安文明

（山西交通建設(shè)監(jiān)理咨詢集團(tuán)有限公司，山西 太原 030012）

與土方路基相比，土石混填路基壓實質(zhì)量不能采用灌砂法確定，通常采用沉降觀測法控制。以往的研究中，有些學(xué)者采用沉降率、孔隙比和干密度等指標(biāo)作為路基壓實質(zhì)量控制指標(biāo)，并取得了一定的研究成果[1]。基于S222省道汾屯線改建工程實踐，鋪筑試驗段對松鋪厚度為40 cm、60 cm和80 cm的路基，分別在碾壓遍數(shù)為 2、4、6、8、10 時，檢測路基沉降率、干密度、孔隙比指標(biāo)，并分析各指標(biāo)與壓實質(zhì)量之間的關(guān)系，分析確定最佳路基壓實質(zhì)量控制指標(biāo)，為控制土石混填路基施工質(zhì)量提供保障。

1 工程概況

本項目為S222省道汾屯線沁源松羅至上灘段改建工程，起訖里程為K88+700—K96+028.713（其中斷鏈34.262 m），道路全長7.294 km。全線采用二級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度60 km/h，路基寬度12 m，面層寬11 m，兩側(cè)設(shè)水泥混凝土路緣石2×0.5 m；途徑黃土坡隧道 K91+430—K92+590，長1 160 m，隧道建設(shè)限界采用11×5 m。

公路路堤設(shè)計采用土石混填施工，分層攤鋪，分層壓實，施工中嚴(yán)格控制壓實質(zhì)量，高填方路基橫斷面如圖1所示。

2 沉降率控制的理論依據(jù)

土石混填路基壓實質(zhì)量受路基填料質(zhì)量、壓實機(jī)械選型與組合、地基穩(wěn)定性等因素影響，在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)管理。為了準(zhǔn)確確定土石混填路基的壓實質(zhì)量，需要大量檢測含水量、壓實度等指標(biāo)，耗費大量的時間。近年來，有學(xué)者采用檢測沉降率的方法控制土石混填路基壓實質(zhì)量，能快速準(zhǔn)確地得出檢測結(jié)果[2-3]。通過現(xiàn)場試驗確定路基沉降率和干密度，擬合后發(fā)現(xiàn)二者具有較好的線性關(guān)系。

土石混填路基壓實的過程，可以看作是在壓實機(jī)械沖擊力的作用下，顆粒重新組合排列，填裝夯實并逐漸加密的過程，在這個過程中土壤顆粒間的孔隙比不斷縮小，空氣和水分不斷被排出。隨著孔隙比的減小，力學(xué)性能不斷增強(qiáng)，說明孔隙比與力學(xué)性能之間存在一定的線性關(guān)系。而孔隙比隨路基沉降變化而變化，通過分析驗算可得出沉降率與孔隙比之間的關(guān)系，從而得出沉降率與路基壓實質(zhì)量之間的關(guān)系[4]，推導(dǎo)過程如下。

2.1 沉降率與干密度關(guān)系推導(dǎo)

沉降率是路基壓實后的沉降差與攤鋪層厚度之間的比值，用百分?jǐn)?shù)表示。假設(shè)路基碾壓前后的面積不變，即An≈A，令沉降率，則有：

式中：ρ0、ρn分別代表路基填土初始干密度和碾壓n遍后的干密度。

式（2）反映出路基沉降率與干密度之間存在明顯的線性關(guān)系，沉降率越高，干密度越大，說明沉降率可以作為路基壓實質(zhì)量控制指標(biāo)之一。

2.2 沉降率與孔隙比關(guān)系推導(dǎo)

與上部分相同，假設(shè)碾壓前后路基面積不變，由于路基填料固體顆粒體積不變，分析得出：

由式（3）可得：

式中：h0、hn分別代表路基填土初始厚度和碾壓n遍后的厚度；e0、en分別代表路基填土初始孔隙比和碾壓n遍后的孔隙比；sn為路基填土碾壓n遍后的沉降量。

式（5）反映出路基沉降率與孔隙比之間存在明顯的線性關(guān)系，且隨沉降率的增大，孔隙比不斷減小，這也證明了沉降率可以作為土石混填路基壓實質(zhì)量的控制指標(biāo)。

通過以上推導(dǎo)過程，可以看出在碾壓前對施工現(xiàn)場路基填土初始干密度和初始孔隙比進(jìn)行檢測，通過檢測不同碾壓遍數(shù)的路基填土沉降率，計算路基填土的干密度和孔隙比，判斷路基壓實質(zhì)量。這種方法操作簡單，不破壞路基，具有良好的應(yīng)用性。

3 路基壓實質(zhì)量檢測與分析

3.1 現(xiàn)場試驗檢測方案

理論公式的計算需要結(jié)合施工現(xiàn)場的實際情況來進(jìn)行檢驗，因此必須制定科學(xué)合理的土石混填路基壓實質(zhì)量檢測方案，準(zhǔn)確確定路基填料干密度和孔隙比，合理確定與沉降率之間的線性關(guān)系。為了保證檢測數(shù)據(jù)客觀準(zhǔn)確，選取3個試驗段進(jìn)行檢測，分別為K89+100—K89+200，松鋪厚度為40 cm；K89+400—K89+500，松鋪厚度為 60 cm；K89+800—K89+900，松鋪厚度為80 cm。各試驗路段填料顆粒采用隨機(jī)級配，采用YZJ16型和YZ18B型振動壓路機(jī)進(jìn)行壓實。路基碾壓時先靜壓一遍，再振動碾壓。試驗中分別在3個試驗路段，對碾壓2、4、6、8、10遍的路基進(jìn)行沉降觀測和干密度、孔隙比檢測，確定不同工況下沉降率與干密度、孔隙比的線性關(guān)系。

3.1.1 沉降觀測

為了準(zhǔn)確確定土石混填路基試驗段不同攤鋪厚度和不同碾壓遍數(shù)的壓實效果，將每個試驗段劃分為5個20 m×12 m的網(wǎng)格，在網(wǎng)格內(nèi)布設(shè)3個沉降觀測點，橫向間距為5 m，打樁并做好標(biāo)記。利用試驗段附近的基點進(jìn)行觀測，如基點較遠(yuǎn)，可就近布置基點，并保證基點穩(wěn)固。用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行沉降觀測，首次觀測確定測點高程，通過相鄰兩次觀測高差確定沉降量，計算確定不同碾壓次數(shù)下的分級沉降量，并求和得出累計沉降量。

3.1.2 干密度和孔隙比檢測

路基填料攤鋪完成后，在碾壓前對填料的初始干密度和初始孔隙比進(jìn)行檢測。在每個試驗段選取3個試坑進(jìn)行干密度檢測，并計算平均值。本項目填料干密度檢測采用灌水法，通過試驗確定含水量和固體顆粒質(zhì)量，進(jìn)而計算求得孔隙比，試驗檢測點布置如圖2所示。

圖2 各試驗段沉降觀測點布置圖（單位：m）

3.2 試驗檢測結(jié)果分析

3.2.1 不同碾壓遍數(shù)下的沉降量觀測與分析

對不同攤鋪厚度，不同碾壓遍數(shù)的土石混填路基進(jìn)行沉降觀測，確定沉降規(guī)律，分別得到不同碾壓遍數(shù)下的分級沉降量和累計沉降量。分別對試驗路段路基碾壓 2、4、6、8、10 遍后的沉降觀測點分級沉降量進(jìn)行檢測，并累加計算求得累計沉降量。分別計算各試驗段路基累計沉降量平均值，繪制累計沉降量-碾壓遍數(shù)變化曲線，如圖3所示。

圖3 累計沉降量-碾壓遍數(shù)變化曲線圖

對圖3分析得出：

a）不同碾壓遍數(shù)下各試驗段不同攤鋪厚度的沉降量變化趨勢可分為以下兩個階段：第一階段為沉降量快速增長階段，該階段沉降量與碾壓遍數(shù)基本呈線性化，隨碾壓遍數(shù)的增加，沉降量不斷增加，且松鋪厚度越大，沉降量越大，沉降速率越快，達(dá)到最終沉降量的碾壓遍數(shù)也越大。第二階段為沉降變形穩(wěn)定階段，該階段路基沉降量隨碾壓遍數(shù)的增加變化很小，并逐步趨于穩(wěn)定，且松鋪厚度越大，最終沉降量越大。

b）不同松鋪厚度試驗段碾壓遍數(shù)確定。K89+100—K89+200段路基松鋪厚度為40 cm，碾壓6遍后分級沉降量觀測值小于1 mm。K89+400—K89+500段和K89+800—K89+900段松鋪厚度分別為60cm和80 cm，碾壓8遍后分級沉降量觀測值小于2 mm，滿足規(guī)范要求的不小于3 mm的要求，說明路基壓實質(zhì)量達(dá)到了規(guī)范要求。以同樣的方法分析路基沉降率控制，得出當(dāng)沉降率在5%～7%之間時壓實質(zhì)量符合要求。

3.2.2 不同碾壓遍數(shù)下的干密度檢測與分析

在各試驗路段布置的網(wǎng)格內(nèi)選取有代表性的試坑，取樣對不同碾壓遍數(shù)下路基填料的干密度進(jìn)行檢測，確定不同松鋪厚度路基填料干密度的變化規(guī)律。在每個試驗路段選取測點，分別取樣檢測干密度，求平均值繪制干密度-碾壓遍數(shù)變化曲線，如圖4所示。

圖4 干密度-碾壓遍數(shù)變化曲線圖

分析圖4變化曲線可知：

a）隨碾壓遍數(shù)的增加，不同松鋪厚度試驗段路基干密度變化與沉降量變化趨勢基本相同，即前期變化速度快，后期變化速度慢，并逐步趨于穩(wěn)定。當(dāng)碾壓遍數(shù)達(dá)到8遍時，3個試驗段基本趨于穩(wěn)定，且松鋪厚度為40 cm的試驗段干密度最大，最大值達(dá)到2.136 g/cm3；松鋪厚度為60 cm和80 cm的試驗段干密度相對較小，且最終穩(wěn)定后干密度值達(dá)到2.089 g/cm3。

b）當(dāng)碾壓遍數(shù)相同時，路基填土干密度隨松鋪厚度所產(chǎn)生的變化較小。在路基碾壓6遍時，松鋪厚度為80 cm的試驗段干密度檢測值大于松鋪厚度為60 cm的干密度。主要原因是施工現(xiàn)場路基填料的顆粒組成和含水量不容易控制，而采用灌砂法或灌水法得出的干密度檢測結(jié)果往往存在一定的偏差，且費時費力。因此，不建議采用干密度作為土石混填路基壓實質(zhì)量的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.3 不同碾壓遍數(shù)下的孔隙比檢測與分析

孔隙比是路基填料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙比，受到填料顆粒組成和級配的影響，可作為判斷路基壓實質(zhì)量的控制指標(biāo)之一。路基填料孔隙比采用灌水法和篩分試驗確定。在各試驗路段選取有代表性的測點，在不同碾壓遍數(shù)下，通過試驗確定各測點孔隙比，取平均值繪制孔隙比-碾壓遍數(shù)變化曲線，如圖5所示。

圖5 孔隙比-碾壓遍數(shù)變化曲線圖

通過對圖5曲線分析可知，隨碾壓遍數(shù)的增加，路基孔隙比前期增速較快，后期逐步變緩并趨于穩(wěn)定。K89+100—K89+200段路基松鋪厚度為40 cm，碾壓6遍后孔隙比基本穩(wěn)定，最終值為0.232。K89+400—K89+500段和 K89+800—K89+900段松鋪厚度分別為60 cm和80 cm，碾壓8遍后孔隙比基本穩(wěn)定，最終值分別為0.315和0.325。檢測結(jié)果表明，3個試驗段孔隙率均小于規(guī)范要求的不大于0.33的要求，滿足壓實質(zhì)量要求。

由于孔隙比測定過程較繁瑣，在實際工程中的可行性較差，且如果操作不當(dāng)會出現(xiàn)很多問題，影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，雖然孔隙比可以反映土石混填路基的壓實質(zhì)量，但相比沉降率等指標(biāo)，一般不作為路基壓實質(zhì)量的控制標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

結(jié)合土石混填路基的工程特點，設(shè)置試驗段，對不同松鋪厚度，不同碾壓遍數(shù)的路基布置測點，檢測沉降率、干密度和孔隙比，推斷各指標(biāo)與壓實質(zhì)量之間的關(guān)系，并得出以下結(jié)論：

a）通過在試驗路段對路基進(jìn)行沉降觀測，得出隨碾壓遍數(shù)的增加，沉降量不斷增加，且松鋪厚度越大，沉降量越大，沉降速率越快，達(dá)到最終沉降量的碾壓遍數(shù)也越大。路基松鋪厚度為40 cm，碾壓6遍后達(dá)到壓實質(zhì)量要求，松鋪厚度為60 cm和80 cm時，碾壓8遍后達(dá)到壓實質(zhì)量要求。

b）路基填料干密度隨碾壓遍數(shù)的增加，前期變化速度快，后期變化速度慢，并逐步趨于穩(wěn)定。但由于受到施工現(xiàn)場路基填料的顆粒組成和含水量變化的影響，試驗結(jié)果容易產(chǎn)生較大偏差，且費時費力，不建議作為土石混填路基壓實質(zhì)量的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

c）隨碾壓遍數(shù)的增加，路基孔隙比前期增速較快，后期逐步變緩并趨于穩(wěn)定，孔隙比可作為路基壓實質(zhì)量控制指標(biāo)，但可行性不如沉降率，因此不建議采用。

總之，試驗結(jié)果表明沉降率是最佳的土石混填路基壓實質(zhì)量控制指標(biāo)，為降低施工后沉降，建議路基施工松鋪厚度為40 cm，碾壓遍數(shù)不少于6遍。