坡整修，測量放樣后對坡面刷坡清理，坡度檢驗合格后，采用漿砌片石進行邊坡防護。施工碾壓壓實度合格后，每填筑1 m鋪設一層三向土工格柵，每填筑1.5 m采用藍派式沖擊碾壓壓實機碾壓20遍進行沖擊補強壓實，提高路基整體的強度和穩定性。施工過程中還應建立觀測點網，路基每填筑一層進行一次沉降監測和水平位移監測,對路基的穩定性進行分析。通過以上施工工藝及方法進行施工質量控制，有效地保證了小泉河分洪渠工程深基坑高填方路基的填筑質量。

3 結論

按照科學的施工工藝及方法，級配良好的天然級配砂礫應用于高填方路基工程中，能夠有效地提高高填方路基本體的強度和路基整體的穩定性，從而提高了高填方路基的使用性能。

[1]JTGF 10-2006,中交第一公路工程局有限公司.公路路基施工技術規范[S].北京：人民交通出版社,2006.

[2]JTGE 40-2007,交通部公路科學研究院.公路土工試驗規程[S].北京：人民交通出版社,2010.