砂礫卵石土路基施工質(zhì)量檢測(cè)方法研究

任 舸

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210017)

0 引言

砂礫卵石土填筑的路基具有透水性強(qiáng)、 抗剪強(qiáng)度高和整體剛度大等工程特性，是一種較為優(yōu)質(zhì)的路基填料。在現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范中， 沒(méi)有對(duì)砂礫卵石土路基施工的明確技術(shù)要求， 相關(guān)的路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方法和控制指標(biāo)也沒(méi)有具體描述， 使得該類(lèi)材料沒(méi)有大規(guī)模用于高速公路建設(shè)當(dāng)中，造成了不必要的浪費(fèi)[1]。

文中對(duì)壓實(shí)度法和沉降差法的檢測(cè)效果進(jìn)行了分析，同時(shí)進(jìn)行了DCP、彎沉、回彈模量檢測(cè)，對(duì)各種指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了分析，初步探索一種完善的、適合推廣的檢測(cè)方法[2]。

1 工程概況

某高速公路沿線分布有豐富的砂礫卵石土(如圖1所示)，采用砂礫卵石土進(jìn)行路基填筑，取材方便，對(duì)于節(jié)約項(xiàng)目成本，避免大規(guī)模集中取土，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。為更好地積累經(jīng)驗(yàn)，本次試驗(yàn)選取該項(xiàng)目先導(dǎo)段部分路段進(jìn)行試驗(yàn)施工， 試驗(yàn)段砂礫卵石土填筑平均寬度為47.8m，松鋪厚度左幅為40cm，右幅為30cm，共計(jì)需要砂礫卵石土1960m3。

圖1 砂礫卵石土

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作

路基填筑中的砂礫卵石土應(yīng)嚴(yán)格控制粒徑組成，填料中大于5mm 的顆粒含量應(yīng)保持在30%以上、70%以下， 嚴(yán)禁大面積出現(xiàn)砂礫卵石土粗顆粒含量大于70%的區(qū)域。

砂礫卵石土的最大粒徑應(yīng)小于攤鋪厚度的2/3，當(dāng)較難判斷最大粒徑取值時(shí)， 可將最大粒徑取為100mm，大于最大粒徑部分的填料要進(jìn)行人工剔除。

2.2 砂礫卵石土的壓實(shí)

壓實(shí)機(jī)械可選用單鋼輪或拖式振動(dòng)壓路機(jī)， 或與沖擊式壓路機(jī)進(jìn)行組合。碾壓前應(yīng)對(duì)待壓層的松鋪厚度、平整度和含水量進(jìn)行檢查[3]。 振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)噸位應(yīng)在20t 以上，振動(dòng)頻率25Hz～32Hz，振幅1.5mm 以上，碾壓速度控制為2km/h～4km/h。

碾壓組合為先靜壓后振壓再靜壓， 開(kāi)始靜壓遍數(shù)為1 遍整平， 然后按規(guī)定遍數(shù)振動(dòng)碾壓， 最后靜壓1 遍收光。從兩側(cè)開(kāi)始向中間碾壓，輪子與壓路機(jī)行走路線縱向平行，碾壓多次。 碾壓速度為2km/h～4km/h，開(kāi)始時(shí)宜用慢速，嚴(yán)格按確定的振動(dòng)碾壓遍數(shù)進(jìn)行路基全寬碾壓。

2.3 質(zhì)量檢測(cè)方法

2.3.1 壓實(shí)度檢測(cè)

壓實(shí)度是指實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用規(guī)定的擊實(shí)實(shí)驗(yàn)法求得某種土的最大干密度(即標(biāo)準(zhǔn)干密度)ρmax，在施工現(xiàn)場(chǎng)通關(guān)過(guò)壓實(shí)后測(cè)得該種土的干密度ρd，ρd與ρmax之比值即為該種土的壓實(shí)度K，即

現(xiàn)場(chǎng)采用灌砂法測(cè)試砂礫卵石土的干密度： 在試驗(yàn)地點(diǎn)，將基板放在平坦表面上，沿基板中孔鑿洞，并隨時(shí)將鑿松的材料取出裝入塑料袋中。 試洞的深度應(yīng)與測(cè)定層厚度一致，但不得混入下層材料，最后取出洞內(nèi)的鑿松材料。在挖出的材料中選取有代表性的樣品，測(cè)定其含水率(w，以%計(jì))。 在試坑上放置好基板，同時(shí)把灌砂筒放在底板的中心位置， 將灌砂筒的開(kāi)口與基板的開(kāi)孔以及下方的試洞對(duì)齊，將砂筒的開(kāi)關(guān)打開(kāi)，使得砂灌入試洞內(nèi)。取走灌砂筒，并稱(chēng)量筒內(nèi)剩余砂的質(zhì)量。

2.3.2 強(qiáng)度指標(biāo)檢測(cè)

動(dòng)力錐貫入儀(DCP)屬小型輕便地基土原位測(cè)試的觸探儀，這種原位測(cè)試的DCP 貫入儀在國(guó)外已經(jīng)相當(dāng)普遍[3]。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入，動(dòng)力錐貫入儀(DCP)可用于判定路基不同層位的承載能力，其相應(yīng)的結(jié)果是CBR 值，也可以換算為路基回彈模量，該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是方便、快捷、使用靈活，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試或老路路基承載力評(píng)價(jià)應(yīng)用較多。

通過(guò)下邊的公式來(lái)計(jì)算CBR 值和路基回彈模量：

式中，PR 為每錘擊一次的貫入度。

手持式落錘彎沉儀(PFWD)，具有攜帶方便、操作靈活，可靠性好，自動(dòng)記錄并能模擬汽車(chē)荷載作用等優(yōu)點(diǎn)，是一種新的動(dòng)力模量快速無(wú)損檢測(cè)設(shè)備(如圖2)，可用來(lái)快速檢測(cè)路基回彈模量值[4]。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)PFWD 檢測(cè)

PFWD 的荷載施加方式和FWD 一致， 均為動(dòng)荷載，且加載時(shí)間極短，可認(rèn)為瞬時(shí)加載，根據(jù)PFWD 測(cè)得的最大壓力值p 和最大彎沉值l，采用圓形垂直彈性半空間體的剛性承載板理論公式進(jìn)行計(jì)算，可以得到路基模量EP為：

式中：p 代表實(shí)測(cè)的承載板最大單位壓力kPa； δ 代表承載板半徑cm； μ 代表泊松系數(shù)；l 代表實(shí)測(cè)的中心彎沉μm；Ep代表路基回彈模量MPa。

2.3.3 沉降差檢測(cè)

砂礫卵石土路基沉降差檢測(cè)方法是指路基在碾壓完成之后， 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)碾壓前后的高程差即沉降差， 用以評(píng)定路基壓實(shí)質(zhì)量的方法[5]。

主要步驟如下：

(1)首先確定檢測(cè)的斷面及檢測(cè)的點(diǎn)數(shù)布置，在砂礫卵石土攤鋪整平之后，碾壓之前，量測(cè)各測(cè)點(diǎn)的高程。

(2)按照預(yù)定的施工工藝，碾壓參數(shù)對(duì)砂礫卵石土路基進(jìn)行碾壓，并且每碾壓一遍后要進(jìn)行高程檢測(cè)，保證檢測(cè)點(diǎn)與前一環(huán)節(jié)檢測(cè)點(diǎn)處在同一個(gè)垂線上。

(3)直到碾壓到一定遍數(shù)，路基高度穩(wěn)定為止，在沉降差檢測(cè)中，要注意以下幾點(diǎn)：

①因砂礫卵石土具有明顯的離散性，沉降差檢測(cè)時(shí)，應(yīng)以測(cè)點(diǎn)為圓心，20cm 為半徑的圓內(nèi)多次量測(cè)， 取平均值。

②因現(xiàn)場(chǎng)碾壓機(jī)械為振動(dòng)壓路機(jī)， 碾壓過(guò)程中的振動(dòng)波對(duì)水準(zhǔn)儀的穩(wěn)定有重要影響， 若儀器距離碾壓機(jī)械位置較近，壓實(shí)過(guò)程將會(huì)擾動(dòng)儀器的位置，因此水準(zhǔn)儀的架設(shè)位置保證離碾壓機(jī)械20m 以上。

沉降差觀測(cè)試驗(yàn)路堤填料的初始高度為Ho，受壓后的高度為H，S 為壓力P 下路堤的沉降差，三者之間的關(guān)系為：H=Ho-S， 假設(shè)土體壓縮后體積的改變?nèi)珵榭紫扼w積的壓縮，根據(jù)土體前后質(zhì)量不變、壓縮面積不變、填料體積不變的特性得出壓實(shí)度：

式中：ρ0為路基填料初始密度(g/cm3)；α 為松鋪系數(shù)；h1為碾壓前填料厚度；h2為碾壓后填料厚度。

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系

碾壓4 遍后對(duì)30cm 和40cm 試驗(yàn)路段各取兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)做灌砂、 灌水實(shí)驗(yàn)， 測(cè)試出的干密度為2.052g/cm3、2.086g/cm3、2.079g/cm3、2.094g/cm3。 振動(dòng)臺(tái)法測(cè)出的最大干密度平均值為2.108g/cm3， 對(duì)應(yīng)壓實(shí)度分別為：97.3%，98.9%、98.6%、99.3%。灌水法測(cè)得的干密度大于灌砂法測(cè)得的干密度，灌砂法得到的試驗(yàn)結(jié)果可信度更高，碾壓4遍后的壓實(shí)度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.2 碾壓遍數(shù)與CBR、彎沉值、回彈模量的關(guān)系

圖3 碾壓三遍貫入曲線圖

圖4 碾壓四遍貫入曲線圖

圖5 碾壓五遍貫入曲線圖

從碾壓3、4、5 遍貫入度曲線圖(圖3～圖5)中可看出，貫入深度和錘擊次數(shù)有明顯的線性關(guān)系， 碾壓次數(shù)達(dá)到3 遍時(shí)，曲線的離散型較大，隨著碾壓次數(shù)的增多，錘擊次數(shù)和貫入度之間的線性關(guān)系更加清晰， 且曲線的變化范圍比碾壓3 遍明顯收窄，貫入度在最小為17.6cm，最大24.6cm，當(dāng)路基碾壓到第5 遍時(shí)，貫入曲線離散程度又一次增大，最大貫入度31.2cm，顯然這樣對(duì)路基施工得不償失。壓實(shí)度滿(mǎn)足要求時(shí)，砂礫卵石土的最佳壓實(shí)遍數(shù)為4 遍，與灌砂法得出的結(jié)論相一致。

為了更為直觀地反映碾壓遍數(shù)與彎沉值、回彈模量、壓實(shí)度之間的變化關(guān)系， 將碾壓遍數(shù)與前述各參數(shù)用平滑線散點(diǎn)圖6～圖8 表示，并作相應(yīng)的分析。

從圖6 和圖7 可知， 壓實(shí)度和回彈模量均隨著碾壓變數(shù)的增加而增加，當(dāng)碾壓遍數(shù)大于4 次時(shí)，壓實(shí)度和回彈模量隨著碾壓遍數(shù)的增加而減少， 可見(jiàn)碾壓遍數(shù)為4次時(shí)為最佳。

圖6 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系

圖7 碾壓遍數(shù)與回彈模量關(guān)系

圖8 碾壓遍數(shù)與彎沉值關(guān)系

從圖8 得知，彎沉值隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加而減少，當(dāng)碾壓遍數(shù)大于4 次時(shí)，彎沉值開(kāi)始增加，繼續(xù)再增加碾壓遍數(shù)對(duì)增強(qiáng)砂礫卵石土的壓實(shí)效果已經(jīng)沒(méi)有積極影響。

3.3 碾壓遍數(shù)與沉降差的關(guān)系

運(yùn)用沉降差檢測(cè)時(shí)，路基碾壓至第3 遍時(shí)，部分測(cè)點(diǎn)沉降在4mm 以?xún)?nèi)，當(dāng)碾壓至第4 遍時(shí)，全部測(cè)點(diǎn)沉降在4mm 以?xún)?nèi)，當(dāng)碾壓至第5 遍時(shí)，全部測(cè)點(diǎn)沉降在4mm 以?xún)?nèi)，此時(shí)路基壓實(shí)度即滿(mǎn)足要求，路基的最佳壓實(shí)遍數(shù)為4 遍，與灌砂法、灌水法、DCP 法試驗(yàn)得出的第4 遍碾壓結(jié)束后壓實(shí)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求結(jié)論相一致。

4 結(jié)論

(1)砂礫卵石土路基作為施工填料，具有強(qiáng)度高、透水性好和整體剛度大的特點(diǎn)，在無(wú)側(cè)限條件下，局部離散型較大，除壓實(shí)度外，沉降差是另一種重要的壓實(shí)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)砂礫卵石土需運(yùn)用振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)，沉降差檢測(cè)方法能夠較好的反映壓實(shí)質(zhì)量， 同時(shí)運(yùn)用各種檢測(cè)方法確定了最佳壓實(shí)遍數(shù)為4 遍， 同時(shí)沉降差控制標(biāo)準(zhǔn)為4mm。

(3)本文提出的壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方法是可行的，可以滿(mǎn)足高速公路砂礫卵石土路基的填筑要求。