再生小粒徑碎石填料在濕陷性黃土路基中的應(yīng)用分析

高瑞陽

(甘肅交建項目管理有限公司,甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

建筑廢棄物是一種可廣泛應(yīng)用的廢棄資源。利用建筑廢棄物作為路基回填材料是一種較為直接的應(yīng)用方法,可以有效地減少砂礫等自然資源的消耗。因此,有必要積極探索各種方法,促進(jìn)建筑廢棄物在路基工程中的應(yīng)用。建筑廢棄物集料具有廣泛的應(yīng)用范圍,并已被應(yīng)用于路基回填工程。目前常用的路基回填材料主要有碎石、砂土等。同時包括土壤混合的煤渣和與土壤混合的建筑廢棄物。然而,很少有研究側(cè)重于建筑廢棄物中的再生小粒徑碎石填料的應(yīng)用。

采用再生小粒徑碎石填料在黃土路基上進(jìn)行回填,不僅可以減輕對環(huán)境的影響,而且可以解決公路建設(shè)中的原材料緊缺問題,具有重大的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益。但現(xiàn)有研究多側(cè)重于再生小粒徑碎石填料基礎(chǔ)的物理-力學(xué)性質(zhì),未對路基施工變形進(jìn)行探討。在黃土路基中,除蠕變之外,外部環(huán)境也極有可能對其長期變形造成顯著的影響,尤其是水分的浸潤會導(dǎo)致其表面的潤滑性和軟化。因此,開展相關(guān)研究對再生小粒徑碎石填料的再生利用具有重要意義。為此,擬通過對再生小粒徑碎石填料黃土路基進(jìn)行長時間室內(nèi)變形觀測,揭示再生小粒徑碎石填料的長期變形特性及作用機(jī)制,為工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 工程背景

青島至銀川高速公路K555+070～K55+710 段位于河北省寧晉縣境內(nèi)。研究區(qū)位于冀中平原中南部,是太行山東麓的沖積平原。地勢低平,自西北向東南略有傾斜,自然坡度為1/4 000。全區(qū)最高海拔36.5 m,最低海拔24.4 m。年平均降水量為449.1 mm,降水量的季節(jié)差異和年際差異較大。該地區(qū)有11條季節(jié)性河流,河流總長170.32 km,河網(wǎng)密度0.16 km/km2,年徑流總量31.54億m3。

對K555+070～K557+710段進(jìn)行的現(xiàn)場鉆探和室內(nèi)土工試驗表明,該路段的土層主要由淤泥、淤泥質(zhì)黏土和黏土組成,局部夾有一層中細(xì)砂。研究路段自上而下的土層如下:(1)瀝青面層 0.7 m;(2)人工填料: 3.2～4.5 m;(3)淤泥:2.7～4.1 m;(4)黃土:2.6～3.2 m;(5)淤泥砂:4.9～6.0 m;(6)淤泥: 3.4～4.0 m。

青島至銀川高速公路 K555+070～K557+710 段自2019年6月起出現(xiàn)明顯的路基不均勻沉降,裂縫寬度為0.5～15 mm。從裂縫出現(xiàn)到路基沉降處理,裂縫不斷擴(kuò)大,裂縫處產(chǎn)生次生裂縫,雨季尤為明顯。道路養(yǎng)護(hù)工區(qū)曾對該裂縫路面進(jìn)行補(bǔ)縫處理,但處理效果不明顯。因此,為控制路基不均勻沉降的發(fā)展,計劃對該路段進(jìn)行再生小粒徑碎石填料加固處理。

2 試驗材料與方法

2.1 材料

本研究所采用的再生小粒徑碎石填料為工程廢棄料,其成分見表1。其中,廢石料約為35%,再生混凝土約為40%,再生砂漿約為15%,其他部分約為10%。其他成分以土壤及無法分開的石塊碎屑為主。

表1 小粒徑碎石填料成分 單位:%

2.2 試驗方法

按照《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)[3],將回收的再生小粒徑碎石填料按照三層進(jìn)行壓實。在壓制時,試筒的內(nèi)徑為15.2 cm。在此基礎(chǔ)上,對不同含水量的土樣進(jìn)行擊實試驗,得出了不同含水量下的最佳含水量及最大干密度。試驗結(jié)果表明,該方法的最佳含水量和最大干密度分別為12.5%和1.93 g/cm3。

2.3 蠕變試驗方法

試件的蠕變試驗步驟為:先將試件置于鋼制套管中,然后在套管中加入適量的水,使其浸沒。48 h后,試件被視為達(dá)到了飽和狀態(tài),接上測微計,記錄試件的變形情況。最后,稱量所需要的負(fù)載,并將負(fù)載一次作用于負(fù)載平臺。

在加載過程中,在5 d的時間里,每日3次進(jìn)行記錄。為使試樣處于濕潤條件,必須在套管中周期性地加入水分。

3 結(jié)果與討論

3.1 蠕變試驗

研制了一種可使試件在水環(huán)境中長期浸水的固結(jié)蠕變試驗裝置。本裝置包括加載平臺、防傾裝置、承載板、鋼制外殼、表盤、底座。為了便于試驗,直接用重錘加載,所用設(shè)備全部由鋼板制成,以達(dá)到試驗載荷的要求[4]。

在試驗的基礎(chǔ)上,對黃土路基進(jìn)行壓實試驗。對再生小粒徑碎石填料黃土路基進(jìn)行5種加載試驗,計算出路面加載的第一級荷載為38.59 kPa,其他各等級的荷載采用再生小粒徑碎石填料的重量進(jìn)行計算,詳見表2。

表2 施加荷載

為進(jìn)一步研究再生小粒徑碎石填料的長期變形機(jī)制,開展了室內(nèi)長期蠕變試驗。再將試件卸荷,得出表3中所示的加載-卸載數(shù)據(jù)。在飽水狀態(tài)下,蠕變以穩(wěn)態(tài)蠕變?yōu)橹?隨著時間的推移,蠕變變形趨于平穩(wěn)。在加載過程中,試件發(fā)生了顯著的瞬態(tài)變形。當(dāng)載荷增大時,再生小粒徑碎石填料的破碎與充填度增大,瞬間變形量增大。從表中可以看出,在各種載荷的情況下,應(yīng)變的比例分別為92.69%、88.65%、86.20%、83.25%、82.56%,且均>80%。在工程實施過程中,必須對其進(jìn)行壓實檢驗,以減小其沉降。

表3 蠕變變形條件下的應(yīng)變變化

再生小粒徑碎石填料在黃土路基下的蠕變變形可分為慢速蠕變期和穩(wěn)態(tài)蠕變,這兩個過程所需的時間都比較長。在初始階段,隨著再生小粒徑碎石填料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變,材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,同時再生小粒徑碎石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。再生細(xì)顆粒級配碎石作為一種粗集料,參考堆石蠕變穩(wěn)定準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計。當(dāng)小粒徑碎石填料在1 h內(nèi)的形變小于0.000 1 mm時,其蠕變率才能保持穩(wěn)定。其蠕變穩(wěn)定期為40、42、180、200 h左右,且隨載荷增大,其蠕變變形增大,進(jìn)入蠕變穩(wěn)定期的時間延長。

3.2 現(xiàn)場沉降分析

由于混合料中含有再生小粒徑碎石填料,傳統(tǒng)施工工藝可能會導(dǎo)致碾壓強(qiáng)度不足、再生小粒徑碎石填料含水量過高等問題,造成路基不穩(wěn)定、使用壽命降低等問題,因此應(yīng)避免在雨季施工。如果在雨季施工,應(yīng)做好路基的防排水措施。在攤鋪過程中,網(wǎng)格尺寸為8 m×8 m,虛鋪系數(shù)控制在1.18,虛鋪厚度為350 mm,碾壓方式為振動碾壓。

現(xiàn)場實測結(jié)果不但有利于對黃土路基沉降進(jìn)行更深層次的分析與預(yù)測,也對再生小粒徑碎石填料黃土路基的工程實踐具有一定的指導(dǎo)意義。在黃土路基的上下兩面布置了位移傳感器,并對其進(jìn)行沉降觀測。在此基礎(chǔ)上,分別對黃土路基頂部及基礎(chǔ)沉降進(jìn)行觀測,從而得出黃土路基層的沉降。共設(shè)計6個監(jiān)測點(diǎn),分別對不同路基位置進(jìn)行長時間的變形觀測。

實測成果見圖1,在整個監(jiān)測過程中,黃土路基各區(qū)域的沉降均存在差異,但變化趨勢基本一致。其中,左、右兩個方向的沉降最大,分別為38.2 mm和32.21 mm,最大沉降差達(dá)5.99 mm。且對于34.5 m寬的路基,路基的沉陷是比較平均的。

圖1 沉降測量結(jié)果

從圖1可以看出,各監(jiān)測點(diǎn)的沉降量分別為2.55、3.05、3.07、3.01、2.64 mm。各監(jiān)測點(diǎn)在2019年12月后沉降量為34.07、34.15、33.37、33.35、29.57 mm,占總沉降量的93.04%、92.02%、91.58%、91.72%、91.80%。由此可見,公路運(yùn)營狀況對黃土地基的沉降具有較大的影響。初始階段,沉降速率稍有增大。隨著高速公路投入運(yùn)營,黃土地基的沉降問題日益突出。一方面,高速行駛的汽車會對再生小粒徑碎石填料造成擠壓碰撞。在重復(fù)荷載下,再生小粒徑碎石填料之間會發(fā)生摩擦,并產(chǎn)生不可逆塑性變形。另外,在凍融循環(huán)、干濕循環(huán)等因素作用下,黃土路基的溫濕特性也會受到不同程度的影響。在冬季,由于地表沉降量大,夜晚氣溫低,導(dǎo)致路基發(fā)生凍融損傷。

4 結(jié) 論

通過一系列室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測量,研究了再生小粒徑碎石填料的長期變形特性。主要結(jié)論如下。

(1)黃土路基各區(qū)域的沉降均存在差異,但變化趨勢基本一致。其中左、右兩個方向的沉降最大,分別為38.2 mm和32.21 mm,最大沉降差達(dá)5.99 mm。

(2)當(dāng)小粒徑碎石填料在1 h內(nèi)的形變小于0.000 1 mm時,其蠕變率才能保持穩(wěn)定。其蠕變穩(wěn)定期為40、42、180、200 h左右,且隨載荷增大,其蠕變變形增大,進(jìn)入蠕變穩(wěn)定期的時間延長。