高速公路全風(fēng)化花崗巖路基施工技術(shù)研究

1 引言

花崗巖是我國(guó)最常見(jiàn)的一種巖體， 其在路基工程中的應(yīng)用得到了極大的重視，未風(fēng)化的花崗巖強(qiáng)度高、耐久性好，是一種理想的高速公路路基填料，但經(jīng)過(guò)物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化以及生物風(fēng)化后的花崗巖物理力學(xué)性能遠(yuǎn)不及風(fēng)化前， 在用作路基填料時(shí)會(huì)導(dǎo)致路基沉降嚴(yán)重、邊坡滑塌等現(xiàn)象[1]。 經(jīng)顆粒分析研究可知，風(fēng)化后的花崗巖可以被當(dāng)作路基填料使用，當(dāng)把風(fēng)化后的花崗巖用作路基填料時(shí)， 需要保證路基邊坡具有足夠的穩(wěn)定性、 路床以及路堤區(qū)域的土體具有足夠的壓實(shí)強(qiáng)度。 為了保證完全風(fēng)化的花崗巖路基具有更好的安全穩(wěn)定性，本文對(duì)完全風(fēng)化花崗巖路基施工進(jìn)行深入研究。

2 工程概況

某高速公路全長(zhǎng)103 km，地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果表明，該高速公路K9+100~K12+300 路段為全風(fēng)化花崗巖地質(zhì)構(gòu)造。 為了節(jié)約資源、實(shí)現(xiàn)就地取材，經(jīng)決定對(duì)該路段進(jìn)行完全風(fēng)化花崗巖路基施工。

3 完全風(fēng)化花崗巖工程性質(zhì)研究

3.1 篩分試驗(yàn)

本文通過(guò)篩分試驗(yàn)確定K9+100~K12+300 地段完全風(fēng)化花崗巖的粒徑分布。 篩分結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 完全風(fēng)化花崗巖篩分結(jié)果

從表1 可以看出，該地段的花崗巖風(fēng)化程度高，整個(gè)路段花崗粒徑主要在0.5 mm 以下。

3.2 含水率分析

分別測(cè)試3 個(gè)點(diǎn)（K9+560、K10+650、K11+780）的完全風(fēng)化花崗巖的含水率，每個(gè)點(diǎn)測(cè)3 點(diǎn)，含水率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。從圖1 可以看出，3 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的含水率相差并不大， 其含水率平均值分別為25.9%、26.0%以及26.1%。

圖1 測(cè)點(diǎn)處完全風(fēng)化花崗巖的含水率圖

表2 含水率表

3.3 液塑限和CBR試驗(yàn)

本文通過(guò)液限和塑限聯(lián)合測(cè)定法、 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)分別對(duì)全風(fēng)化花崗巖路基進(jìn)行液塑限和加州承載比（CBR）測(cè)定。 測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 測(cè)點(diǎn)處完全風(fēng)化花崗巖的液塑限

由表3 可知，該全風(fēng)化花崗巖路段最大液限為48%，小于50%，故該路段為底液限土。 塑限處于27%~29%，最大干密度為1.79 g/cm3。

4 全風(fēng)化花崗巖路基填料現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)

4.1 壓實(shí)機(jī)理

4.1.1 靜碾壓機(jī)理

靜碾壓機(jī)理與振動(dòng)壓實(shí)不同， 在靜碾壓下路基淺層土內(nèi)部產(chǎn)生剪應(yīng)力，且隨著碾壓的進(jìn)行產(chǎn)生的剪應(yīng)力越來(lái)越大，當(dāng)產(chǎn)生的剪應(yīng)力大于土體內(nèi)部抗剪極限值時(shí)， 淺層土顆粒之間相對(duì)滑動(dòng)、錯(cuò)位、重新排列，原淺層土的空隙率變小、密實(shí)度變大、土體得到壓實(shí)[2]。 但由于隨著深度變大土體內(nèi)部的內(nèi)摩阻力也在變大，這種靜壓的壓實(shí)效率變低，越深處土顆粒之間空隙越大。 在現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)工作中，壓實(shí)機(jī)具雖會(huì)在一定程度上改善靜壓的壓實(shí)效果，但仍舊會(huì)受到壓實(shí)深度的影響。

4.1.2 振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理

振動(dòng)壓實(shí)按土體對(duì)壓實(shí)能量吸收程度可分為3 個(gè)不同階段，在這3 個(gè)階段中，土體表現(xiàn)的變形性質(zhì)也將不同[3]。

第一階段，原土層較為松軟，土顆粒之間的空隙較大，隨著振動(dòng)壓實(shí)工作的進(jìn)行，土體產(chǎn)生塑限變形，此時(shí)被壓實(shí)土體能夠吸收較多的壓實(shí)能量，達(dá)到初步壓實(shí)效果。 第二階段，隨著振動(dòng)壓實(shí)工作的繼續(xù)， 原土體已由較松散狀態(tài)變?yōu)檩^密實(shí)狀態(tài)，這一階段中土體產(chǎn)生彈-塑限變形，其中，以彈性變形為主，被壓實(shí)土體對(duì)壓實(shí)能的吸收能力減弱，壓實(shí)變形減小。 第三階段，經(jīng)兩個(gè)階段的壓實(shí)原土層已變得足夠密實(shí)，繼續(xù)壓實(shí)幾乎并不會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生密實(shí)效果， 此時(shí)土體具有較弱的剛性結(jié)構(gòu)，不再吸收壓實(shí)能量也不再產(chǎn)生壓實(shí)變形。

振動(dòng)壓實(shí)是將壓路機(jī)的振動(dòng)能量以動(dòng)能傳遞給土顆粒，不同質(zhì)量的土顆粒得到的動(dòng)能相同，但產(chǎn)生的速度不會(huì)相同，土顆粒之間的相對(duì)速度的產(chǎn)生會(huì)使他們克服最大靜摩擦力相對(duì)滑動(dòng)、重新排列、土體得到壓實(shí)。 振動(dòng)壓實(shí)能夠影響到較大深度下的土顆粒，全風(fēng)化的花崗巖黏性較弱、強(qiáng)度較小，進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)時(shí)，注意避免壓實(shí)過(guò)頭，當(dāng)壓實(shí)過(guò)頭通常會(huì)伴隨表層土“起皮”“開(kāi)裂”現(xiàn)象。

4.2 路基現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)

按照公路路基施工要求規(guī)范， 必須對(duì)壓實(shí)后的路基進(jìn)行壓實(shí)度的檢測(cè)， 只有在壓實(shí)度滿足要求后才能評(píng)判該路基質(zhì)量合格。

結(jié)合全風(fēng)化花崗巖路基力學(xué)特點(diǎn)本文采用靜壓、 振動(dòng)壓實(shí)相結(jié)合的碾壓方案：靜壓1 次、強(qiáng)振碾壓3 次、靜壓1 次。 本文選取50 m 試驗(yàn)路段進(jìn)行路基的壓實(shí)、壓實(shí)度檢測(cè)。 當(dāng)含水率為19.7%時(shí)，壓實(shí)度可以達(dá)到90.7%、含水率為19.8%時(shí)，壓實(shí)度為91.9%，含水率為20.4%時(shí)，壓實(shí)度為90.6%。 壓實(shí)度最大為91.9%，仍小于規(guī)范對(duì)下路堤壓實(shí)度93%的要求。

5 全風(fēng)化花崗巖路基改良技術(shù)研究

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 全風(fēng)化花崗巖在直接用作路基填料時(shí)，碾壓完成后路基壓實(shí)度并不能滿足公路規(guī)范路基要求，本文針對(duì)該實(shí)際工程對(duì)花崗巖填料進(jìn)行改良研究， 以符合路基壓實(shí)度要求。

5.1 土體改良機(jī)理

可利用物理、化學(xué)方法來(lái)完成對(duì)全風(fēng)化花崗巖的改良。 物理方法是用碎石強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)原土基的強(qiáng)度，土中的碎石，能夠提高原土基的整體強(qiáng)度，同時(shí)可以讓整個(gè)結(jié)構(gòu)變得更密實(shí)；化學(xué)方法是將石灰、水泥、粉煤灰加入土中，通過(guò)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)改善土基結(jié)構(gòu)[4]。 本文采用化學(xué)方法來(lái)改良全花崗巖性能，石灰與水泥是兩種最常見(jiàn)的改良劑。 石灰中的氧化鈣能與水發(fā)生反應(yīng)并放出大量熱量，可以減小土粒表面結(jié)合水膜的厚度，增大土粒之間的分子引力； 同樣水泥的水化作用具有一樣的效果，其水化產(chǎn)物能夠使土粒之間黏結(jié)力增大。

5.2 改良土現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)

本文利用水泥對(duì)全風(fēng)化花崗巖進(jìn)行改良， 改良劑摻量為4%，碾壓方案沿用之前：靜壓1 次、強(qiáng)振碾壓3 次、靜壓1 次，表4 為改良前后路基壓實(shí)度對(duì)比。 改良前后壓實(shí)度對(duì)比圖（見(jiàn)圖2）。

圖2 改良前后壓實(shí)度對(duì)比圖

表4 改良土壓實(shí)度表

從表4 可以看出， 未經(jīng)處置的全風(fēng)化花崗巖做路基填料時(shí)，路基各部位壓實(shí)度均不能達(dá)到工程規(guī)范要求，改良后的全風(fēng)化花崗巖路基壓實(shí)度得到明顯提高， 路基各部位壓實(shí)度均能滿足規(guī)范要求；上路床壓實(shí)度提高了2.4%、下路床提高了2.0%、上路堤提高了1.7%、下路堤提高了1.2%，說(shuō)明水泥改良花崗巖路基具有很好的效果。

6 全風(fēng)化花崗巖路基施工方案

6.1 施工準(zhǔn)備

充分熟悉設(shè)計(jì)文件，了解路線地段地質(zhì)構(gòu)造、是否存在河流以及地下水位位置。 按照工程數(shù)量安排相應(yīng)的工作人員，保證工作按部就班地進(jìn)行， 提前對(duì)全風(fēng)化花崗巖進(jìn)行水泥改良并測(cè)試其相應(yīng)的液塑限、CBR 以及含水率。設(shè)置足夠的排水設(shè)施以應(yīng)對(duì)下雨等情況，保證地表水能夠及時(shí)并徹底的排出。

6.2 施工過(guò)程

分層鋪筑改良后的全風(fēng)化花崗巖。 下路堤鋪筑完成后立即進(jìn)行壓實(shí)工藝：靜壓1 次、強(qiáng)振碾壓3 次、靜壓1 次，緊接著鋪筑上路堤以及路床，鋪筑結(jié)束立即進(jìn)行第二次碾壓工藝。

6.3 施工完成

當(dāng)整個(gè)路基已鋪筑壓實(shí)完成后進(jìn)行相應(yīng)的質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目，按照密度法每200 m 壓實(shí)測(cè)2 處、測(cè)彎沉值、縱斷面高程等。

7 結(jié)語(yǔ)