风积沙路基压实工艺及控制措施研究

赵文红

(河北冀通路桥建设有限公司)

在公路建设过程中,由于特殊的地理环境影响,常常会遇到极为松散的风积沙土。风积沙土结构疏松,剖面发育微弱,当风积沙处于饱和状态时具有液化现象,用天然风积沙土修建道路时,常造成道路严重破坏,如路基沉陷,路面结构层断裂或开裂,路基边坡失稳,雨水冲刷流失严重等病害,给道路建设和交通运输的发展带来严重的障碍。利用我国广泛分布的风积沙做公路路基填料,研究其路用性能,制定道路运营期间病害控制措施尤为重要。

河北省承德市围场坝上地区也有着丰富的风积沙土资源,已有围多公路、棋塞公路、卸克公路多条重要的路线通过这些沙区,并成功应用风积沙作为路基填料修筑了多条二级公路,解决了坝上地区沿线筑路材料匮乏的实际情况,加快了施工进度,大大降低了工程造价。

1 风积沙压实原理

风积沙是通过碾压、冲压等外力手段,克服土颗粒间的粘聚力和内摩擦力,将空气和水分挤出,使土颗粒间相互位移靠拢,从而提高土的密度,以增强土体抵抗外部压力的能力。对于风积沙来说,由于干燥松散,粉粒与粘粒含量很少,粘聚力近似为零。因此,对沙基施加的压实力只是用于克服其土颗粒间的内摩擦力。

静力压路机是利用压路机自身的静荷载对材料产生剪应力,当剪应力接近按压实材料的最大剪切强度时,材料产生塑性变形,迫使土颗粒相互靠近,移动到更稳定的位置。因它受材料性质的限制较大,对级配较差的风积沙(不均匀系数约为 1.4),较难使其颗粒相互嵌挤,达到最佳位置。另一方面,静碾压力影响随着深度的增加而不断减弱,其静碾压力主要集中在表层,有效压实深度近似等于两倍压路机与土颗粒接触表面的最小横向距离。这对难于严格分层碾压的沙基极为不利。此外,静力压路机工作效率也较低。

振动压实是通过振动压实机械的往复作用,给被压材料连续的冲击力,通常是正弦被动的振动荷载,导致材料强迫振动,振动一方面使材料颗粒间的内摩擦力减小,另一方面使颗粒本身产生振动力来消除颗粒间的粘聚力和内摩擦力,使颗粒重新排列组合,相互嵌挤,达到最佳密实状态。因此,振动压实理论可简单地解释为通过振动压路机振动轮的诱发力,使被压实材料中的颗粒产生共振,而共振减少了材料颗粒间的内摩擦力,从而使颗粒移动到密实、稳定的状态。振动压路机的压实作用基本上归纳为:对材料施加了冲击力,减少了材料颗粒间的内摩擦力;由于振动使被压实材料颗粒易于移动。

对于风积沙来说,由于粘聚力基本为零,振动时易使颗粒处于运动状态,所需的惯性力也较小,从而使得振动压力波波及到较大的深度,获得较大的有效压实深度和较好的压实效果,有效压实深度一般可达到 1～2m。另一方面,从振动原理可知,当振动压路机的振动频率接近风积沙的自振频率时,其颗粒的被迫振幅将增大,同时内摩擦力降低,这是获得良好压实的有效途径。因此,振动压实是对沙基进行压实的最有效手段。

2 包边土施工

2.1 包边土

在风积沙垫层的设计施工中,包边土的作用主要是防止或者说是限制风积沙垫层的侧向位移,并防止风积沙路基边坡遭受风蚀、雨水冲刷,同时当人、畜对边坡践踏时,也起一定的保护作用。包边土在风积沙垫层中的位置见图 1。

图 1 包边土在风积沙路基中的位置

2.2 包边土的施工

按设计要求,先挂线放样,然后指挥汽车或挖掘机在检测合格的土基上按一定间距倒土,最后由人工铲(销)平、并修整。施工时应注意拣除草根、剔除大土块、打碎小土块,随时确定不同土质的松铺厚度,以保证松散土体压实后,其梯形包边土的上底边位置达到设计所要求的高度。具体图示见图 2。

图 2 包边土施工放样图

根据包边土的施工情况,并参照土路肩施工的技术要求,对包边土的施工作出如下的施工要求,从完成情况看,效果良好。

每一层包边土的压实厚度不超过 30 cm,以确保包边土能够达到设计所要求的压实度,并与所对应的风积沙垫层的压实厚度相一致。

包边土的压实度开始规定为不小于 90%,从现场试验发现,这一规定的数值偏小,施工单位一般均可达到压实度 93%以上。后将包边土的压实度规定为不小于93%。

包边土的顶面宽度不小于设计值、内边缘线横向位置允许偏差不大于 50mm。

横坡允许误差不大于 0.5%。

平整度要求为 3m直尺最大间隙不大于20mm。

3 风积沙压实工艺

根据击实试验的结果,结合坝上地区气候特点和水文地质条件,沙基采用干压。由于一般压实机械,特别是静力光轮压路机不能直接在沙面上作业,自行式宽体轮胎驱动光轮振动压路机(如W 1102系列压路机)可以在经过分层初压和调平复压的沙基上直接行走作业,这样不仅可大大提高沙基的压实效果,而且提高施工效率,具有显著的经济效益。

3.1 沙基干压实原则

根据压实动态试验和现场试验,沙基干压实应遵循以下原则:

(1)采用振动压实方法;

(2)振动压路机应选择重型(大于 104 kg)和宽体轮胎驱动光轮机型;

(3)碾压时采用高频低幅的方式,振动频率为 40 Hz左右,振幅为 0.4～1mm。

3.2 风积沙碾压工艺

具体的碾压工艺流程如图3所示。

图 3 沙基干压实振动压实工艺流程

(1)填筑沙基:指挥车辆,在填筑好包边土路槽内,沿一侧倾倒所需数量的风积沙,另一侧留做施工工作面。根据施工图放样后,从路线两侧推筑,一般每层填筑厚度不大于50 cm。

(2)分层碾压;填筑一层后,由推土机大致整平。并借助推土机履带碾压 4～6遍,达到设计标高。

(3)调平复压:采用铲运机调平时进行复压,铲运机自重 3×104kg左右,另装 10m3左右的风积沙,总重达 4.5×104～5×104kg,利用其宽体的轮胎碾压 2～3遍。

(4)振动碾压:调平复压结束后,由振动压路机采用高频、低幅振动将风积沙垫层连同包边土一起从路基边缘向路中心碾压 2～3遍,碾压速度 3～4 km/h。直到满足设计所要求的风积沙和包边土压实度,最后由轮胎式压路机碾压 2遍。

(5)铺设土工布及天然沙砾:按设计要求铺设土工布,并摊铺约 10 cm的天然沙砾,并用平地机整平。

(6)表层碾压:天然沙砾整平后,用 1.2×104kg以上的静力压路机碾压 4～6遍,或振动压路机振动碾压 3～4遍。这是由于沙基通过直接振动碾压后,表层(约 10 cm范围内)仍处于松散状态,通过本次碾压后使其密实,完成对沙基的全面压实。

风积沙材料如果采用干压工艺,不但技术先进、设计科学,而且施工简单、检验方便,最主要的是在不降低设计标准的前提下,最大限度地降低了工程造价。

4 压实过程中应注意的问题

4.1 施工机械对压实层的影响

一般而言,地基稳定的风积沙路基具有沉降量小,沉降速度快,沉降均匀及水稳定性好等优点,但风积沙在天然状态下呈松散状态,内聚力几乎为零,抗剪能力很差,在外力作用下易发生移动。工程实践表明,风积沙路基填筑过程中机械会对下压实层产生扰动影响。

风积沙路基在碾压过程中不同机械组合的碾压方式中对下层均有一定扰动,同时对下层风积沙密度也有影响,试验结果表明其影响范围在0～80 cm。

因此,在风积沙路基填筑时一般需要采取以下措施。

修筑试验路确定最佳机械组合方式与碾压工艺。施工前应通过试验路段确立既要达到上面层的压实度要求,又不会导致对下承层有过大扰动的压实遍数及机械组合方式。经过在试验段上反复碾压,得出风积沙压实最佳的机械组合方式为:采用T140以上推土机配合 18 t以上双驱动压路机进行碾压,其最佳的机械组合方式根据压实控制区间确定,见表 1。

另外,可用水坠法配合推土机碾压,且水头高度 15 cm时,T140以上推土机碾压 7遍时,即可接近最大干密度,如果再碾压就会出现反弹现象。

4.2 对施工车辆的控制

风积沙易剪切破坏,因此在施工上土过程中以翼侧开始,作业段不宜过长。车辆在风积沙路基上要避免车辆在路基上卸料时调头,打小转向、刹车等,这样车辆行走顺畅,安全省工省时,如果按常规方法上土施工,车辆在路基上行走路线长,卸土时要调头打小转向,重载车与空返车对行,对风积沙的路基面破坏性极大,直接影响上土后二层施工的压实度,同时增加了施工作业难度,造成不应有的浪费。

表 1 机械组合方式表

4.3 避免液化现象

下层饱和松沙在震动荷载作用下,由于原先由沙砾间传递的有效应力传给孔隙水承担,引起孔隙水的上排和沙砾在一定时间内的悬浮,导致部分或全部强度丧失,造成沙土变为一种类似液体的状态,造成路基失稳的后果。所以,在施工中除了加强弱振压实,增大密实度外,还对边坡进行了夯实加固,严格控制包边土尺寸。为了防止在施工或日后使用荷载下发生液化,应采用“疏导为主”的处理方法,加强排水、泄水系统的疏通、引导,使中央分隔带的水通过泄水槽排入边沟,从而使水较少渗入路基,以免影响投入使用的路基路面强度。

5 结 语

通过研究风积沙路用性能,针对其结构疏松,剖面发育微弱,处于饱和状态时具有液化现象的特点,对风积沙路基施工采用包边土,并进行了包边土断面设计和施工控制要求制定,对包边土内的风积沙采用分层填筑,干压施工,确保了风积沙路基的施工质量,减少了道路运营期间的病害发生,避免了远运换填材料,加快了施工进度,降低了施工成本。

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