高填方土石混合路基壓實(shí)質(zhì)量控制技術(shù)研究*

唐志剛, 劉廣波, 肖欽廣, 田道國, 惠冰

(1.濟(jì)南黃河路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司, 山東 濟(jì)南 250100;2.山東省交通科學(xué)研究院, 山東 濟(jì)南 250104)

山區(qū)公路修建中開挖隧道與邊坡會產(chǎn)生大量廢棄巖石石渣,大量工程廢渣無處堆放影響生態(tài)環(huán)境。另一方面,山區(qū)地貌高低不平,填挖路基相互交錯(cuò),高填方路基缺少工程性質(zhì)穩(wěn)定的填土。工程廢棄石渣具有一定抗壓承載能力,相較于土質(zhì)路基其工后沉降小,將廢棄石渣進(jìn)行二次處理后用作路基填料成為山區(qū)道路發(fā)展的新研究熱點(diǎn)。張莎莎等研究泥質(zhì)軟巖土路基的最佳填筑工藝,提出了相應(yīng)檢測方法和標(biāo)準(zhǔn)[1]。陶慶東等分析了巖質(zhì)填料的物理、力學(xué)性質(zhì)對高填路基工后沉降預(yù)測及邊坡安全性評價(jià)的影響[2]。藺彪對采用靜力貫入法測試土石混合路基壓實(shí)度進(jìn)行了可行性研究,結(jié)果表明貫入荷載與壓實(shí)度正相關(guān)[3]。孫靜等通過土工離心模型試驗(yàn)分析了土石混合填料不同土石比、不同填筑高度和不同填筑工藝時(shí)填筑路基體內(nèi)的沉降變形規(guī)律[4]。李盛等通過有限元模擬,分析了振動輪質(zhì)量、激振力、振動頻率和行駛速度對路基壓實(shí)度的影響,并計(jì)算了壓路機(jī)的最佳碾壓參數(shù)[5]。黃虎剛結(jié)合現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)和承載比試驗(yàn)值,對動力錐貫入儀測得的貫入度與承載比的相關(guān)性進(jìn)行分析,研究了動力錐貫入儀用于路基壓實(shí)質(zhì)量檢測的適用性及主要應(yīng)用范圍[6]。陳宇亮等通過土石混填路基動彈性模量和壓實(shí)度試驗(yàn),推導(dǎo)動彈性模量和路基填料壓實(shí)度的回歸關(guān)系式,提出了基于路基動彈性模量的土石混填路基壓實(shí)質(zhì)量控制方法和土石混填路基壓實(shí)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)建議值[7]。目前通過室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)對填石路基施工工藝、沉降、壓實(shí)度等進(jìn)行了研究,但研究方向更偏向于填石路基的承載性能、變形機(jī)理等方面,對實(shí)際施工中壓實(shí)質(zhì)量控制的研究還略有欠缺。本文針對土石混合路基顆粒分布特點(diǎn),通過沉降差控制與瑞雷面波測試,分析土石混合路基碾壓過程中分層變形特征,提出適合工程實(shí)際的碾壓工藝和設(shè)備。

1 工程概況

濟(jì)濰(濟(jì)南—濰坊)高速公路濟(jì)南連接線,西起孫家鵲山村東南側(cè)(樁號K3+900),東至黃路泉村西側(cè)(樁號K6+425),全長2.525 km。其中K4+398—425處為高填路基斷面,高填路基長度27 m,處理高度12 m(見圖1)。該高填路基采用分層填筑施工,每層采用18 t振動壓路機(jī)碾壓8遍,填筑4層后再用32 t振動壓路機(jī)進(jìn)行補(bǔ)壓,按照該施工方案循環(huán)進(jìn)行,但由于工期緊張無法按照預(yù)期完成施工。為保證工期,提出采用26 t壓路機(jī)分層碾壓5遍且不進(jìn)行32 t壓路機(jī)補(bǔ)壓的施工方案。

圖1 高填路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖(單位:m)

根據(jù)現(xiàn)場土石混合料顆粒分析結(jié)果,該土石路基具有各向異性、分布不均勻等特點(diǎn)。壓路機(jī)碾壓3遍時(shí)出現(xiàn)沉降不穩(wěn)定現(xiàn)象,在路基碾壓搭接處出現(xiàn)壓實(shí)質(zhì)量缺陷等(見圖2)。表1為土石混合料篩分試驗(yàn)結(jié)果。

表1 土石混合料篩分試驗(yàn)結(jié)果

圖2 土石混合路基壓實(shí)狀況

2 高填路基碾壓沉降監(jiān)測方案

通過相鄰兩遍碾壓路基沉降差監(jiān)測與瑞雷面波波速測試,對比分析新舊碾壓方案的施工質(zhì)量,分析新碾壓方案的可行性。

2.1 高填路基沉降監(jiān)測

2.1.1 監(jiān)測方案

對高填路基分層進(jìn)行鋪筑,為保證路基施工質(zhì)量,每層路基碾壓后,在路基表層放置沉降板測試路基地表沉降,通過分析碾壓后路基表層沉降把控路基碾壓質(zhì)量(見圖3)。

圖3 高填路基施工沉降監(jiān)測

按照既定碾壓機(jī)械組合和工藝參數(shù)進(jìn)行施工,碾壓遍數(shù)以往返1次計(jì)為1遍,碾壓至測試路段無明顯碾壓輪跡。按JTG 3450—2019《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》的要求選擇監(jiān)測點(diǎn),沿道路縱向每隔20 m作為一個(gè)觀測斷面,每個(gè)觀測斷面沿橫斷面方向每隔5～10 m均勻布設(shè)沉降觀測點(diǎn)(見圖4)。

圖4 高填路基沉降監(jiān)測點(diǎn)布置

2.1.2 沉降監(jiān)測步驟及要求

(1) 路基碾壓施工完成后,將振動壓路機(jī)停放在測試路段前20 m處,啟動振動壓路機(jī),并調(diào)至強(qiáng)振擋位。

(2) 振動壓路機(jī)以不大于4 km/h的速度對測試路段進(jìn)行碾壓,往返1次為1遍。

(3) 碾壓結(jié)束后用水準(zhǔn)儀逐點(diǎn)測量固定物頂面高程hi1、hi2、…、hij,精確至0.1 mm。

(4) 重復(fù)步驟2～3,測得固定物頂面高程h(i+1)1、h(i+1)2、…、h(i+1)j、…、h(i+n)1、h(i+n)2、…、h(i+n)j,精確至0. 1 mm。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理

(1) 按式(1)計(jì)算第i遍和第i+1遍的沉降差Δhi(i+1)j。

Δhi(i+1)j=h(i+1)j-hij

(1)

式中:h(i+1)j為第j個(gè)固定物在第i+1遍碾壓結(jié)束后的頂面高程(0.1 mm);hij為第j個(gè)固定物在第i遍碾壓結(jié)束后的頂面高程(0.1 mm);i為碾壓遍數(shù);j為固定物編號,j=1,2,…,n。

(2)

(3) 按式(3)計(jì)算第i遍和第i+1遍沉降差的標(biāo)準(zhǔn)差Si(i+1)。

(3)

(4) 計(jì)算一個(gè)測試路段沉降差的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、沉降差的代表值。

2.2 高填路基瑞雷面波測試方案

為保證高填路基碾壓密實(shí)性及均勻性,對路基進(jìn)行瑞雷面波波速測試,根據(jù)測試結(jié)果對壓實(shí)質(zhì)量較差的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)壓。

如圖5所示,在某測點(diǎn)對稱布置面波傳感器組成面波接收排列,在排列的一端與傳感器等間距的位置進(jìn)行激振產(chǎn)生面波,面波儀通過傳感器接收面波并記錄下來,通過對面波記錄的分析處理即可得到測點(diǎn)的頻散曲線,從而求得面波速度隨深度的變化。通過比較激振試驗(yàn)前后同一測點(diǎn)的面波波速和頻散曲線的變化進(jìn)行壓實(shí)效果評價(jià)。

圖5 瑞雷面波勘探原理示意圖

根據(jù)該路基施工情況,在路基靠近邊坡側(cè)布置測點(diǎn),每個(gè)斷面邊坡激振前后監(jiān)測點(diǎn)位置、偏移距、道間距、觀測參數(shù)保持一致。采用線性等道距排列方式,道間距為3 m,偏移距為2 m,采用外觸發(fā)式落重激振。面波儀測線布設(shè)位置見圖6。

圖6 面波儀測線布設(shè)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 路基碾壓沉降分析

該路基采用18 t壓路機(jī)碾壓8遍并進(jìn)行32 t壓路機(jī)補(bǔ)壓的沉降差見圖7～10。由圖7～10可知:按原碾壓方案(采用18 t壓路機(jī)碾壓8遍,填筑4層后再用32 t振動壓路機(jī)進(jìn)行補(bǔ)壓)施工,隨著壓路機(jī)碾壓遍數(shù)的增加,相鄰兩遍碾壓沉降差快速下降。碾壓4遍前各層沉降差曲線變化趨勢與斜率基本相同,且路基每次碾壓后的沉降差不大;碾壓5～8遍時(shí),沉降差曲線出現(xiàn)反復(fù),整體上隨著碾壓遍數(shù)的增加沉降差下降,但部分測點(diǎn)出現(xiàn)上升情況,同時(shí)曲線斜率變緩,沉降慢慢趨于穩(wěn)定,第8遍碾壓完成時(shí)各測點(diǎn)相鄰兩遍沉降差在5 mm以內(nèi);進(jìn)行32 t壓路機(jī)補(bǔ)壓后,4個(gè)測點(diǎn)的沉降差分別為8.62 mm、5.4 mm、4.4 mm、4.02 mm,總體沉降值不大,滿足工程要求。

圖7 18 t壓路機(jī)第一層碾壓沉降差

圖8 18 t壓路機(jī)第二層碾壓沉降差

圖9 18 t壓路機(jī)第三層碾壓沉降差

第9遍為補(bǔ)壓圖10 18 t壓路機(jī)第四層碾壓沉降差及補(bǔ)壓沉降差

該路基采用26 t壓路機(jī)碾壓5遍的沉降差見圖11～14。由圖11～14可知:按新碾壓方案(采用26 t壓路機(jī)碾壓5遍)施工,各測點(diǎn)沉降差變化趨勢相同,線性關(guān)系強(qiáng),整體變化趨勢仍然為隨著碾壓遍數(shù)增加沉降差下降,曲線斜率逐漸變緩,到碾壓第5遍時(shí),各測點(diǎn)沉降差都在5 mm以內(nèi),滿足工程要求。

圖11 26 t壓路機(jī)第一層碾壓沉降差

圖12 26 t壓路機(jī)第二層碾壓沉降差

圖13 26 t壓路機(jī)第三層碾壓沉降差

圖14 26 t壓路機(jī)第四層碾壓沉降差

圖15、圖16分別為18 t、26 t壓路機(jī)不同碾壓遍數(shù)下路基沉降差平均值擬合結(jié)果。由圖15、圖16可知:1) 采用18 t壓路機(jī)碾壓時(shí),第2～4遍沉降差平均值擬合曲線的斜率為第5～8遍的3.9倍,18 t壓路機(jī)前4遍的碾壓效能較高,隨著路基壓實(shí)度的增加,18 t壓路機(jī)對路基的碾壓效果受限,第5遍碾壓后沉降差變化趨勢不穩(wěn)定。2) 采用26 t壓路機(jī)碾壓時(shí),沉降差平均值擬合曲線的斜率較大,分別為18 t壓路機(jī)第2～4遍、第5～8遍沉降差平均值擬合曲線斜率的1.5倍、5.9倍,26 t壓路機(jī)的碾壓效率較高,每次碾壓的效能高,碾壓5遍后壓實(shí)度便可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖15 18 t壓路機(jī)碾壓沉降平均值的線性擬合結(jié)果

圖16 26 t壓路機(jī)碾壓沉降平均值的線性擬合結(jié)果

3.2 路基面波測試分析

圖17、圖18為該路基面波波速分布。由圖17、圖18可知:1) 18 t壓路機(jī)碾壓斷面2 m深度處的波速為170 m/s左右,左側(cè)波速為150 m/s左右,右側(cè)波速為200 m/s左右,左側(cè)斷面密實(shí)性比右側(cè)斷面略差,但整個(gè)斷面的波速分布較均勻,無較大缺陷區(qū)域。2) 26 t壓路機(jī)碾壓斷面2 m深度處的波速為200 m/s左右,波速分布均勻,無任何缺陷區(qū)域,路基碾壓質(zhì)量較高。

圖17 18 t壓路機(jī)碾壓斷面面波波速分布

圖18 26 t壓路機(jī)碾壓斷面面波波速分布

根據(jù)現(xiàn)場施工情況,兩種碾壓方案的碾壓質(zhì)量均滿足工程要求。但采用18 t壓路機(jī)碾壓的路段,部分區(qū)域含水率略高,碾壓質(zhì)量不易控制,這可能是導(dǎo)致碾壓4遍后沉降不穩(wěn)定及面波波速略低的原因。

4 結(jié)論

本文根據(jù)土石混合路基填料的特點(diǎn),引入沉降差控制與瑞雷面波測試,開展高填方土石混合路基壓實(shí)質(zhì)量控制技術(shù)研究,得出如下結(jié)論:

(1) 隨著壓路機(jī)碾壓遍數(shù)的增加,相鄰兩遍碾壓沉降差快速下降,碾壓次數(shù)超過5遍時(shí),部分測點(diǎn)沉降差出現(xiàn)上升情況,同時(shí)沉降差曲線斜率變緩,沉降值慢慢趨于穩(wěn)定。

(2) 18 t壓路機(jī)在碾壓填石路基4遍后效能大幅度降低,但采用32 t壓路機(jī)進(jìn)行補(bǔ)壓后能保證路基壓實(shí)質(zhì)量。26 t壓路機(jī)碾壓5遍后即可達(dá)到路基壓實(shí)度要求。

(3) 兩種碾壓方案下,土石混合路基波速分布均勻,無缺陷區(qū)域,密實(shí)性較好,兩種方案均滿足工程要求。