江漢平原填砂路堤大厚度填筑壓實(shí)參數(shù)試驗(yàn)研究*

王文濤 董華均 羅 蓉 金 露 曾 偉 馮光樂

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北長(zhǎng)江路橋股份有限公司2) 武漢 430212)(湖北省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督局3) 武漢 430014)

江漢平原填砂路堤大厚度填筑壓實(shí)參數(shù)試驗(yàn)研究*

王文濤1)董華均2)羅 蓉1)金 露2)曾 偉2)馮光樂3)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (湖北長(zhǎng)江路橋股份有限公司2)武漢 430212)(湖北省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督局3)武漢 430014)

針對(duì)江漢平原修建高速公路所面臨的軟基廣泛分布、長(zhǎng)江青砂資源豐富等特點(diǎn)，提出了填砂路堤大厚度填筑技術(shù)方案，砂料松鋪厚度可由規(guī)范要求的30 cm提升至70 cm.通過現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，并分3層檢測(cè)砂料全厚度壓實(shí)度，對(duì)比了3種不同碾壓試驗(yàn)方案的壓實(shí)效果及其均勻性，從中得出最佳壓實(shí)參數(shù).大厚度填筑技術(shù)相較于傳統(tǒng)厚度填筑技術(shù)，在確保工程質(zhì)量的前提下，可大幅度節(jié)省工期.

道路工程；碾壓工藝；大厚度施工；填砂路堤；江漢平原

0 引 言

在江漢平原修建高速公路會(huì)遇到路堤填料短缺、軟基工后不均勻沉降、工期特別緊張等問題，若處理不好，會(huì)導(dǎo)致通車后路面病害較多.長(zhǎng)江流域青砂資源非常豐富，由于砂料充分密實(shí)后幾乎沒有工后沉降，因此填砂路堤廣泛應(yīng)用于江漢平原.

當(dāng)前對(duì)于填砂路堤的研究，國(guó)內(nèi)主要側(cè)重適用于特定地區(qū)環(huán)境的吹填砂、風(fēng)積砂、河砂等路堤填砂工藝方面[1-5]，并未針對(duì)江漢平原區(qū)域特征和長(zhǎng)江青砂特點(diǎn)展開相應(yīng)路堤填筑工藝的深入研究[6].江漢平原是典型的軟土地基大范圍分布地區(qū)，所修建高速公路通常由于需要進(jìn)行軟基預(yù)壓處理，而導(dǎo)致填砂路堤工期十分緊張.目前我國(guó)尚無專門針對(duì)填砂路堤的規(guī)范，砂料填筑松鋪厚度仍按填土30 cm控制[7]，這對(duì)于較大填高的路堤填砂工程來說，已不能滿足實(shí)際工期的需要.據(jù)此，文中依托潛江至石首高速公路工程，針對(duì)項(xiàng)目工期緊張、全線軟基的特點(diǎn)，提出大厚度填砂路堤技術(shù)方案(松鋪厚度可達(dá)70 cm)，并通過開展現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，總結(jié)出適合江漢平原特點(diǎn)的大厚度填砂路堤壓實(shí)參數(shù)，從而達(dá)到在確保工程質(zhì)量前提下加快施工進(jìn)度目的.

1 工程概況

潛江至石首高速公路潛江至江陵段起于潛江市浩口鎮(zhèn)以西與漢宜高速(武漢至宜昌)交叉，對(duì)接石首長(zhǎng)江公路大橋北岸接線，全長(zhǎng)42.283 km.項(xiàng)目全線軟基，為沖湖積軟土，分布狀況以流塑狀淤泥和淤泥質(zhì)土為主，平均厚度5.76 m，平均埋深1.01 m.其中，江陵段全長(zhǎng)21.54 km，緊鄰長(zhǎng)江，采用青砂進(jìn)行路堤填筑，平均填筑高度達(dá)5 m.

2 長(zhǎng)江青砂工程性質(zhì)

2.1 顆粒組成

長(zhǎng)江青砂具有偏細(xì)、少量含泥的特點(diǎn)[8-9].潛石高速為控制路堤青砂填筑質(zhì)量，要求砂料含泥量不宜大于8%且細(xì)度模數(shù)不得低于0.3.

選取填砂路堤大厚度填筑試驗(yàn)段某填筑層所用長(zhǎng)江青砂進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn).試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，算得青砂試樣細(xì)度模數(shù)為0.53.試驗(yàn)測(cè)得試樣天然含水率為9.3%，含泥量為3.6%，滿足施工要求.

表1 青砂顆粒組成

2.2 擊實(shí)特性

對(duì)青砂試樣按照土工試驗(yàn)規(guī)程要求[10]進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，預(yù)加初始含水率13%,15%,17%,19%,21%.擊實(shí)曲線見圖1，砂料的最大干密度為1.60 g/cm3，最佳含水率為16.9%.

圖1 砂料擊實(shí)曲線

2.3 CBR值

當(dāng)壓實(shí)度為93%時(shí)，干密度為1.49 g/cm3，

CBR值為3.3%；當(dāng)壓實(shí)度為94%時(shí)，干密度為1.50 g/cm3，CBR值為3.7%；當(dāng)壓實(shí)度為96%時(shí)，干密度為1.54 g/cm3，CBR值為5.2%.據(jù)此，試驗(yàn)結(jié)果滿足文獻(xiàn)[11]對(duì)下路堤填料CBR值不小于3%的要求.

3 大厚度填砂路堤現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)段概況

圖2為大厚度填砂路堤斷面圖，試驗(yàn)段軟土地基采用砂墊層欠載處理，鋪設(shè)無紡?fù)凉げ己屯凉じ駯藕螅苯愉佋O(shè)50 cm砂卵石層，并設(shè)置2%橫坡，形成橫向排水通道.坡腳處采用袋裝砂礫石碼砌，以方便水體排出.砂芯部分按照松鋪厚度70 cm分層填筑，并采用4%石灰土包邊，防止砂料失水后坍塌.路床部分直接采用毛渣填筑，在提高路堤剛度的同時(shí)還可以節(jié)省工程造價(jià).路面寬度26 m.

圖2 大厚度填砂路堤斷面圖(單位:cm)

大厚度填砂試驗(yàn)段開展所需施工機(jī)械包括220 kW推土機(jī)、16 t裝載機(jī)、1.2 m3挖掘機(jī)、20 t振動(dòng)壓路機(jī)等.

3.2 砂料松鋪厚度及灑水控制

運(yùn)輸車輛將填料運(yùn)送至填砂斷面后，由推土機(jī)、裝載機(jī)將砂料攤鋪至整個(gè)斷面，最后采用平地機(jī)整平.通過測(cè)量砂料攤鋪前、整平后的高程，控制砂料松鋪厚度為70 cm.

采用路堤旁就地打機(jī)井的方式，配合大功率潛水泵，接消防水管對(duì)鋪筑砂料進(jìn)行全斷面連續(xù)注水飽和.灑水結(jié)束后，砂土需要晾曬合適時(shí)間，待水充分下滲且砂料表層達(dá)到最佳含水率時(shí)，砂土才具有足夠承載力，再開始后續(xù)碾壓工序[12].否則，含水率過大的砂料會(huì)由于承載力不足，容易導(dǎo)致壓路機(jī)等機(jī)械陷輪.砂的晾曬時(shí)間長(zhǎng)短，可以在路堤填砂施工初期，通過開展一系列不同天氣情況下的灑水等待試驗(yàn)確定，以為后期灑水工序提供經(jīng)驗(yàn)性參考，從而加快施工進(jìn)度，確保施工質(zhì)量和安全.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在春季陰天微風(fēng)的條件下，充分灑水后晾曬半天左右，可使得表層砂料達(dá)到最佳含水率.當(dāng)天氣干燥或晾曬時(shí)間過長(zhǎng)而導(dǎo)致表層砂料失水松散時(shí)，可采取人工表層補(bǔ)水的方法使砂料達(dá)到最佳含水率.

3.3 砂料碾壓試驗(yàn)

碾壓時(shí)，要遵循“先輕后重，先慢后快，高頻低幅”的原則，即先通過輕振、慢振使得砂土具有足夠承載力后，再進(jìn)行重振、快振，從而達(dá)到目標(biāo)壓實(shí)效果.

采用裝載機(jī)負(fù)載(約20 t)整幅穩(wěn)壓1遍，使得砂土具有一定承載力后，再開展后續(xù)碾壓試驗(yàn).填砂路堤大厚度試驗(yàn)段的碾壓試驗(yàn)方案見表2.

由表2可知，采用大型單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)靜壓1遍進(jìn)行整平后，分別采用不同碾壓形式(弱振1遍或2遍)進(jìn)行穩(wěn)壓，以使得砂土承載力進(jìn)一步提高，再采用持續(xù)強(qiáng)振作進(jìn)一步壓實(shí)，以此來研究“方案1”和“方案2”中不同穩(wěn)壓形式對(duì)砂土碾壓效果的影響.項(xiàng)目施工隊(duì)在進(jìn)行下路堤填砂工程施工時(shí)，由于經(jīng)常遇到砂土含水率控制不準(zhǔn)確導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)械“陷輪”問題，致使施工隊(duì)采用振動(dòng)壓路機(jī)碾壓施工時(shí)始終只采用弱振，這往往需要碾壓至少8遍以上才能達(dá)到93區(qū)規(guī)范要求壓實(shí)度.因此，本研究將振動(dòng)壓路機(jī)持續(xù)弱振作為“方案3”，與強(qiáng)振方案進(jìn)行效果對(duì)比.采用振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行碾壓施工時(shí)，要求碾壓輪跡重合亦不低于1/3輪寬，碾壓時(shí)行駛速度不超過4 km/h.

表2 填砂路堤大厚度填筑碾壓方案

在采用不同碾壓方式進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，為探究壓實(shí)效果，每一遍碾壓結(jié)束后都進(jìn)行了壓實(shí)度檢測(cè)；同時(shí)，考慮到松鋪厚度達(dá)到70 cm，在去除表層約10 cm松散砂之后，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)都進(jìn)行了全厚度上、中、下3層壓實(shí)度檢測(cè)，見圖3.

圖3 全厚度上、中、下3層壓實(shí)度檢測(cè)

3.4 包邊土碾壓

包邊土的碾壓施工工藝同樣需要事先開展試驗(yàn)段工作，松鋪厚度按照文獻(xiàn)[7]要求30 cm進(jìn)行控制.考慮到砂料每層松鋪厚度較厚(70 cm)，因此每層砂料施工完之后即施工包邊土.在石灰包邊土碾壓完后需要及時(shí)開始養(yǎng)生，一般采用灑水車灑水或者人工灑水進(jìn)行養(yǎng)生，使得石灰土表面保濕養(yǎng)生7d左右.通過現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，確定包邊土碾壓工藝如下：穩(wěn)壓1遍，振壓2遍，收光1遍.對(duì)第一層包邊土壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，壓實(shí)度為96.5%，能夠滿足規(guī)范對(duì)93區(qū)壓實(shí)度要求.

4 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)段下路堤填筑所用青砂進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，得到其最大干密度為1.78 g/cm3，最佳含水率為15.8%.每一遍碾壓結(jié)束后，對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全厚度上、中、下3層壓實(shí)度檢測(cè).

各測(cè)點(diǎn)砂土含水率隨深度變化情況見圖4.由圖4可知，砂料含水率是隨著層厚的加深而不斷增大.其中，表層砂料含水率由于水分蒸發(fā)而略低于最佳含水率，中間層砂料含水率基本維持在最佳含水率附近，底層砂料含水率略大于最佳含水率.

圖4 各測(cè)點(diǎn)含水率隨層厚變化情況

各測(cè)點(diǎn)砂土壓實(shí)度隨層厚和碾壓遍數(shù)變化情況見圖5～6.當(dāng)砂料填筑厚度較大時(shí)，壓實(shí)度的變化趨勢(shì)是由表層20 cm向底層60 cm不斷減小，并且相同層厚測(cè)點(diǎn)的壓實(shí)度隨著碾壓遍數(shù)增多而不斷增大.由此可知，只有底層砂料壓實(shí)度滿足規(guī)范要求，才能確保70 cm鋪厚填砂的施工質(zhì)量合格.

圖5 方案1砂料各測(cè)點(diǎn)全厚度壓實(shí)度變化趨勢(shì)

圖6 方案2砂料各測(cè)點(diǎn)全厚度壓實(shí)度變化趨勢(shì)

圖7 方案3砂料各測(cè)點(diǎn)全厚度壓實(shí)度變化趨勢(shì)

方案1和方案2在進(jìn)行第1遍強(qiáng)振時(shí)，砂土壓實(shí)度增長(zhǎng)幅度明顯加大，說明強(qiáng)振能夠明顯提高填料壓實(shí)度.在剛開始進(jìn)行強(qiáng)振碾壓時(shí)，壓實(shí)度上升幅度隨強(qiáng)振遍數(shù)增多是明顯較大的，但繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)其上升幅度逐漸變緩.當(dāng)強(qiáng)振至第3遍時(shí)，方案1與方案2底層壓實(shí)度分別達(dá)到92.9%和93.2%；當(dāng)強(qiáng)振至第4遍時(shí)，方案1與方案2底層壓實(shí)度分別達(dá)到93.2%和93.5%.因此，方案2略優(yōu)于方案1.

方案3在弱振至第3遍時(shí)，上層20 cm壓實(shí)度達(dá)到93.3%，中層40 cm壓實(shí)度達(dá)到91.7%，而下層60 cm壓實(shí)度達(dá)到90.8%；當(dāng)弱振至第6遍時(shí)，上層20 cm壓實(shí)度達(dá)到93.8%，中層40 cm壓實(shí)度達(dá)到92.8%，而下層60 cm壓實(shí)度仍只有91.9%，且下層60 cm壓實(shí)度并未超過92%，此時(shí)壓實(shí)度上升幅度已放緩，為使得下層壓實(shí)度亦達(dá)到93%的要求，只能繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)，但其上升空間不會(huì)太大，很可能會(huì)維持在92%～93%左右.據(jù)此可認(rèn)為，當(dāng)路堤填筑至93區(qū)以上時(shí)，只采用弱振碾壓，底層壓實(shí)度很有可能達(dá)不到規(guī)范要求.

3種方案碾壓試驗(yàn)結(jié)束后，分別在中樁左、右幅隨機(jī)取點(diǎn)進(jìn)行全厚度壓實(shí)度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)各試驗(yàn)方案最終壓實(shí)效果在相同平面具有良好均勻性，見表3.

表3 不同碾壓試驗(yàn)方案最終壓實(shí)度均勻性對(duì)比

綜合比較3種碾壓試驗(yàn)方案，針對(duì)江漢地區(qū)潛石高速全線軟基、工期緊張的特點(diǎn)，推薦方案2作為大厚度填砂路堤碾壓施工工藝，具體壓實(shí)參數(shù)為：靜壓1遍、弱振2遍、強(qiáng)振4遍、收光1遍.當(dāng)施工至94區(qū)以上時(shí)，將強(qiáng)振碾壓遍數(shù)適當(dāng)增至5～6遍，壓實(shí)度可滿足規(guī)范要求.

5 結(jié) 論

1) 通過現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，對(duì)比了3種不同碾壓試驗(yàn)方案的壓實(shí)效果，從中得出最佳壓實(shí)參數(shù)：靜壓1遍、弱振2遍、強(qiáng)振4遍、收光1遍；當(dāng)施工至94區(qū)以上時(shí)，將強(qiáng)振碾壓遍數(shù)適當(dāng)增至5～6遍，壓實(shí)度可滿足規(guī)范要求.

2) 通過對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)分層檢測(cè)砂料全厚度壓實(shí)度，發(fā)現(xiàn)砂料含水率是隨著層厚的加深而不斷增大，且各試驗(yàn)方案最終壓實(shí)效果在相同平面具有良好均勻性.

3) 當(dāng)砂料達(dá)到最佳含水率時(shí)，先穩(wěn)壓使砂土具有一定承載力后，再逐步進(jìn)行強(qiáng)振碾壓，可避免施工機(jī)械“陷輪”問題，并實(shí)現(xiàn)采用較少壓實(shí)遍數(shù)便可達(dá)到較好的均勻壓實(shí)效果.

4) 采用大厚度填筑技術(shù)進(jìn)行江漢平原路堤填砂施工，可將砂土每層填筑厚度由30 cm提升至70 cm，在保證施工質(zhì)量的前提下，大幅度節(jié)省工期.

5) 根據(jù)本研究關(guān)于穩(wěn)壓方式對(duì)壓實(shí)效果的影響分析，后期可考慮采用8 t或12 t小型振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)松鋪砂料進(jìn)行穩(wěn)壓，預(yù)計(jì)會(huì)有更好的壓實(shí)效果.

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Research on the Compaction Parameters of Sand-filled Embankment Using Larger Thickness Technology in Jianghan Plain

WANG Wentao1)DONG Huajun2)LUO Rong1)JIN LU2)ZENG Wei2)FENG Guangle3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(ChangJiangRoadandBridge,Wuhan430212,China)2)(EngineeringQualitySupervisionBureau,TransportationDepartmentofHubeiProvince,Wuhan430014,China)3)

The study proposes a new technique of highway sand embankment filling in Jiang Han Plain, which can raise the thickness of sand filling layer from 30 cm to 70 cm. Both the degree and uniformity of sand compaction are checked based on the comparison among three compacting proposals carried out on the test field. In addition, the compaction parameters are optimized based on the field tests, which can ensure the quality of sand embankment construction and significantly shorten the construction period.

road engineering; compaction; thicker filling construction; sand embankment; Jianghan Plain

2016-09-26

*湖北省交通運(yùn)輸廳2015年科技項(xiàng)目資助(2014-721-2-6)

U415.6

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.012

王文濤(1989—):男，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈缆饭こ獭⒙访娌牧?/p>