不同配重壓路機對路基壓實度與碾壓遍數關系的影響

季 征,劉紹平

(1.安徽省交通控股集團有限公司,安徽 合肥 230088;2.長沙理工大學 交通運輸工程學院,湖南 長沙 410114)

0 引 言

我國公路建設發展迅猛,國家對公路建設的投資也越來越大,公路工程的質量也越來越受到國家的重視。路基作為道路的基礎,是路基路面結構的重要組成部分,對路面結構的強度和剛度起著決定性的作用。如果路基出現強度不夠的問題,公路路面的相關病害也會逐漸顯露出來,不但公路質量得不到保證并且會對行車安全造成一定的影響,縮短公路正常使用年限,進而削減公路的實際運營收益。在現今的道路工程領域,壓路機可以分為振動式和靜壓式壓路機,分別應用于路基和路面的壓實工作,并通過一種振動沖擊波的形式影響路基的壓實質量,從而達到預期的壓實度。

國內學者對于道路工程施工過程中的碾壓工藝的研究已經取得一定成果,李可等[1]應用沖擊碾壓技術處理路基土,并對彎沉值、回彈模量值、壓實度檢測值進行分析,并分析得出了沖擊碾壓最佳遍數。單東旭[2]通過沖擊壓路機壓實次數對路基壓實的效果進行分析,總結得出隨著對路基碾壓次數的增加,所影響的路基深度范圍由上到下逐漸減小,隨著對路基碾壓次數的增多,沉降量的變化呈先變大后減小,并漸漸趨向穩定狀態的規律。沈紅霞[3]詳細闡述了沖擊壓路機的工作方式及使用原則,并逐步分析了沖擊壓路機壓實次數對路基壓實度的影響。研究表明,隨著壓路機對路基壓實次數逐漸增加,其影響深度自上而下依次減弱;沉降量隨著壓實次數的增加先逐漸增大后逐漸減小,最后趨于一種相對穩定的狀態。許海亮等[4]對貴州某高速公路路堤進行現場路基壓實試驗,根據碾壓次數對壓實度的影響,確定最佳碾壓施工工法,結果表明:壓實度隨碾壓次數的增加而增大,壓實度隨振動頻率的加快而增大。戴麗等[5]針對黃土路基特殊的結構特點,準備在填方路基兩側10 m范圍采用振動壓實的方式,并在挖方區采用沖擊碾壓方式來進行施工。總結分析出了沖擊碾壓對路基的性能影響,并最終獲得了最佳碾壓次數的施工方案。邢亮等[6]計算了單位土體通過擊實達到最大干密度所需能量值,然后通過壓路機的振動理論,計算得出了壓路機經過一次碾壓后單位土體所需的能量,并得出了壓路機碾壓至預期壓實度的碾壓次數。李江[7]針對路基施工壓實過程中壓路機碾壓遍數難以確定的問題,設立了壓路機碾壓遍數控制模型,并發明了相應的儀器設備。王越[8]總結得出隨著壓路機碾壓遍數增加,砂性土路基的沉降量和壓實度逐漸增大,而壓實前后彎沉值變化率呈先增大后減小的趨勢,其中碾壓遍數達到10次時路基壓實度達到最佳值,而當碾壓次數超過20次時可能會使路基達到過度壓實的狀態,從而使路基達到失穩的狀態,為了保證經濟成本的最小化和施工效率的最大化,取碾壓遍數達到10次時為最佳值。王昌衡等[9]表明理論計算的碾壓次數與實際施工相一致,從而證實路基振動碾壓次數的新方法是可行的,為施工單位確定壓路機的振動碾壓次數提供了一定參考。曾念貴[10]對高液限黃土的松鋪、碾壓等施工技術進行了探究,并得到了壓實度與松鋪厚度、碾壓遍數的相關關系及簡化公式。壓實參數的選擇為實際工程中高液限黃土路基填筑給出了施工指導,并為同類工程提供了借鑒依據。宋修廣等[11]通過設置路基不同的填筑厚度和碾壓遍數進行現場沖擊碾壓試驗,檢測路基壓實度等,并對比分析了3種不同虛鋪厚度粉土路基的沖擊壓實效果。結果表明:表層土體壓實度達到或超過93%后,壓實度增長曲線出現拐點,繼續實施沖擊碾壓對提高土體壓實效果影響不明顯,難以使得層底土體壓實度達到96%;從而得到最適宜沖擊碾壓遍數為20次,最佳碾壓速度為10～12 km/h。時歡等[12]分析了壓實度是路基施工過程中重要的檢測指標,而且碾壓的方式以及碾壓的遍數都會對路基壓實度產生一定的影響。廖衛斌[13]分析了沖擊碾壓施工對不同深度土體的孔隙率和壓縮模量的影響效果及土體沉降量隨碾壓遍數的變化趨勢,總結了碾壓遍數對不同深度土體壓實度的影響。王冬妮[14]結合工程實際,對沖擊碾壓技術在公路路基施工中的應用進行了方法總結與分析,包括施工準備、填方平整、碾壓施工等內容。研究表明,在沖擊碾壓施工環節,應結合現場實際情況,確定碾壓速率和碾壓遍數,確保路基的壓實度達到要求。

通過對滬陜高速公路合肥至大顧店段拼接路基3個標段的8個斷面進行不同配重壓路機的壓實度與碾壓遍數關系測試,分析不同配重壓路機對路基的壓實度與碾壓遍數之間關系的影響。

1 工程概況

項目現有高速為雙向四車道(互通、服務區、特大橋等局部為六車道),設計速度為120 km/h,路基寬度28 m。本項目全線為雙向四車道擴建為雙向八車道,無加寬段,采用兩側直接拼寬方式,拼寬后路基寬為7×2+28=42 m。設計速度120 km/h,主線全線無超高。

項目處于江淮分水嶺,屬于淮河水系,微水系為東淝河水系。東淝河是淮河右岸的一級支流,位于長江、淮河分水嶺的北例,源出江、淮分水嶺北側,東與池河、窯河流域為界,西鄰淠河流域,北抵淮河,東淝河全長152 km,流域面積4 200 km2。洪水位的變化對建設工程基本無影響。地下水主要為松散巖類孔隙水和紅層孔隙裂隙水。松散巖類孔隙水主要接受大氣降水的補給,其次為地表水和農田灌溉入滲補給,徑流方向受地形地貌的控制,大致與地面坡向基本一致,總體趨勢由南向北徑流。紅層孔隙裂隙水主要接受大氣降水的補給,雨水多沿基巖表面裂隙、溶隙下滲,一部分沿潛水面運移到溪溝中,并以下降泉方式排泄;一部分則沿斷裂運移到深部儲水構造中或側向補給孔隙水。地下水對本工程影響總體較小,局部地下水位較高路段設置縱橫向滲溝進行排水。

所在地區地勢總體特征為高低起伏交替出現,呈波狀,分布標高30.38～68.00 m,最低點位于項目東部東溉河支流處的河漫灘,最高點位于項目區中西部汲東渠旁的崗地。沿線主要分布低液限黏土,特殊土主要為膨脹土和軟土。

試驗用土取自滬陜高速公路合肥至大顧店段改擴建工程施工現場。項目起點位于G40滬陜高速公路合肥至大顧店段與S17蚌合高速交叉口處,終于大顧店樞紐互通。該地區屬我國南北氣候過渡帶,氣候溫和、濕潤,四季分明,雨量適中,日照充足,年平均氣溫15.2 ℃,年平均降水量為1 071.45 mm,年平均蒸發量1 538.5 mm,年平均相對濕度76%。

2 試驗方案

2.1 灌砂法測壓實度

為了測試路基土的壓實度,參考了以往的研究[15],最終選擇用灌砂法來測壓實度,其測試步驟如下。

(1)按灌砂法試驗中挖坑的步驟挖好試坑,稱取試坑內土樣質量mw,測定試坑土樣含水率w(%);

(2)向內灌砂筒注滿標準砂,稱取標準砂的質量m1,精確至1 g;

(3)將灌砂筒倒置于挖好的試坑上,打開閥門,使砂注入試坑。當砂注滿試坑時關閉閥門,之后計算注滿試坑所用的標準砂質量m2,精確至1 g;

(4)試樣的濕密度ρw為

(1)

式中:ρs為標準砂密度。

(5)試樣的干密度ρd為

(2)

(6)試坑壓實度為

(3)

式中:K為壓實度;ρdmax為室內試驗獲得的填土最大干密度。

2.2 試驗步驟

路基碾壓時,先靜壓一遍,再振動壓實數遍,然后根據壓實度檢測結果確定振動壓實的遍數。為進一步考察壓路機重量對達到目標壓實度所需碾壓遍數的影響,在1標測試段落選用28 t(增加配重)重型振動壓路機進行振動壓實,在2、3標測試段落選用22 t常規振動壓路機進行振動壓實。

2.3 測試點位的選擇

在3個標段共選取4個試驗路段進行測試,在每個試驗路段中選取2個斷面作為測試斷面,如表1和圖1所示;考慮到測試條件的統一性,壓實度現場測試均在選定斷面的93區頂、94區頂及96區頂處進行。每個測試斷面設置3個測點,分別位于左距路線中樁3 m、路線中樁、右距路線中樁3 m處。

圖1 測點示意圖

表1 測試點位分布表

3 試驗結果及分析

根據所選的測試點位,共計完成72個測試點的測試工作,并對93區、94區和96區的測試結果進行分析。

3.1 93區碾壓測試結果分析

由圖2～5可看出,現場測試斷面壓實度隨著碾壓遍數的增加而增大,其中28 t重型振動比22 t常規振動的壓實度變化速率更加快;最終可以得出28 t重型壓路機振動碾壓4遍后壓實度可超93%,22 t常規壓路機振動碾壓5～6遍后壓實度可超93%。

圖2 1標28 t重型振動碾壓測試結果K659+840～K659+946(左幅)

圖3 2標22 t常規振動碾壓測試結果K670+160～K670+270(右幅)

圖4 3標22 t常規振動碾壓測試結果K677+100～K670+200(左幅)

圖5 3標22 t常規振動碾壓測試結果K677+535～K677+775(右幅)

3.2 94區碾壓測試結果分析

如圖6～9所示,現場測試斷面壓實度隨著碾壓遍數的增加而增大,其中28 t重型振動比22 t常規振動的壓實度變化速率更加快,最終可以得出28 t重型壓路機振動碾壓6遍后壓實度可超94%,22 t常規壓路機振動碾壓7～8遍后壓實度可超94%。

圖6 1標28 t重型振動碾壓測試結果K659+840～K659+946(左幅)

圖7 2標22 t常規振動碾壓測試結果K670+160～K670+270(右幅)

圖8 3標22 t常規振動碾壓測試結果K677+100～K670+200(左幅)

圖9 3標22 t常規振動碾壓測試結果K677+535～K677+775(右幅)

3.3 96區碾壓測試結果分析

如圖10～13所示,現場測試斷面壓實度隨著碾壓遍數的增加而增大,其中28 t重型振動比22 t常規振動的壓實度變化速率更加快;最終可以得出28 t重型壓路機振動碾壓8遍后壓實度可超96%,22 t常規壓路機振動碾壓9～11遍后壓實度可超96%。

圖10 1標28 t重型振動碾壓測試結果K659+840～K659+946(左幅)

圖11 2標22 t常規振動碾壓測試結果K670+160～K670+270(右幅)

圖12 3標22 t常規振動碾壓測試結果K677+100～K670+200(左幅)

圖13 3標22 t常規振動碾壓測試結果K677+535～K677+775(右幅)

4 結 論

在公路路基施工過程中影響壓實度的因素有很多,比如碾壓遍數等會對路基壓實會產生一定程度的影響,壓路機在實際碾壓過程中的質量控制水平直接決定著公路路基壓實效果。而在實際施工過程中,壓路機對路基的碾壓遍數越多并不代表壓實質量就越好,如果單方面的強調碾壓遍數,可能不會得到較好的壓實結果。通過對3個標段的8個斷面進行不同配重壓路機的壓實度與碾壓遍數關系測試,得出以下結論。

(1)路基壓實度與碾壓遍數存在一定的相關關系,壓實度隨碾壓遍數的增加而增大,且不同配重的壓路機要達到相同的壓實度所需的碾壓遍數也有所不同。

(2)壓實度隨振動壓實遍數的增加而增長,但增長幅度普遍隨振動壓實遍數的增加而減緩。壓實度與振動壓實遍數的關系可采用多項式K=An2+Bn+C的形式描述,回歸精度可靠。