高填方土石混合路基壓實質量控制技術研究*

唐志剛, 劉廣波, 肖欽廣, 田道國, 惠冰

(1.濟南黃河路橋建設集團有限公司, 山東 濟南 250100;2.山東省交通科學研究院, 山東 濟南 250104)

山區公路修建中開挖隧道與邊坡會產生大量廢棄巖石石渣,大量工程廢渣無處堆放影響生態環境。另一方面,山區地貌高低不平,填挖路基相互交錯,高填方路基缺少工程性質穩定的填土。工程廢棄石渣具有一定抗壓承載能力,相較于土質路基其工后沉降小,將廢棄石渣進行二次處理后用作路基填料成為山區道路發展的新研究熱點。張莎莎等研究泥質軟巖土路基的最佳填筑工藝,提出了相應檢測方法和標準[1]。陶慶東等分析了巖質填料的物理、力學性質對高填路基工后沉降預測及邊坡安全性評價的影響[2]。藺彪對采用靜力貫入法測試土石混合路基壓實度進行了可行性研究,結果表明貫入荷載與壓實度正相關[3]。孫靜等通過土工離心模型試驗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填筑路基體內的沉降變形規律[4]。李盛等通過有限元模擬,分析了振動輪質量、激振力、振動頻率和行駛速度對路基壓實度的影響,并計算了壓路機的最佳碾壓參數[5]。黃虎剛結合現場檢測數據和承載比試驗值,對動力錐貫入儀測得的貫入度與承載比的相關性進行分析,研究了動力錐貫入儀用于路基壓實質量檢測的適用性及主要應用范圍[6]。陳宇亮等通過土石混填路基動彈性模量和壓實度試驗,推導動彈性模量和路基填料壓實度的回歸關系式,提出了基于路基動彈性模量的土石混填路基壓實質量控制方法和土石混填路基壓實質量控制標準建議值[7]。目前通過室內試驗、數值模擬、現場試驗對填石路基施工工藝、沉降、壓實度等進行了研究,但研究方向更偏向于填石路基的承載性能、變形機理等方面,對實際施工中壓實質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,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,提出適合工程實際的碾壓工藝和設備。

1 工程概況

濟濰(濟南—濰坊)高速公路濟南連接線,西起孫家鵲山村東南側(樁號K3+900),東至黃路泉村西側(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振動壓路機碾壓8遍,填筑4層后再用32 t振動壓路機進行補壓,按照該施工方案循環進行,但由于工期緊張無法按照預期完成施工。為保證工期,提出采用26 t壓路機分層碾壓5遍且不進行32 t壓路機補壓的施工方案。

圖1 高填路基結構設計圖(單位:m)

根據現場土石混合料顆粒分析結果,該土石路基具有各向異性、分布不均勻等特點。壓路機碾壓3遍時出現沉降不穩定現象,在路基碾壓搭接處出現壓實質量缺陷等(見圖2)。表1為土石混合料篩分試驗結果。

表1 土石混合料篩分試驗結果

圖2 土石混合路基壓實狀況

2 高填路基碾壓沉降監測方案

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

2.1 高填路基沉降監測

2.1.1 監測方案

對高填路基分層進行鋪筑,為保證路基施工質量,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量(見圖3)。

圖3 高填路基施工沉降監測

按照既定碾壓機械組合和工藝參數進行施工,碾壓遍數以往返1次計為1遍,碾壓至測試路段無明顯碾壓輪跡。按JTG 3450—2019《公路路基路面現場測試規程》的要求選擇監測點,沿道路縱向每隔20 m作為一個觀測斷面,每個觀測斷面沿橫斷面方向每隔5～10 m均勻布設沉降觀測點(見圖4)。

圖4 高填路基沉降監測點布置

2.1.2 沉降監測步驟及要求

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

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

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

(4) 重復步驟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 數據處理

(1) 按式(1)計算第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個固定物在第i+1遍碾壓結束后的頂面高程(0.1 mm);hij為第j個固定物在第i遍碾壓結束后的頂面高程(0.1 mm);i為碾壓遍數;j為固定物編號,j=1,2,…,n。

(2)

(3) 按式(3)計算第i遍和第i+1遍沉降差的標準差Si(i+1)。

(3)

(4) 計算一個測試路段沉降差的平均值、標準差、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性及均勻性,對路基進行瑞雷面波波速測試,根據測試結果對壓實質量較差的區域進行補壓。

如圖5所示,在某測點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行激振產生面波,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。通過比較激振試驗前后同一測點的面波波速和頻散曲線的變化進行壓實效果評價。

圖5 瑞雷面波勘探原理示意圖

根據該路基施工情況,在路基靠近邊坡側布置測點,每個斷面邊坡激振前后監測點位置、偏移距、道間距、觀測參數保持一致。采用線性等道距排列方式,道間距為3 m,偏移距為2 m,采用外觸發式落重激振。面波儀測線布設位置見圖6。

圖6 面波儀測線布設

3 試驗結果分析

3.1 路基碾壓沉降分析

該路基采用18 t壓路機碾壓8遍并進行32 t壓路機補壓的沉降差見圖7～10。由圖7～10可知:按原碾壓方案(采用18 t壓路機碾壓8遍,填筑4層后再用32 t振動壓路機進行補壓)施工,隨著壓路機碾壓遍數的增加,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,沉降差曲線出現反復,整體上隨著碾壓遍數的增加沉降差下降,但部分測點出現上升情況,同時曲線斜率變緩,沉降慢慢趨于穩定,第8遍碾壓完成時各測點相鄰兩遍沉降差在5 mm以內;進行32 t壓路機補壓后,4個測點的沉降差分別為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壓路機第一層碾壓沉降差

圖8 18 t壓路機第二層碾壓沉降差

圖9 18 t壓路機第三層碾壓沉降差

第9遍為補壓圖10 18 t壓路機第四層碾壓沉降差及補壓沉降差

該路基采用26 t壓路機碾壓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壓路機碾壓5遍)施工,各測點沉降差變化趨勢相同,線性關系強,整體變化趨勢仍然為隨著碾壓遍數增加沉降差下降,曲線斜率逐漸變緩,到碾壓第5遍時,各測點沉降差都在5 mm以內,滿足工程要求。

圖11 26 t壓路機第一層碾壓沉降差

圖12 26 t壓路機第二層碾壓沉降差

圖13 26 t壓路機第三層碾壓沉降差

圖14 26 t壓路機第四層碾壓沉降差

圖15、圖16分別為18 t、26 t壓路機不同碾壓遍數下路基沉降差平均值擬合結果。由圖15、圖16可知:1) 采用18 t壓路機碾壓時,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壓路機前4遍的碾壓效能較高,隨著路基壓實度的增加,18 t壓路機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定。2) 采用26 t壓路機碾壓時,沉降差平均值擬合曲線的斜率較大,分別為18 t壓路機第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壓路機的碾壓效率較高,每次碾壓的效能高,碾壓5遍后壓實度便可達到設計要求。

圖15 18 t壓路機碾壓沉降平均值的線性擬合結果

圖16 26 t壓路機碾壓沉降平均值的線性擬合結果

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壓路機碾壓斷面2 m深度處的波速為170 m/s左右,左側波速為150 m/s左右,右側波速為200 m/s左右,左側斷面密實性比右側斷面略差,但整個斷面的波速分布較均勻,無較大缺陷區域。2) 26 t壓路機碾壓斷面2 m深度處的波速為200 m/s左右,波速分布均勻,無任何缺陷區域,路基碾壓質量較高。

圖17 18 t壓路機碾壓斷面面波波速分布

圖18 26 t壓路機碾壓斷面面波波速分布

根據現場施工情況,兩種碾壓方案的碾壓質量均滿足工程要求。但采用18 t壓路機碾壓的路段,部分區域含水率略高,碾壓質量不易控制,這可能是導致碾壓4遍后沉降不穩定及面波波速略低的原因。

4 結論

本文根據土石混合路基填料的特點,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質量控制技術研究,得出如下結論:

(1) 隨著壓路機碾壓遍數的增加,相鄰兩遍碾壓沉降差快速下降,碾壓次數超過5遍時,部分測點沉降差出現上升情況,同時沉降差曲線斜率變緩,沉降值慢慢趨于穩定。

(2) 18 t壓路機在碾壓填石路基4遍后效能大幅度降低,但采用32 t壓路機進行補壓后能保證路基壓實質量。26 t壓路機碾壓5遍后即可達到路基壓實度要求。

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