砂礫石土路基施工的質(zhì)量控制與檢測(cè)方法

【摘 要】砂礫石土作為路基填筑材料，填筑的路基具有抗剪強(qiáng)度高、透水性強(qiáng)、整體剛度大等工程特性，是一種比較優(yōu)良的路基填筑材料。文章結(jié)合湖南東常高速公路試驗(yàn)段路基工程，針對(duì)沿線存在豐富的砂礫石土材料，主要采用室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，開展砂礫石土混合料作為路基填料的研究與應(yīng)用。對(duì)砂礫石土工程力學(xué)性質(zhì)、壓實(shí)機(jī)理、施工工藝及檢測(cè)方法等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。可為同類路基的設(shè)計(jì)施工檢測(cè)提供借鑒作用，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】路基工程；砂礫石土；試驗(yàn)段；施工工藝；檢測(cè)方法

1、工程概況

湖南東常高速公路沿線分布有大量的砂礫石土，若能恰當(dāng)?shù)膶⑸暗[石土運(yùn)用于此工程作為路基填料，做到就地取材，對(duì)于節(jié)約項(xiàng)目投資，減少占用當(dāng)?shù)馗兀Ｗo(hù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本次試驗(yàn)以該工程RY-DB3和RY-DB4施工標(biāo)段為試驗(yàn)段，每個(gè)試驗(yàn)段取100m，砂礫石土攤鋪厚度采取松鋪厚度為40cm和30cm兩種方案進(jìn)行試驗(yàn)段施工。試驗(yàn)段路基的平均寬度為52.8m，松鋪厚度左幅40cm，右幅30cm。砂礫石土填筑平均寬度為47.8m，左幅寬19.9m，右幅寬27.9m，包邊土寬度為2.5m，共計(jì)需要砂礫石土1959.6m3，包邊土210m3。

2、室內(nèi)基本性質(zhì)試驗(yàn)

2.1 顆粒分析試驗(yàn)

砂礫石土為粗顆粒填料，與細(xì)顆粒土不同，級(jí)配達(dá)到一定要求后才能達(dá)到較好的填筑效果，選取5個(gè)不同位置的土樣進(jìn)行顆粒分析，顆粒級(jí)配曲線如圖1所示，從級(jí)配曲線可以看出，如以5mm粒徑作為粗細(xì)顆粒的分界點(diǎn)，不同位置處填料的粗顆粒含量不同，砂礫石土填料的粗顆粒含量從試樣1的45.9%到試樣5的71.4%不等，除試樣1外，其他4個(gè)試樣粗顆粒含量均在50%以上，粗顆粒含量跨度較大，達(dá)到35.5%，說(shuō)明砂礫石土填料的顆粒離散性。分析砂礫石土級(jí)配曲線，根據(jù)求得的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc可以看出，除試樣3曲率系數(shù)為3.66，稍大于3以外，其他試樣的曲率系數(shù)在1～3之間，不均勻系數(shù)均大于10，說(shuō)明砂礫石土填料級(jí)配良好。從級(jí)配曲線中還可以看出，級(jí)配曲線較平緩，初步判斷可以得到較好的壓實(shí)。同時(shí)，砂礫石土的最大粒徑達(dá)到60mm以上，最小粒徑小于0.075mm，粒徑跨度極大，雖然從篩分曲線中得出級(jí)配良好，由于粗細(xì)顆粒懸殊，極易造成粗細(xì)顆粒離析，因此現(xiàn)場(chǎng)需加強(qiáng)填料監(jiān)測(cè)，確保填料級(jí)配符合要求。

圖1 顆粒級(jí)配曲線

2.2最大干密度試驗(yàn)

由篩分試驗(yàn)得到砂礫石土的顆粒級(jí)配，依據(jù)已有研究成果，砂礫石土的最大干密度必須考慮粗顆粒與細(xì)顆粒的含量之比，為了更好地評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)填料的現(xiàn)狀，室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的粗顆粒含量分別為20%、40%、60%、70%、80%，采用重型擊實(shí)試驗(yàn)方法，剔除填料中最大粒徑大于40mm部分，根據(jù)公路土工試驗(yàn)規(guī)程中的換算公式得到原級(jí)配的最大干密度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3，砂礫石土的最大干密度隨著粗顆粒含量的增加出現(xiàn)先增大后減少的現(xiàn)象，粗顆粒含量在70%以前，填料的最大干密度隨著粗顆粒含量的增加而增大，但粗顆粒含量在60%以前，砂礫石土的干密度增長(zhǎng)比較緩慢；當(dāng)粗顆粒含量在60%～70%之間時(shí)，砂礫石土隨著粗顆粒含量的增多密度迅速增大。分析認(rèn)為，此時(shí)粗細(xì)顆粒相互填充、膠結(jié)，相應(yīng)的密度增大，粗顆粒含量繼續(xù)增加，大顆粒之間形成明顯的骨架沒(méi)有足夠的細(xì)粒料填充空隙，出現(xiàn)明顯的空隙，從而導(dǎo)致密度下降，孔隙率增大。砂礫石土的最優(yōu)含水率隨著粗顆粒含量的增大而減小，粗顆粒含量小于40%時(shí)，最優(yōu)含水率減小比較緩慢；含量為40%～60%時(shí)減小較快；當(dāng)粗顆粒含量大于60%后最優(yōu)含水率又趨于平緩。分析認(rèn)為，隨著粗顆粒含量增加，試樣總的比表面積較少，擊實(shí)過(guò)程中，水起到潤(rùn)滑作用，顆粒比表面積減少，需要的水相應(yīng)減少。

圖2 最大干密度與粗顆粒含量關(guān)系

圖3 最優(yōu)含水率與粗顆粒含量關(guān)系

2.3承載比試驗(yàn)

加州承載比試驗(yàn)是由美國(guó)加利福尼亞州公路局首先提出來(lái)的，通常簡(jiǎn)稱CBR（californiabearingratio）試驗(yàn)，是一種評(píng)定材料承載能力的試驗(yàn)方法。國(guó)外多采用CBR值作為路面材料和路基土的設(shè)計(jì)參數(shù)，我國(guó)路基設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)CBR值也有具體的規(guī)定。運(yùn)用章節(jié)3.2中的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)砂礫石土填料在粗顆粒含量分別為20%，40%，60%，80%下進(jìn)行承載比試驗(yàn)。當(dāng)粗顆粒含量為60%時(shí)考慮了不同擊實(shí)次數(shù)成型下的CBR值，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、5所示。從曲線可以看出，在擊實(shí)次數(shù)保持不變，即擊實(shí)98次時(shí)壓實(shí)度達(dá)到100%且泡水4d時(shí)，CBR值隨著粗顆粒含量的增加而增加；粗顆粒為20%時(shí)，試樣的CBR值較小，與普通細(xì)顆粒土相當(dāng)；當(dāng)粗顆粒含量達(dá)到40%時(shí)，試樣的CBR值較試樣A增加1倍左右，達(dá)到17.24%；粗顆粒含量繼續(xù)增加到60%，試樣的CBR值出現(xiàn)快速增加的趨勢(shì)，增加幅度明顯加快，達(dá)到61.95%；隨著粗顆粒含量的繼續(xù)增加，CBR值繼續(xù)增加，但變化緩慢，當(dāng)粗顆粒含量達(dá)到80%時(shí)，CBR值達(dá)到63.91%。從路基填筑要求考慮，上述粗顆粒含量均能滿足要求。從CBR隨擊實(shí)次數(shù)關(guān)系曲線可以看出，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，砂礫石土的CBR值增加，經(jīng)過(guò)計(jì)算，擊實(shí)30次后砂礫石土的壓實(shí)度達(dá)到95%，擊實(shí)50次壓實(shí)度達(dá)到97%。由此可見(jiàn)，當(dāng)粗顆粒含量為60%時(shí)，路基在上述壓實(shí)度情況下，CBR值均能滿足要求。

圖4 CBR值與粗顆粒含量關(guān)系

圖5 CBR值與擊實(shí)次數(shù)關(guān)系

3、現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)

碾壓之前，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)砂礫石土進(jìn)行篩選，填料最大粒徑控制在松鋪厚度的2/3，對(duì)粒徑大于100mm部分進(jìn)行剔除。同時(shí)，取樣做天然含水率實(shí)驗(yàn)，砂礫石土在含水率為5.5%時(shí)進(jìn)行碾壓，由于砂礫石土為無(wú)黏性粗顆粒土，粗顆粒含量達(dá)到一定值后，粗顆粒之間形成點(diǎn)-點(diǎn)接觸，細(xì)顆粒填充在粗顆粒形成的骨架之中，若只采用靜力壓實(shí)，只能增加路基中的應(yīng)力，粗顆粒之間相對(duì)位置變化不大，達(dá)不到減小顆粒間阻力的作用。而振動(dòng)壓實(shí)對(duì)于砂礫石土路基兼有增加應(yīng)力與減少阻力的雙重優(yōu)勢(shì)，砂礫石土在振動(dòng)荷載作用下，粗顆粒經(jīng)平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到更加穩(wěn)定的位置，減少了粗顆粒之間形成的空隙，已有研究成果表明，碾壓噸位越大，碾壓速度越慢，振幅越大，壓實(shí)效果越好。當(dāng)振動(dòng)頻率接近填料的固有頻率時(shí)，更容易壓實(shí)，一般粗粒土的固有頻率為30～50Hz。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，碾壓時(shí)采用振動(dòng)壓路機(jī)，工作質(zhì)量為22000kg，壓路機(jī)的額定功率為128kW，振幅在2.1mm檔，頻率使用32Hz檔。先穩(wěn)壓1遍，再振動(dòng)碾壓4遍，碾壓時(shí)往返為1遍，壓路機(jī)碾壓速度為1.5～1.8km/h。

本次砂礫石土路基填筑試驗(yàn)主要依靠路基壓實(shí)沉降量來(lái)檢測(cè)，施工成型后，采用二等水準(zhǔn)測(cè)量每層填筑前和碾壓后的高程，以此確定每層的填筑高度、各碾壓遍數(shù)和碾壓沉降量。在進(jìn)行壓實(shí)沉降的同時(shí)，進(jìn)行了壓實(shí)度、CBR、彎沉、回彈模量檢測(cè)，比較各種檢測(cè)指標(biāo)的相關(guān)性，并驗(yàn)證采用沉降量控制的可行性，提出沉降量的控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.1沉降差檢測(cè)法

沉降差檢測(cè)方法是指在路基壓實(shí)穩(wěn)定之后，測(cè)定壓實(shí)層表面的測(cè)點(diǎn)在用標(biāo)準(zhǔn)噸位的壓路機(jī)械碾壓前后的高度差，以此來(lái)評(píng)定路基壓實(shí)質(zhì)量的方法。這種方法認(rèn)為，一定荷載作用下壓實(shí)層頂面的沉降量穩(wěn)定或小于某一范圍時(shí)即說(shuō)明路基壓實(shí)到了密實(shí)狀態(tài)。大量路基現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)踐已經(jīng)證明，沉降差檢測(cè)的結(jié)果具有很好的規(guī)律性，本次試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如圖6、7所示。由圖可以看出，沉降量隨著碾壓遍數(shù)的增加而減少，不同測(cè)點(diǎn)在前3遍碾壓時(shí)沉降差相差較大，松鋪厚度為40cm時(shí)碾壓的沉降量比松鋪厚度30cm的沉降量大，碾壓5遍后的總沉降量也較松鋪厚度30cm的大，說(shuō)明松鋪厚度30cm比40cm碾壓效果好，砂礫石土混合料在碾壓2遍后沉降量仍然較大，且各點(diǎn)沉降不穩(wěn)定，需要繼續(xù)碾壓，碾壓3遍后的沉降量較碾壓2遍沉降量穩(wěn)定，碾壓4遍后多數(shù)點(diǎn)的沉降量穩(wěn)定在4mm以內(nèi)，說(shuō)明此時(shí)路基已經(jīng)達(dá)到較高的壓實(shí)度，但繼續(xù)碾壓5遍后有少部分點(diǎn)的沉降差為負(fù)值，說(shuō)明路基出現(xiàn)了回彈，初步判斷碾壓遍數(shù)4遍為宜。

圖6 松鋪厚度30cm時(shí)沉降差

圖7 松鋪厚度40cm時(shí)沉降差

3.2 壓實(shí)度、CBR、彎沉檢測(cè)

為了驗(yàn)證章節(jié)4.1提出沉降差檢測(cè)的可行性，對(duì)兩種松鋪厚度下的砂礫石土在碾壓4遍后，進(jìn)行了砂礫石土的壓實(shí)度、CBR、彎沉值、回彈模量檢測(cè)，采用灌砂法檢測(cè)試驗(yàn)段的壓實(shí)度，采用動(dòng)力圓錐貫入儀（DCP）進(jìn)行加州承載比（CBR）檢測(cè)，運(yùn)用手持式落錘彎沉儀（PFWD）進(jìn)行路基彎沉值和回彈模量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖8、9。圖中，規(guī)定值壓實(shí)度為96%，CBR為8%，彎沉值為1.5mm，回彈模量為40MPa，因最大干密度非固定值，隨粗顆粒含量而變化，本次壓實(shí)度計(jì)算采用粗顆粒含量為60%時(shí)的最大干密度。從圖中還可以看出，上述兩種松鋪厚度下，壓實(shí)度與規(guī)定值的比值多數(shù)都在水平直線y=1上方，少部分在該直線下方，即壓實(shí)度小于96%，各測(cè)點(diǎn)壓實(shí)度不同的主要原因是不同測(cè)點(diǎn)處的顆粒級(jí)配并不一樣，因此各測(cè)點(diǎn)的最大干密度不同，統(tǒng)一采用粗顆粒含量為60%時(shí)的最大干密度，必然存在一定的誤差，故采用壓實(shí)度指標(biāo)并不能很好的反映壓實(shí)效果，且灌砂檢測(cè)法費(fèi)力費(fèi)時(shí)，屬于破壞性檢測(cè)，試坑需要再壓實(shí)。使用DCP測(cè)得的CBR值全部大于規(guī)定值，說(shuō)明砂礫石土的強(qiáng)度較高。但現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的CBR值小于室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得值，主要是兩種試驗(yàn)方法級(jí)配組成不同引起的，從曲線可以看出，CBR數(shù)據(jù)離散，沒(méi)有明顯的規(guī)律，最大值達(dá)到規(guī)定值的5.36倍，最小值為1.84倍，數(shù)據(jù)表明，DCP用于砂礫石土的壓實(shí)檢測(cè)有一定的參考價(jià)值。PFWD作為一種新型路基檢測(cè)設(shè)備，具有攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，從PFWD測(cè)得的數(shù)據(jù)可以看出，除松鋪厚度30cm中的20號(hào)點(diǎn)外，碾壓4遍后的彎沉值與規(guī)定值的比值均小于1，回彈模量與規(guī)定值的比值均大于1，說(shuō)明路基碾壓4遍后后彎沉值小于規(guī)定值，回彈模量大于規(guī)定值，滿足彎沉和回彈模量的要求，由于彎沉值與回彈模量成反比關(guān)系，故圖中彎沉值與回彈模量有較好的對(duì)應(yīng)性。

圖8 30cm松鋪厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖9 40cm松鋪厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)

3.3沉降差檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值的確定與評(píng)價(jià)

前述各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)中，均表現(xiàn)出一定的數(shù)據(jù)離散型，這是砂礫石土作為路基填料的重要特性，是砂礫石土填料的不均勻性造成的。不同位置處的顆粒級(jí)配、粗顆粒含量、最大粒徑均不同，為了更好地評(píng)定砂礫石土路基的壓實(shí)程度，需要確定沉降差檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)值，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值比較，以判斷是否需要繼續(xù)碾壓，但現(xiàn)場(chǎng)不可能檢測(cè)每一個(gè)點(diǎn)，同時(shí)不能保證所有檢測(cè)點(diǎn)的沉降差都小于標(biāo)準(zhǔn)值。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀點(diǎn)考慮，碾壓前后的沉降差數(shù)據(jù)應(yīng)服從正態(tài)分布，對(duì)碾壓4遍后48個(gè)沉降差觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，樣本的平均值μ=3.234，樣本的標(biāo)準(zhǔn)方差σ=0.878，單個(gè)值的單側(cè)波動(dòng)區(qū)間為μ+2σ=4.99，擬定沉降差標(biāo)準(zhǔn)值為5mm。假設(shè)檢驗(yàn)是數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中根據(jù)一定假設(shè)條件由樣本推斷總體的一種方法，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)中的2σ未知時(shí)的顯著性假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停勺骷僭O(shè)H0：μ>μ0，H1：μ≤μ0，顯著性水平α=0.05，引進(jìn)統(tǒng)計(jì)量T：

（1）

式中： 為樣本均值；μ為總體均值；μ0為沉降差檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值；S為樣本標(biāo)準(zhǔn)差；n為樣本數(shù)。

H0的拒絕域?yàn)門≤?tα（n-1），其中tα（n-1）為自由度為n?1的t分布的上側(cè)α分位點(diǎn)，由α=0.05及自由度n?1=47查表得tα（n-1） =t0.05（47）=1.6779，由樣本數(shù)據(jù)得 =3. 234，