探討粉砂巖路堤填筑施工及測試指標(biāo)試驗(yàn)

陳寧淵

（貴州路橋集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

粉砂巖膠結(jié)能力差，質(zhì)地松散，用于路堤填筑時(shí)需滿足一定條件。目前在路堤施工中，粉砂巖的應(yīng)用較為廣泛，但關(guān)于粉砂巖路堤填筑施工方案及施工質(zhì)量控制指標(biāo)仍需進(jìn)行進(jìn)一步研究，其根本原因在于不同粉砂巖的成分、結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性既有差異，又有共同點(diǎn)，但實(shí)際性能差異明顯，需結(jié)合工程實(shí)際情況靈活使用[1]。該文以某高速公路工程為研究對象，開展路堤粉砂巖填筑施工試驗(yàn)，測定壓實(shí)度、貫入度、動態(tài)變形模量等關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析各指標(biāo)變化規(guī)律和內(nèi)在關(guān)聯(lián)，研究粉砂巖路堤填筑施工階段各指標(biāo)變化情況，利用乘冪函數(shù)描述各指標(biāo)之間的相關(guān)性及回歸關(guān)系[2-3]。

1 工程概況

某高速公路路堤施工區(qū)域地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地層從上到下依次為下侏羅系藍(lán)塘群粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、頁巖、炭質(zhì)巖、泥巖，泥質(zhì)粉砂巖膠結(jié)性差，遇水易松散軟化，部分粉砂巖遇水膨脹。該高速公路工程施工周期長、工程量大、施工現(xiàn)場地質(zhì)條件多變，當(dāng)?shù)馗咂焚|(zhì)填筑材料缺乏。因此，需針對區(qū)域內(nèi)粉砂巖開展路堤填筑試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化施工方案，改善粉砂巖理化性質(zhì)，使其更好地滿足路堤填筑要求，實(shí)現(xiàn)就地取材，降低施工成本，同時(shí)減少環(huán)境破壞，具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

2 粉砂巖路堤填筑工藝要點(diǎn)

嚴(yán)格遵循“三個(gè)階段、四個(gè)區(qū)段、八個(gè)步驟”的原則組織路堤填筑施工，其中三個(gè)階段包括準(zhǔn)備階段、施工階段以及工后階段；四個(gè)區(qū)段包括填土、整平、壓實(shí)、檢驗(yàn)區(qū)段；八個(gè)步驟包括工程測量、地基處理、分層填土、攤鋪整平、灑水晾曬、碾壓密實(shí)、檢驗(yàn)簽證以及路堤整修[4]。粉砂巖路堤填筑的基本步驟如圖1所示，其中破碎步驟的主要作用是縮小粉砂巖顆粒，確保其粒徑符合高速公路路堤施工技術(shù)要求；拌和步驟的主要作用是通過在粉砂巖中添加適量的穩(wěn)定料并充分?jǐn)嚢柽_(dá)到優(yōu)化粉砂巖顆粒級配的目的。

圖1 軟巖填料施工流程圖

3 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 液限和塑限

從施工現(xiàn)場粉砂巖中取樣并研磨成細(xì)粒粉砂巖，根據(jù)當(dāng)前《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》對樣品開展液限試驗(yàn)、塑限試驗(yàn)。開始試驗(yàn)前需碾碎粉砂巖樣本，用孔徑0.5 mm的篩子篩除粗粒粉砂巖，然后加水充分?jǐn)嚢韬笥萌萜餮b好置于保濕箱中進(jìn)行不低于24 h的濕化處理。試驗(yàn)結(jié)果：粉砂巖的液限為38.5%，塑限為29.2%，塑性指數(shù)為9.4[5]。

3.2 擊實(shí)試驗(yàn)

對粉砂巖樣本開展重型Ⅱ-2擊實(shí)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)筒直徑16.3 cm，高18 cm。分3層對樣本進(jìn)行擊實(shí)，各層擊實(shí)次數(shù)均為99次，最大粒徑45 mm，粉砂巖填料擊實(shí)曲線如圖2所示。

圖2 粉砂巖填料擊實(shí)曲線

根據(jù)曲線可以看出，粉砂巖干密度最大值為1.99 g/cm3，含水率最佳值為10.7%。

3.3 CBR測試

對粉砂巖樣品開展CBR試驗(yàn)，結(jié)果表明壓實(shí)度為94%的粉砂巖填料的CBR為4.2%；壓實(shí)度95%的粉砂巖填料的CBR為4.7%，符合施工技術(shù)規(guī)范。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

針對該高速公路粉砂巖路堤填筑施工試驗(yàn)路段選用推土機(jī)、28 t振動壓路機(jī)、整平機(jī)等施工機(jī)械設(shè)備，松鋪厚度平均值30 cm，松鋪系數(shù)平均值1.17。利用推土機(jī)碾壓粉砂巖填料，使其粒徑最大不超過149 mm，再按照靜壓1遍→弱振1遍→強(qiáng)振4遍→靜壓1遍的順序，用28 t振動壓路機(jī)進(jìn)行碾壓[6]。

4.1 路堤壓實(shí)度測試

按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范中提供的灌砂法檢測粉砂巖路堤的壓實(shí)度，具體做法是在距路堤左側(cè)、右側(cè)1.5 m處分別設(shè)置1個(gè)測點(diǎn)，在中線位置設(shè)置2個(gè)測點(diǎn)，各測點(diǎn)的壓實(shí)度檢測結(jié)果如表1所示，可知經(jīng)過至少6遍碾壓的路堤粉砂巖填料壓實(shí)度平均值分別為94.80%、95.20%，滿足大于等于94%的施工設(shè)計(jì)要求。

表1 粉砂巖路堤壓實(shí)度測試結(jié)果

4.2 動態(tài)變形模量測試

將測試錘提高到一定高度后再讓其自由落下，重力作用下測試錘下落沖擊路堤表面的承載板，使承載板與路堤表面形成豎向位移，利用壓力傳感器、位移傳感器獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，借助計(jì)算機(jī)基于壓力、位移數(shù)據(jù)求得動態(tài)變形模量。

4.2.1 動態(tài)變形模量測試設(shè)備

加載設(shè)備：主要包括測試錘、掛鉤、導(dǎo)向桿以及阻尼器。其中測試錘自重10 kg，沖擊力最大值為（7 085±70.85）N，持續(xù)沖擊時(shí)間為（19±3）ms。

承載板：外觀呈圓形，材質(zhì)為鋼板，圓板直徑（350±0.6）mm，厚（25±0.3）mm，粗糙度不超過6.4 μm。將壓力、位移傳感器置于承載板中心，確保牢固貼合。

沉陷檢測設(shè)備：主要由數(shù)據(jù)采集器、顯示器以及打印機(jī)構(gòu)成[7]。

4.2.2 動態(tài)變形模量測試結(jié)果

經(jīng)過第2、第4、第5、第6、第7遍碾壓后對路堤開展動態(tài)變形模量檢測，具體檢測結(jié)果如表2所示，根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，粉砂巖路堤動態(tài)變形模量均值與路堤碾壓遍數(shù)成正比。

表2 粉砂巖路堤動態(tài)變形模量測試結(jié)果

可通過試驗(yàn)確定各類路堤填料的壓實(shí)度均值、動態(tài)變形模量均值之間的相關(guān)性以及回歸關(guān)系。試驗(yàn)路段的粉砂巖路堤動態(tài)變形模量均值、壓實(shí)度均值之間的關(guān)系如圖3所示，二者相關(guān)性判定系數(shù)高于0.9，表面相關(guān)性較強(qiáng)，可通過乘冪函數(shù)y=axb表示二者回歸關(guān)系。

圖3 粉砂巖路堤平均動態(tài)變形模量與平均壓實(shí)度的關(guān)系

4.3 動力錐貫入儀現(xiàn)場測試

動力錐貫入儀在高速公路工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛，是一種小型地基土原位測試裝置，主要由手柄、落錘、導(dǎo)向桿、聯(lián)軸器、扶手、夾緊環(huán)、探桿、刻度尺、錐頭等部件構(gòu)成[8]。落錘的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為8 kg、10 kg；常用錐尖角為90°、60°、30°，直徑最大值25 mm；錐頭尖端磨損最大值為5 mm，錐頭直徑磨損最大值為15%，如超過最大值需更換新錐頭。該測試裝置的基本原理是利用落錘自由落體運(yùn)動形成的動能使錐頭克服阻力貫入土體中，類似于輕型動力觸探儀，如10 kg的落錘從高580 mm自由落下，單次錘擊產(chǎn)生的貫入能為50 J[9-10]。

（1）經(jīng)過第2、第4、第5、第6、第7遍碾壓后對路堤開展動力錐貫入儀檢測，試驗(yàn)路段粉砂巖路堤貫入度均值如表3所示，經(jīng)5遍碾壓后，路堤貫入深度與錘擊次數(shù)的關(guān)系如圖4所示，根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，粉砂巖路堤貫入度與碾壓遍數(shù)成反比。

圖4 粉砂巖路堤典型貫入深度-錘擊次數(shù)關(guān)系曲線（碾壓5遍）

表3 粉砂巖路堤動力錐貫入儀測試結(jié)果

（2）可通過試驗(yàn)確定各類路堤填料的壓實(shí)度均值、動態(tài)變形模量均值之間的相關(guān)性以及回歸關(guān)系。基于動態(tài)變形模量測試、動力錐貫入測試獲得的壓實(shí)度均值、貫入度均值可知二者的相關(guān)關(guān)系如圖5所示，相關(guān)性判定系數(shù)高于0.9，表明兩者相關(guān)性較強(qiáng)，其回歸關(guān)系可用乘冪函數(shù)y=cxd表示。

圖5 粉砂巖路堤平均貫入度與平均壓實(shí)度的相關(guān)關(guān)系

（3）路堤動態(tài)變形模量均值、貫入度均值的關(guān)系如圖6所示，二者相關(guān)性判定系數(shù)高于0.9，表明相關(guān)性較強(qiáng)，可用乘冪函數(shù)y=mxn表示其回歸關(guān)系。

圖6 粉砂巖路堤平均動態(tài)變形模量與平均貫入度的關(guān)系

5 結(jié)論

綜上所述，結(jié)合某高速公路工程路堤填筑施工實(shí)踐，總結(jié)粉砂巖路堤填筑施工技術(shù)要點(diǎn)，并通過路堤壓實(shí)度測試、動態(tài)變形模量測試、動力錐貫入儀現(xiàn)場測試等，明確路堤壓實(shí)度、貫入度、動態(tài)變形模量之間的相關(guān)性及回歸關(guān)系，得出以下結(jié)論：

（1）對試驗(yàn)路段采用粉砂巖填筑路堤，松鋪厚度平均值取30 cm，通過推土機(jī)多次碾壓粉砂巖填料，確保粉砂巖粒徑最大不超過149 mm，松鋪系數(shù)平均值1.17，按照先靜壓1遍，再弱振1遍，接著強(qiáng)振4遍，最后靜壓1遍的順序用28 t振動壓路機(jī)碾壓粉砂巖填料，碾壓作業(yè)結(jié)束后，測試結(jié)果表明路堤壓實(shí)度符合施工技術(shù)要求。

（2）可通過試驗(yàn)確定各類路堤填料的壓實(shí)度均值、動態(tài)變形模量均值之間的相關(guān)性以及回歸關(guān)系。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粉砂巖路堤動態(tài)變形模量均值、壓實(shí)度均值與碾壓遍數(shù)成正比；貫入度均值與碾壓遍數(shù)成反比，即隨著碾壓遍數(shù)的增加，粉砂巖路堤壓實(shí)度、動態(tài)變形模量均增大，貫入度減小。

（3）路堤平均動態(tài)變形模量與平均壓實(shí)度、平均貫入度與平均壓實(shí)度、平均動態(tài)變形模量與平均貫入度的相關(guān)性均良好，可用乘冪函數(shù)表示其回歸關(guān)系。