省道汾屯線改建工程土石混填路基壓實與檢驗分析

安文明

（山西交通建設監理咨詢集團有限公司，山西 太原 030012）

與土方路基相比，土石混填路基壓實質量不能采用灌砂法確定，通常采用沉降觀測法控制。以往的研究中，有些學者采用沉降率、孔隙比和干密度等指標作為路基壓實質量控制指標，并取得了一定的研究成果[1]。基于S222省道汾屯線改建工程實踐，鋪筑試驗段對松鋪厚度為40 cm、60 cm和80 cm的路基，分別在碾壓遍數為 2、4、6、8、10 時，檢測路基沉降率、干密度、孔隙比指標，并分析各指標與壓實質量之間的關系，分析確定最佳路基壓實質量控制指標，為控制土石混填路基施工質量提供保障。

1 工程概況

本項目為S222省道汾屯線沁源松羅至上灘段改建工程，起訖里程為K88+700—K96+028.713（其中斷鏈34.262 m），道路全長7.294 km。全線采用二級公路標準建設，設計速度60 km/h，路基寬度12 m，面層寬11 m，兩側設水泥混凝土路緣石2×0.5 m；途徑黃土坡隧道 K91+430—K92+590，長1 160 m，隧道建設限界采用11×5 m。

公路路堤設計采用土石混填施工，分層攤鋪，分層壓實，施工中嚴格控制壓實質量，高填方路基橫斷面如圖1所示。

2 沉降率控制的理論依據

土石混填路基壓實質量受路基填料質量、壓實機械選型與組合、地基穩定性等因素影響，在施工過程中應加強管理。為了準確確定土石混填路基的壓實質量，需要大量檢測含水量、壓實度等指標，耗費大量的時間。近年來，有學者采用檢測沉降率的方法控制土石混填路基壓實質量，能快速準確地得出檢測結果[2-3]。通過現場試驗確定路基沉降率和干密度，擬合后發現二者具有較好的線性關系。

土石混填路基壓實的過程，可以看作是在壓實機械沖擊力的作用下，顆粒重新組合排列，填裝夯實并逐漸加密的過程，在這個過程中土壤顆粒間的孔隙比不斷縮小，空氣和水分不斷被排出。隨著孔隙比的減小，力學性能不斷增強，說明孔隙比與力學性能之間存在一定的線性關系。而孔隙比隨路基沉降變化而變化，通過分析驗算可得出沉降率與孔隙比之間的關系，從而得出沉降率與路基壓實質量之間的關系[4]，推導過程如下。

2.1 沉降率與干密度關系推導

沉降率是路基壓實后的沉降差與攤鋪層厚度之間的比值，用百分數表示。假設路基碾壓前后的面積不變，即An≈A，令沉降率，則有：

式中：ρ0、ρn分別代表路基填土初始干密度和碾壓n遍后的干密度。

式（2）反映出路基沉降率與干密度之間存在明顯的線性關系，沉降率越高，干密度越大，說明沉降率可以作為路基壓實質量控制指標之一。

2.2 沉降率與孔隙比關系推導

與上部分相同，假設碾壓前后路基面積不變，由于路基填料固體顆粒體積不變，分析得出：

由式（3）可得：

式中：h0、hn分別代表路基填土初始厚度和碾壓n遍后的厚度；e0、en分別代表路基填土初始孔隙比和碾壓n遍后的孔隙比；sn為路基填土碾壓n遍后的沉降量。

式（5）反映出路基沉降率與孔隙比之間存在明顯的線性關系，且隨沉降率的增大，孔隙比不斷減小，這也證明了沉降率可以作為土石混填路基壓實質量的控制指標。

通過以上推導過程，可以看出在碾壓前對施工現場路基填土初始干密度和初始孔隙比進行檢測，通過檢測不同碾壓遍數的路基填土沉降率，計算路基填土的干密度和孔隙比，判斷路基壓實質量。這種方法操作簡單，不破壞路基，具有良好的應用性。

3 路基壓實質量檢測與分析

3.1 現場試驗檢測方案

理論公式的計算需要結合施工現場的實際情況來進行檢驗，因此必須制定科學合理的土石混填路基壓實質量檢測方案，準確確定路基填料干密度和孔隙比，合理確定與沉降率之間的線性關系。為了保證檢測數據客觀準確，選取3個試驗段進行檢測，分別為K89+100—K89+200，松鋪厚度為40 cm；K89+400—K89+500，松鋪厚度為 60 cm；K89+800—K89+900，松鋪厚度為80 cm。各試驗路段填料顆粒采用隨機級配，采用YZJ16型和YZ18B型振動壓路機進行壓實。路基碾壓時先靜壓一遍，再振動碾壓。試驗中分別在3個試驗路段，對碾壓2、4、6、8、10遍的路基進行沉降觀測和干密度、孔隙比檢測，確定不同工況下沉降率與干密度、孔隙比的線性關系。

3.1.1 沉降觀測

為了準確確定土石混填路基試驗段不同攤鋪厚度和不同碾壓遍數的壓實效果，將每個試驗段劃分為5個20 m×12 m的網格，在網格內布設3個沉降觀測點，橫向間距為5 m，打樁并做好標記。利用試驗段附近的基點進行觀測，如基點較遠，可就近布置基點，并保證基點穩固。用精密水準儀進行沉降觀測，首次觀測確定測點高程，通過相鄰兩次觀測高差確定沉降量，計算確定不同碾壓次數下的分級沉降量，并求和得出累計沉降量。

3.1.2 干密度和孔隙比檢測

路基填料攤鋪完成后，在碾壓前對填料的初始干密度和初始孔隙比進行檢測。在每個試驗段選取3個試坑進行干密度檢測，并計算平均值。本項目填料干密度檢測采用灌水法，通過試驗確定含水量和固體顆粒質量，進而計算求得孔隙比，試驗檢測點布置如圖2所示。

圖2 各試驗段沉降觀測點布置圖（單位：m）

3.2 試驗檢測結果分析

3.2.1 不同碾壓遍數下的沉降量觀測與分析

對不同攤鋪厚度，不同碾壓遍數的土石混填路基進行沉降觀測，確定沉降規律，分別得到不同碾壓遍數下的分級沉降量和累計沉降量。分別對試驗路段路基碾壓 2、4、6、8、10 遍后的沉降觀測點分級沉降量進行檢測，并累加計算求得累計沉降量。分別計算各試驗段路基累計沉降量平均值，繪制累計沉降量-碾壓遍數變化曲線，如圖3所示。

圖3 累計沉降量-碾壓遍數變化曲線圖

對圖3分析得出：

a）不同碾壓遍數下各試驗段不同攤鋪厚度的沉降量變化趨勢可分為以下兩個階段：第一階段為沉降量快速增長階段，該階段沉降量與碾壓遍數基本呈線性化，隨碾壓遍數的增加，沉降量不斷增加，且松鋪厚度越大，沉降量越大，沉降速率越快，達到最終沉降量的碾壓遍數也越大。第二階段為沉降變形穩定階段，該階段路基沉降量隨碾壓遍數的增加變化很小，并逐步趨于穩定，且松鋪厚度越大，最終沉降量越大。

b）不同松鋪厚度試驗段碾壓遍數確定。K89+100—K89+200段路基松鋪厚度為40 cm，碾壓6遍后分級沉降量觀測值小于1 mm。K89+400—K89+500段和K89+800—K89+900段松鋪厚度分別為60cm和80 cm，碾壓8遍后分級沉降量觀測值小于2 mm，滿足規范要求的不小于3 mm的要求，說明路基壓實質量達到了規范要求。以同樣的方法分析路基沉降率控制，得出當沉降率在5%～7%之間時壓實質量符合要求。

3.2.2 不同碾壓遍數下的干密度檢測與分析

在各試驗路段布置的網格內選取有代表性的試坑，取樣對不同碾壓遍數下路基填料的干密度進行檢測，確定不同松鋪厚度路基填料干密度的變化規律。在每個試驗路段選取測點，分別取樣檢測干密度，求平均值繪制干密度-碾壓遍數變化曲線，如圖4所示。

圖4 干密度-碾壓遍數變化曲線圖

分析圖4變化曲線可知：

a）隨碾壓遍數的增加，不同松鋪厚度試驗段路基干密度變化與沉降量變化趨勢基本相同，即前期變化速度快，后期變化速度慢，并逐步趨于穩定。當碾壓遍數達到8遍時，3個試驗段基本趨于穩定，且松鋪厚度為40 cm的試驗段干密度最大，最大值達到2.136 g/cm3；松鋪厚度為60 cm和80 cm的試驗段干密度相對較小，且最終穩定后干密度值達到2.089 g/cm3。

b）當碾壓遍數相同時，路基填土干密度隨松鋪厚度所產生的變化較小。在路基碾壓6遍時，松鋪厚度為80 cm的試驗段干密度檢測值大于松鋪厚度為60 cm的干密度。主要原因是施工現場路基填料的顆粒組成和含水量不容易控制，而采用灌砂法或灌水法得出的干密度檢測結果往往存在一定的偏差，且費時費力。因此，不建議采用干密度作為土石混填路基壓實質量的檢測標準。

3.2.3 不同碾壓遍數下的孔隙比檢測與分析

孔隙比是路基填料內部結構的孔隙比，受到填料顆粒組成和級配的影響，可作為判斷路基壓實質量的控制指標之一。路基填料孔隙比采用灌水法和篩分試驗確定。在各試驗路段選取有代表性的測點，在不同碾壓遍數下，通過試驗確定各測點孔隙比，取平均值繪制孔隙比-碾壓遍數變化曲線，如圖5所示。

圖5 孔隙比-碾壓遍數變化曲線圖

通過對圖5曲線分析可知，隨碾壓遍數的增加，路基孔隙比前期增速較快，后期逐步變緩并趨于穩定。K89+100—K89+200段路基松鋪厚度為40 cm，碾壓6遍后孔隙比基本穩定，最終值為0.232。K89+400—K89+500段和 K89+800—K89+900段松鋪厚度分別為60 cm和80 cm，碾壓8遍后孔隙比基本穩定，最終值分別為0.315和0.325。檢測結果表明，3個試驗段孔隙率均小于規范要求的不大于0.33的要求，滿足壓實質量要求。

由于孔隙比測定過程較繁瑣，在實際工程中的可行性較差，且如果操作不當會出現很多問題，影響最終結果的準確性。因此，雖然孔隙比可以反映土石混填路基的壓實質量，但相比沉降率等指標，一般不作為路基壓實質量的控制標準。

4 結語

結合土石混填路基的工程特點，設置試驗段，對不同松鋪厚度，不同碾壓遍數的路基布置測點，檢測沉降率、干密度和孔隙比，推斷各指標與壓實質量之間的關系，并得出以下結論：

a）通過在試驗路段對路基進行沉降觀測，得出隨碾壓遍數的增加，沉降量不斷增加，且松鋪厚度越大，沉降量越大，沉降速率越快，達到最終沉降量的碾壓遍數也越大。路基松鋪厚度為40 cm，碾壓6遍后達到壓實質量要求，松鋪厚度為60 cm和80 cm時，碾壓8遍后達到壓實質量要求。

b）路基填料干密度隨碾壓遍數的增加，前期變化速度快，后期變化速度慢，并逐步趨于穩定。但由于受到施工現場路基填料的顆粒組成和含水量變化的影響，試驗結果容易產生較大偏差，且費時費力，不建議作為土石混填路基壓實質量的檢測標準。

c）隨碾壓遍數的增加，路基孔隙比前期增速較快，后期逐步變緩并趨于穩定，孔隙比可作為路基壓實質量控制指標，但可行性不如沉降率，因此不建議采用。

總之，試驗結果表明沉降率是最佳的土石混填路基壓實質量控制指標，為降低施工后沉降，建議路基施工松鋪厚度為40 cm，碾壓遍數不少于6遍。