填石路堤壓實(shí)質(zhì)量無損快速檢測技術(shù)*

劉玉龍，鐘少杰，郜夢棵

(1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510000；2.長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410000)

0 引言

隨著中西部公路工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，山嶺地區(qū)修建高速公路受自然條件限制，深挖路塹和隧道施工會產(chǎn)生大量大粒徑碎石料，為合理利用資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，填石路堤是我國山區(qū)高速公路修筑中的必然選擇[1]。

當(dāng)填方路基中粒徑≥60mm的顆粒>50%，<0.074mm的顆粒低于10%時，即可進(jìn)一步明確填石路堤的概念[2]。我國填石路堤工程的應(yīng)用開始于20世紀(jì)80年代，在技術(shù)方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)。劉鑫[3]依托施工試驗(yàn)路段結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，證明粗粒料有較好的物理力學(xué)性質(zhì)，是較理想的路基填筑材料。邸小勇等[4]的研究表明，填石料自身的壓縮對路面修筑幾乎無影響，對路堤修筑有利。郭精德[5]以張承高速公路巨粒土填方路基試驗(yàn)段為例，介紹了山區(qū)高速公路巨粒土填方路基施工填筑工藝和質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)。

填石路堤的壓實(shí)質(zhì)量控制及其檢測方法關(guān)系到整個路堤施工的整體質(zhì)量及施工效率，邵臘庚等[6]依托宜昌—長陽高速公路項(xiàng)目鋪筑試驗(yàn)路段，研究了沉降差與壓實(shí)密度、碾壓參數(shù)間的關(guān)系，提出填石路堤壓實(shí)質(zhì)量快速檢測法。張榮等[7]依據(jù)填石路堤壓實(shí)孔隙率設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，開展試驗(yàn)研究，確定碾壓組合參數(shù)和沉降差控制標(biāo)準(zhǔn)。李國峰等[8]分析各因素對檢測結(jié)果的影響，將無核密度儀用于現(xiàn)場快速檢測。

為推進(jìn)填石路堤在高速公路建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，對本標(biāo)段試驗(yàn)路段填石路堤填筑工藝及壓實(shí)施工工藝等進(jìn)行總結(jié)探討，分析灌水法測定孔隙率對填石路堤壓實(shí)質(zhì)量控制的影響，探究無核密度儀應(yīng)用于填石路堤質(zhì)量的快速檢測方法。

1 山區(qū)填石路堤填筑工藝

1.1 工程概況

廣州從化—清遠(yuǎn)連州高速公路全線采用六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度為120km/h，路基寬度為34.5m，設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級。沿線通過地層有第四系、石炭系、泥盆系地層等，巖性主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等。TJ09標(biāo)段沿線3座隧道總長達(dá)5.51km，占標(biāo)段長度29.9%。因存在大量巖質(zhì)隧道和路塹邊坡的爆破作業(yè)，形成大量大粒徑碎礫石材料，可用于填石路堤修筑，降低了工程造價，縮短了施工周期。

填石路堤試驗(yàn)路段K148+530—K148+680長150m，填方高度為5.5～7.6m。通過在試驗(yàn)路段開展山區(qū)填石路堤填筑、壓實(shí)工藝研究，并在路堤填筑完成后通過埋設(shè)傳感器對其完工后的沉降進(jìn)行監(jiān)測，以對填石路堤的長期質(zhì)量進(jìn)行把控。

1.2 施工工藝

1.2.1分層填筑

山區(qū)填石路堤具有自重大、強(qiáng)度高、壓實(shí)密度大的特點(diǎn)，填筑前需先明確地基處理要求。根據(jù)工程施工資料，不同填筑高度的路基需滿足的地基承載力為[9]：①高度<10m 承載力應(yīng)>150kPa；②高度為10～20m 承載力應(yīng)>200kPa；③高度>20m 路基需位于對應(yīng)的巖石基底。

現(xiàn)行規(guī)范要求填石路堤應(yīng)分層填筑、壓實(shí)。在陡峻山坡地、施工特別困難地段、三級及以下砂石路面公路下路堤可采用傾填方式。具體施工中，不同項(xiàng)目需結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況、施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工。填石路堤施工流程如圖1所示。

圖1 填石路堤施工流程

填筑采用橫斷面全寬縱向分層填筑壓實(shí)。每層松鋪厚度≤50cm。填筑前先用石灰線打出方格網(wǎng)，方格網(wǎng)按路基寬度橫向從中線分開，縱向每隔5m打1道橫線，根據(jù)每個方格的面積，結(jié)合運(yùn)輸車運(yùn)石料量，確定每個方格卸石料車數(shù)。

實(shí)際施工時，要嚴(yán)格控制每輛運(yùn)輸車運(yùn)量，不得隨意加減，以保證上料厚度均勻，進(jìn)而確保壓實(shí)度。石塊逐層水平填筑，填筑時安排好石料運(yùn)輸路線，按水平分層，先低后高、先兩側(cè)后中央卸料，并用D85型推土機(jī)攤平。個別不平處配合人工用細(xì)石塊石屑找平。當(dāng)石塊級配較差、粒徑較大、填層較厚、石塊間空隙較大時，在每層表面空隙插入石渣、石屑、中粗砂，反復(fù)數(shù)次使空隙填滿。

人工填筑過程中，不同填鋪粒徑采用不同的填筑方法。填鋪石料粒徑≥25cm時，先填鋪大塊石料，大塊石料間空隙用小石塊、石屑填滿，最后壓實(shí)；填鋪石料粒徑<25cm時，直接分層攤鋪、分層碾壓。填筑路堤最后1層鋪筑厚度≤400mm的開山石渣，過渡層碎石料粒徑<150mm，<0.05mm的細(xì)料含量≥30%。

1.2.2攤鋪平整

路基攤鋪方式可分為漸進(jìn)式、后退式和混合攤鋪法，其中漸進(jìn)式攤鋪法最適合填石路堤施工。卸下填料后，先用大型推土機(jī)粗平，使填筑層表面大致平整，然后人工配合找平、填塞孔洞。對于不滿足要求的粒徑，采取人工與機(jī)械相結(jié)合的方式進(jìn)行剔除，保證粒料級配的科學(xué)性。最后在每層表面填筑10～20cm厚的礫石或粒徑≤10cm的碎石，達(dá)到層面平整、無孤立石塊突出，以保證碾壓密實(shí)。

1.2.3振動壓實(shí)

填石路堤由隧道礦渣填筑而成，自身強(qiáng)度高，壓實(shí)后的質(zhì)量主要受填石料力學(xué)性質(zhì)、級配特性、壓實(shí)機(jī)械性能及壓實(shí)工藝參數(shù)的影響[10]，因此填石料須經(jīng)過充分壓實(shí)才能保證路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

在路基壓實(shí)過程中，常規(guī)壓實(shí)方案僅通過調(diào)整碾壓遍數(shù)提升碾壓效果。本項(xiàng)目根據(jù)不同層位調(diào)整壓路機(jī)械參數(shù)，通過試驗(yàn)路段確定最佳壓實(shí)組合，如表1所示。

表1 最佳壓實(shí)組合

壓實(shí)時繼續(xù)用小石塊或石屑填縫，直到壓實(shí)層頂面穩(wěn)定、無下沉、石塊緊密、表面平整為止。每層碾壓完成后，按規(guī)范規(guī)定的頻率進(jìn)行取樣檢驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)壓實(shí)度符合要求后，方可進(jìn)行下一層填筑。

對K148+600—K148+680路段進(jìn)行分層碾壓，在常規(guī)路堤壓實(shí)基礎(chǔ)上，利用三邊形沖擊式壓路機(jī)沖壓1次進(jìn)行增強(qiáng)補(bǔ)壓(沖擊式壓路機(jī)沖壓20遍記為1次)，通過與K148+530—K148+600路段填筑壓實(shí)后的路堤整體沉降對比，研究沖擊式壓路機(jī)對填石路堤壓實(shí)施工的作用。

2 填石路堤壓實(shí)質(zhì)量檢測技術(shù)

控制壓實(shí)質(zhì)量是保證填石路堤整體質(zhì)量的關(guān)鍵因素，傳統(tǒng)檢測方法的壓實(shí)質(zhì)量控制指標(biāo)主要分為物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)[1]。由于填料特性，填石路堤壓實(shí)質(zhì)量檢測指標(biāo)與普通填土路堤不同，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定利用孔隙率對填石路堤壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行控制，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 填石路堤壓實(shí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(孔隙率)

2.1 壓實(shí)質(zhì)量檢測方法

目前，填石路堤壓實(shí)度檢測方法主要有灌水法、沉降差法、核子濕密度儀法及重型重力觸探法等。本項(xiàng)目采用灌水法進(jìn)行孔隙率測試控制壓實(shí)質(zhì)量，同時采用無核密度儀進(jìn)行現(xiàn)場檢測，以提升質(zhì)量檢測效率。

2.1.1灌水法檢測

孔隙率主要通過檢測填料表觀密度和干密度后計算得出。同一檢測層位取3個點(diǎn)位進(jìn)行檢測，如圖2所示。取其平均值作為該層位孔隙率檢測結(jié)果。灌水法測定孔隙率傳統(tǒng)可靠、可量化，但現(xiàn)場試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)，準(zhǔn)確性易受人為因素影響，檢測效率低。

圖2 灌水法檢測點(diǎn)位

2.1.2無核密度儀檢測

無核密度儀屬于無損檢測，不破壞路基完整性，且測量更簡潔快速，讀數(shù)快，測取1個樣本點(diǎn)僅需3s左右，易重復(fù)測量及在施工過程中實(shí)時測量。在實(shí)際操作過程中，每處測試位置采取5點(diǎn)取樣法(見圖3)，取5個點(diǎn)位平均值作為該處測試位置的測量結(jié)果。

圖3 5點(diǎn)取樣法

2.2 取樣測量及數(shù)據(jù)分析

2.2.1水袋法檢測結(jié)果分析

對K148+550—K148+680路段進(jìn)行現(xiàn)場檢測。采用灌水法檢測孔隙率時，每攤鋪碾壓1層即檢測1次，每層抽檢3個點(diǎn)位。主要檢測數(shù)據(jù)為現(xiàn)場濕密度，測試結(jié)果如表3所示。

表3 現(xiàn)場濕密度測試結(jié)果 g·cm-3

現(xiàn)場灌水法檢測濕密度后，對開挖試坑內(nèi)填料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，檢測其含水率、干密度及表觀密度，結(jié)合現(xiàn)場濕密度計算得各層位孔隙率，下路堤、上路堤、下路床、上路床孔隙率分別為21%，16%，21%，15%。

根據(jù)孔隙率現(xiàn)場檢測結(jié)果可知，在上述施工工藝、壓實(shí)組合方案下，該路段孔隙率檢測結(jié)果滿足規(guī)范與設(shè)計文件下路堤25%、上路堤23%的要求。但測點(diǎn)3各層位現(xiàn)場檢測濕密度整體低于測點(diǎn)1，2。究其原因，測點(diǎn)3位于路肩范圍內(nèi)，在壓實(shí)機(jī)具壓實(shí)過程中，路肩一側(cè)為邊坡，存在一定程度的粒料松散情況，導(dǎo)致壓實(shí)效果不如道路內(nèi)側(cè)。在后續(xù)施工過程中，針對路肩范圍可增加碾壓遍數(shù)或適當(dāng)降低邊坡坡率至1∶1.5，減緩路肩范圍粒料在碾壓過程中的松散情況，并著重檢測路肩范圍內(nèi)的壓實(shí)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)壓實(shí)質(zhì)量不足時，及時進(jìn)行針對性補(bǔ)壓。

2.2.2無核密度儀檢測結(jié)果分析

采用灌水法檢測孔隙率前，先利用無核密度儀按5點(diǎn)取樣法進(jìn)行無損檢測，檢測每個點(diǎn)位密度值，并計算其平均值作為該層密度值，下路堤、上路堤、下路床、上路床密度分別為2.236，2.197，2.234，2.302g/cm3。

為提高路基壓實(shí)過程中壓實(shí)質(zhì)量檢測效率，考慮采用無核密度儀結(jié)合灌水法檢測路基壓實(shí)度，以無核密度儀檢測密度代替現(xiàn)場開挖試坑得出的密度，計算路基孔隙率。采用現(xiàn)場灌水法與無核密度儀測量的密度值對比如表4所示。

表4 2種測試方法測得的密度值對比 g·cm-3

2種測試方法測得的密度值相差較大，故采用無核密度儀得到的密度值不可直接用于孔隙率的計算，需對其進(jìn)行修正。對各層位2種測試方法測得的密度值差值取平均值，作為采用無核密度儀測得密度的修正值，為0.124。修正后的密度為下路堤2.360g/cm3、上路堤2.321g/cm3、下路床2.358g/cm3、上路床2.426g/cm3。

采取修正后的密度值進(jìn)行孔隙率計算，并與采用灌水法現(xiàn)場得到孔隙率進(jìn)行對比，如圖4所示，設(shè)計要求孔隙率為23%。

圖4 孔隙率對比

由圖4可知，采取修正后的密度值計算的孔隙率整體低于采用灌水法得到的孔隙率，誤差為2%～6%。取最大誤差6%，即后續(xù)路段采用無核密度儀得到孔隙率≤17%時，即可認(rèn)為該路段孔隙率滿足23%的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 填石路堤工后沉降監(jiān)測及分析

由于工程范圍內(nèi)山體地質(zhì)情況復(fù)雜，為確保路堤整體安全、更好地把控填石路堤的長期性能，及時對設(shè)計和施工方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，在填石路堤內(nèi)部埋設(shè)智能傳感器對填石路堤工后沉降進(jìn)行長期監(jiān)測，埋設(shè)單點(diǎn)沉降計用于測量路基原位沉降變形、路堤壓縮變形等。

3.1 監(jiān)測方案

現(xiàn)場埋設(shè)4個單點(diǎn)沉降計，4個監(jiān)測點(diǎn)位分別位于樁號K148+595，K148+625處，每個樁號在硬路肩及外行車道處各1個，硬路肩位置編號為1，3，外行車道位置編號為2，4。單點(diǎn)沉降計埋設(shè)位置橫斷面如圖5所示。

圖5 埋設(shè)位置橫斷面(單位：m)

安裝時將沉降計整體埋設(shè)，底層錨頭錨固至基巖(相對不動點(diǎn))，導(dǎo)線從側(cè)面引出。當(dāng)基礎(chǔ)下沉?xí)r，沉降板隨基礎(chǔ)一起下沉，使傳感器與測桿間發(fā)生相對滑移，輸出信號，獲取位移讀數(shù)。

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

采用DSC無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中心系統(tǒng)收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)為與單點(diǎn)沉降計相配套的自動采集系統(tǒng)，可對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行全自動實(shí)時采集，并自動保存。對4個監(jiān)測點(diǎn)位以1d/次的頻率記錄沉降數(shù)據(jù)，并設(shè)置沉降速率預(yù)警值，在每日沉降速率超過2mm/d時發(fā)出預(yù)警信息。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制沉降曲線，如圖6所示。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)位沉降曲線

由圖6可知，各監(jiān)測點(diǎn)位工后沉降隨時間變化規(guī)律均為剛完工后沉降速率較快，后期逐漸變小。路肩1，3號位置最大沉降速率為0.47mm/d，遠(yuǎn)未小于設(shè)計預(yù)警值，約60d后沉降速率變緩，整個過程未發(fā)現(xiàn)沉降異常，由此可知路肩、邊坡位置較穩(wěn)定，但路肩位置沉降量總體大于外行車道2，4位置，說明其壓實(shí)效果不如行車道位置。3，4號位置沉降量整體小于1，2號位置，說明在常規(guī)路堤壓實(shí)基礎(chǔ)上，采用三邊形沖擊式壓路機(jī)進(jìn)行沖壓增強(qiáng)可有效消除路堤本身的壓密變形，進(jìn)而控制高路基沉降變形總量。沉降變化曲線始終未出現(xiàn)沉降異常點(diǎn)，且在工后約80d后趨于穩(wěn)定，說明路基整體沉降趨向穩(wěn)定，未發(fā)生大幅度差異沉降等病害，說明試驗(yàn)路段采取的填筑、壓實(shí)方案組合切實(shí)可行。

4 結(jié)語

1)項(xiàng)目設(shè)計的施工和壓實(shí)方案下各層位孔隙率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，測點(diǎn)3路肩范圍內(nèi)的壓實(shí)質(zhì)量低于路基內(nèi)側(cè)壓實(shí)質(zhì)量，在后續(xù)路段施工過程中應(yīng)加強(qiáng)路肩范圍內(nèi)的壓實(shí)強(qiáng)度和檢測頻率，以提升路肩范圍內(nèi)的壓實(shí)質(zhì)量。

2)采用無核密度儀整體低于采用灌水法所得孔隙率結(jié)果1%～6%，但數(shù)值更穩(wěn)定、誤差更小，且檢測效率遠(yuǎn)高于灌水法，因此可采用修正后的數(shù)值對填石路堤進(jìn)行無損快速壓實(shí)質(zhì)量檢測。

3)路堤施工過程中，在常規(guī)壓實(shí)基礎(chǔ)上，采用三邊形沖擊壓路機(jī)進(jìn)行沖擊補(bǔ)強(qiáng)增壓可有效消除路基本身產(chǎn)生的壓密變形，進(jìn)而控制填石路堤整體沉降。

4)根據(jù)工后路堤沉降智能監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)路段填石路堤施工完成后，初期沉降速率較大，最大沉降速率為0.47mm/d，后期逐漸變小，約60d后沉降速率變慢，80d左右沉降平緩，累計沉降量最大為21.4mm，路堤整體穩(wěn)定。