基于表面沉降法的鐵尾礦料路基現場碾壓試驗分析

于建游YU Jian-you

（河北省高速公路延崇籌建處，張家口 075000）

0 引言

由于我國過去對礦產資源進行開放式的開采，導致大量鐵尾礦料堆存，進而造成了土地資源浪費、生態環境失衡等問題[1，2]。隨著我國高速公路的快速發展，路基填料日漸短缺，而鐵尾礦料中的磁鐵礦、石英等均為質地堅硬的礦物，有利于承擔較大的荷載作用，因此，越來越多的鐵尾礦料被用于公路路基填筑[3]。

學者們對鐵尾礦料的靜動力特性進行了研究。郭曉霞等[4]通過現場試驗和室內土工試驗，對鐵尾礦料的級配特性、強度特性等進行了研究。王宗璞等[5]對張家口赤誠地區的鐵尾礦料原料進行了分析，并對其作為高速公路路基填料的適用性進行了研究。易龍生等[6]針對金山店的鐵尾礦料開展了其作為路基基層填料的配合比的研究，表明鐵尾礦用量達70%時，鐵尾礦料路基填料抗壓強度可達到一級公路強度要求。可以看出，鐵尾礦料作為公路路基填料具有廣泛的適用性，而鐵尾礦料路基的碾壓施工過程則會對路基的使用壽命產生很大的影響。秦尚林等[7]、Gash 等[8]對路基的現場碾壓試驗進行了分析，探討了碾壓施工參數與壓實質量之間的關系。在路基碾壓施工過程中，我國通常采用灌砂法對路基壓實度進行檢測，但該種方法操作步驟較多，操作的規范性通常是影響檢測結果的主要因素[9]。作為一種路基壓實質量檢測方法，表面沉降法具有簡單方便、省時省力的特點[10]，但現有的研究對鐵尾礦料路基的現場碾壓分析較少，需要對鐵尾礦料路基的壓實質量進行進一步研究。

因此，本文主要針對鐵尾礦料路基，通過表面沉降法對鐵尾礦料路基現場碾壓質量進行檢測，分析碾壓遍數、松鋪厚度和碾壓位置對碾壓效果的影響，并將沉降差與壓實度進行相關性分析，為鐵尾礦料路基的壓實質量檢測提供理論依據。

1 鐵尾礦料路基碾壓試驗

1.1 表面沉降法

表面沉降法具有操作簡便、省時省力的優點。表面沉降法主要采用精密水準儀對碾壓前后的路基高程進行測量，獲得路基碾壓前后發生的沉降差和沉降率，通過沉降差、沉降率等指標對路基碾壓施工質量進行評估。路基碾壓和路基面高程測量如圖1 所示。

圖1 路基碾壓與高程測量

路基碾壓前后的沉降差可根據式（1）進行計算：

式中，ΔH 為路基碾壓前后的沉降差；H1為路基碾壓前的高程值；H2為路基碾壓后的高程值。

路基沉降率主要指碾壓結束后，攤鋪層的壓縮值與松鋪厚度之間的百分比，可根據式（2）進行計算：

1.2 試驗概況

依托在建的延崇高速公路河北段ZT7 標鐵尾礦料路基開展碾壓試驗。該高速公路是2022 年北京冬奧會連接北京賽區和張家口賽區的重要通道，路線總長113.684 公里，工程規模大，年度有效工期短。該公路路基填料主要采用鐵尾礦料，保證良好的路基施工質量是整個項目的基礎保障。

1.3 場地方案

鐵尾礦料路基試驗段長度為300m。試驗前用推土機和壓路機進行場地平整，消除基礎面沉降對鐵尾礦料碾壓試驗的影響。試驗區范圍內每40m 取一個測點斷面，每個斷面分別在左幅路基中心和右幅路基中心各取一個測量點，分別標記為Ai和Bi（i=1，…，6），共12 個測點，如圖2所示。

圖2 試驗段測點

分別設置鐵尾礦料松鋪厚度為33cm 和41cm。對兩種松鋪厚度下的鐵尾礦料路基各測點量測高程，然后靜壓一遍+弱振一遍，采集第一遍碾壓后的高程，隨后進行強振碾壓，每強振一遍，量測一遍高程，最后對路基進行靜壓收光。

2 試驗結果與分析

2.1 碾壓質量標準值

基于表面沉降法的路基碾壓質量標準值主要通過統計數據獲得。選取壓實度達到90%且碾壓完成的鐵尾礦料路基，隨機對60 個測點進行檢測，并記錄碾壓完成后的沉降差，繪制60 個測點的沉降差數據概率分布直方圖，如圖3 所示。

根據60 個測點的沉降差統計數據可知，鐵尾礦料路基碾壓完成后的沉降差平均值為X=1.03mm，標準方差為S=0.28mm，單個值的單側波動區間為X+2S=1.59mm。結合圖3 中沉降差的概率分布，可知沉降差近似呈正態分布，單個值在X≤X+2S 范圍內波動的概率為85%，可以根據該概率值確定鐵尾礦料路基理論沉降差標準值為1.59mm。但在實際施工過程中，1.59mm 的沉降差極易受到測量方法、數據讀取等的影響，為了便于實際操作，將控制的沉降差標準值修正為2mm，此時這60 個測點的沉降差概率也達到了100%。在后續鐵尾礦料路基碾壓施工過程中，當最后兩次碾壓的沉降差不超過2mm 時，視為碾壓完成。

圖3 沉降差數據概率分布直方圖

2.2 表面沉降法結果分析

基于表面沉降法對碾壓后的鐵尾礦料路基進行檢測，分別記錄每次碾壓前后的沉降差和沉降率。當沉降差小于2mm 后，視為碾壓完成。分別對不同碾壓遍數下的沉降差、不同松鋪厚度下的沉降差和不同位置處的沉降率進行分析。

2.2.1 不同碾壓遍數下沉降差分析

鐵尾礦料松鋪厚度為33cm 時，沉降差隨碾壓遍數的變化規律如圖4 所示。由于第一次碾壓為靜壓和弱振，第二次碾壓為強振，因此第二次碾壓后的沉降差明顯大于第一次的沉降差，說明強振的工作效率高于弱振。第二次及之后的碾壓均采用了強振方式，隨著碾壓遍數的增大，沉降差逐漸降低。到第五次碾壓后，所有測點的沉降差均小于2mm，說明按本文方式碾壓五遍，即可完成鐵尾礦料路基土的碾壓施工。

圖4 沉降差隨碾壓遍數的變化規律

2.2.2 不同松鋪厚度下沉降差分析

鐵尾礦料松鋪厚度分別設置為33cm 和41cm。兩種松鋪厚度下鐵尾礦路基的平均沉降差隨碾壓遍數的變化規律如圖5 所示。由圖5 可知，兩種松鋪厚度下鐵尾礦料路基碾壓后的平均沉降差隨碾壓遍數呈先增大后減小的趨勢，松鋪厚度為41cm 的路基碾壓沉降差大于松鋪厚度為33cm 的沉降差。

圖5 兩種松鋪厚度下平均沉降差

2.2.3 不同位置處沉降率分析

碾壓完成后，左幅路基和右幅路基在兩種松鋪厚度下的沉降率如圖6 所示。由圖6 可知，碾壓完成后，兩種松鋪厚度下鐵尾礦料路基的沉降率變化范圍為5.09～7.57%，該沉降率沿路線縱向分布較均勻，說明碾壓效果較好。

圖6 沿路基縱向沉降率

3 沉降差與壓實度的相關性

根據《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）[11]對兩種松鋪厚度下的鐵尾礦料路基采用灌砂法測量碾壓完成后的路基壓實度，并將壓實度結果與采用表面沉降法的第五次碾壓后的沉降差值進行相關性分析，結果如圖7 所示。

圖7 沉降差與壓實度的相關性

由圖7 可知，采用表面沉降法得到的沉降差與壓實度之間滿足式（3）：

式中，K 為壓實度。該公式的相關性系數R2=0.9472，說明壓實度與沉降差之間的相關性良好。根據式（3）可知，當沉降差為2mm 時，壓實度達到95.7%，滿足《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）規定的公路路堤壓實度的要求。

4 結論

本文基于表面沉降法對鐵尾礦料路基現場碾壓試驗結果進行了研究，分析了碾壓遍數、松鋪厚度和碾壓位置對碾壓效果的影響，并將沉降差與壓實度進行了相關性分析。主要得到以下結論：①鐵尾礦料路基在碾壓五遍后沉降差小于2mm，達到碾壓施工質量要求。松鋪厚度大時，鐵尾礦料路基的平均沉降差較大。碾壓完成后，鐵尾礦料路基沉降率的變化范圍為5.09～7.57%，沿路線縱向分布較均勻。②基于表面沉降法得到的鐵尾礦料路基沉降差與壓實度具有線性負相關的關系。當鐵尾礦料路基土沉降差為2mm 時，對應的壓實度達到95.7%，滿足規范要求。