高填黄土路基施工原理浅析

曹卫东

甘肃省正宁县县乡道路管理站，甘肃庆阳 745300

0 引言

进入21世纪以后，高等级公路的发展日新月异。由于高等级公路线形要求纵坡平缓、弯道半径大，加之甘肃大部分属黄土高原，沟壑纵横，路线通过山区或丘岭区时，会出现较多的高填和深挖情况，笔者就近几年在公路工程中的施工实践对此问题进行了简单的探讨。

1 高填黄土路基的施工原理

黄土是一种第四纪沉积物，以松土颗粒为主，富含石英、长石、方解石、高岭石等碳酸钙盐类，土质均匀，比较疏松，具有大孔性，有的黄土还具有严重的湿陷性。甘肃省黄土分布主要在黄河流域及渭河以北地区，许多的国道省道就是从这里穿过，黄土是公路建设中重要的工程材料，以黄土高塬的黄土沉积最为典型。

1.1 黄土的工程特性

黄土以黄色、褐黄色为主，有时呈灰黄色。颗粒组成以粉粒（0.05～0.005mm）为主，含量一般在60%以上，几乎没有粒径大于0.25mm的颗粒，其中粗粉粒（0.05～0.01mm）的含量又大于细粉粒（0.01～0.005mm）的含量。孔隙比较大，一般在1.0左右，垂直节理发育，因而其渗水性垂直方向大于水平方向，容易形成裂缝、剥落。由于以上特性，黄土的抗剪强度以水平方向为最大，垂直方向最小，45℃方向居中。更重要的一点是黄土在一定压力（即土自重压力或附加压力）下，受水浸湿后结构迅速破坏而发生显著附加下沉现象，这就是人们常说的黄土的湿陷性，具有这种特性的黄土，我们称之为湿陷性黄土。根据有关资料统计表明：由于黄土的湿陷性而导致建筑物地基的下沉量最大可达60～70cm，由此而产生的裂缝宽度可达10cm以上。

1.2 土基压实原理

黄土土体是由固态、液态和气态三相所组成，亦称为土粒，水份和空气组成的三相体系，它们都具有各自特性，相互制约，共同存在于统一的土体之中，反映着黄土的一系列物理力学性质，如抗剪强度、弹性、塑性、渗透性、粘滞性、湿陷性等。压实黄土就是用人为的方法来改变土体结构。路基土受压，土粒空隙的空气除极少在压力作用下溶于水中外，大部分被排除土外，土粒不断靠拢使土的内摩阻力和粘结力不断增加，从而提高了土的强度，同时由于土粒不断靠拢，使水份进入土体的通道减少而阻力增加，于是就降低了土的渗透性，减少了毛细水的上升高度。

1.3 土基压实中诸因素与压实度的影响关系

1）含水量对压实度的影响。黄土的三相体中，水的存在形式主要有3种，一是强结合水，它是由于土粒对于水分子和离子之间的吸引力而致水分紧紧吸附在土粒周围，并且对土体的力学性质起着重要影响；二是弱结合水，由于分子引力附着于强结合水周围的水膜，具有定向排列和渗透性。弱结合水的存在使黄土表现出塑性和粘聚性。在压实过程中起到增加土粒之间相互滑动的作用；三是自由水，自由水是分布在土粒电分子引力作用范围以外的孔隙水，它又分为重力水和毛细水。

黄土最容易压实时的含水量称之为最佳含水量，用W0表示，与之相应的密实度称之为最大密实度用D0表示。我们在国道G211线银西公路451k+370～452k+400段土桥水毁修复工程施工中，实验测出的黄土最大干容重D0一般为1.85t/m3-1.95t/m3，最佳含水量一般为12%～15%。

含水量是影响压实度的重要因素之一，在最佳含水量时，土质处于硬塑状态，最容易获得最佳压实效果。当含水量较小时，土体中的水主要是强结合水，土粒周围的水膜很簿，土粒间具有很大的分子引力，阻止土粒移动，土体的塑性变形很小，需很大的压实外力克服引力，压实要达到最大密度比较困难。当含水量达到最佳含水量时，土中既有强结合水，又有弱结合水，结合水膜变厚，弱结合水的存在和增加，使土粒之间的引力和内摩阻力减弱，滑动性增加，土体的塑性和粘聚性也增加，压实效果较好，土粒排列紧密。事实上，黄土处于最佳含水量时就是土粒弱结合水达到满足状态。当含水量超过最佳含水量时，土中出现了自由水，压实时孔隙中自由水分占居一部分体积且不易立即排出，势必阻止土粒的靠拢，因而压实效果差。在实际施工中，最常见的现象是含水量不足以及水分分布不均匀。通常在施工中的做法是摊土洒水碾压，但由于施工机具不配套，洒水很难保证均匀，即使使用洒水车洒水，也只仅能保证在平面层次上的均匀含水，并不能保证整个摊土厚度上均匀含水，这就使得路基成型后经行车碾压发生不均匀变形。我们在国道G211线银西公路451K+370～452K+400段土桥水毁修复工程的高填土路基施工中采用在取土点预先放水浸土的方法，有效地解决了这一问题。

2）压实机型和压实遍数对压实度的影响。一般来讲，夯击式机具的压力传布最深，振动式次之，碾压式最浅。我们在国道G211线银西公路451K+370～452K+400段土桥修复施工中的压实资料表明，不同的压实机型对黄土的压实效果不同。在含水量相同的黄土中，当压实机具不是很重且荷载作用时间越长，土的密实度越高。但密实度的增加速度随压实遍数的增加而减少，这是因为土体在荷载作用下，逐渐提高密度，强度也逐渐提高，变形逐渐减少的缘故。当压实机具很重时，土的密实度随碾压遍数的增加而迅速增加，超过某一遍数限度后土的变形急剧增加，甚至达到破坏。当机具过重，以至超过土的强度极限时，会引起土体破坏。破坏的时间与压实机型、轻重有关，荷载越重，破坏时间越短。我们通过对施工资料分析表明，黄土含水量在11%左右时（接近最佳含水量），当采用推土机和小型振动压路机压实时，机型较轻，压实度上升较慢，碾压5遍，压实度方能达到93%；当采用8t和15t光轮压路机压实时，压实度增长速度很快，压实4遍，压实度就能达到94.5%，继续增加压实遍数，压实度有所下降，表明土体出现破坏现象或软弹现象。在施工检测中我们发现，用振动式压路机碾压路基时，由于表面压力很大，常使土体破坏，使表层压实度往往不够而表层以下的土体则达到密实。光轮压路机压实比推土机和振动压路机压实效果好。而且压实吨位越大，密实度越高，依据这一特性，在施工中如果土的含水量低于最佳含水量，且加水又有困难，我们都采用增加压实吨位或增加压实遍数的办法来提高其密实度。黄土的天然含水量一般在8%～10%之间，当采用分层厚度25cm时，12t～15t压路机压实5遍，经试验压实度即可达到93%以上。

另外，还应该注意碾压速度对压实效果也有很大影响。碾压速度越高，压实效果越差。因此，在施工中应严格按规范控制压路机的行驶速度。

3）厚度与压实度的关系。路堤填筑要求分层摊铺，分层碾压，分层厚度的大小，这些都直接影响压实效果。对于不同的压实机型和不同的压实遍数，分别有不同的最佳分层厚度。当压实厚度较厚时，洒水难以渗透，机械行走困难，压实效果不良；当压实厚度较小时，施工中既不经济，又造成浪费。根据工地试验，最佳含水量时，采用推土机或8t～10t压路机压实，分层厚度适宜选择20cm；当采用12t～15t光轮压路机碾压，分层厚度适宜选择25cm；若由于工作面限制，机械难以压实须采用人工夯实时，分层厚度宜选10cm。分层铺土要求将土块打碎成细土，其目的是增加土粒的表面积，使土粒能够均匀地吸收更多的水份变成弱结合水，便于压实成型及压实机具均匀行驶。同时，路基土摊铺时要求在松铺厚度范围内保持平整，因为光轮静碾压路机与地面接触基本上是线型接触，其压力是个常数，如果土基不平整，那么碾压后各点上土的变形就不同，造成路基强度不均匀。日后易形成不均匀变形及沉降。路基填筑中，平整度一般控制在30mm以内，基本可以避免上述问题的发生。

以上诸因素及其对压实度的影响是相互联系、相互制约的。当土体中含水量接近最佳含水量时，路基土的压实度与压实遍数、压实重量成正比，与分层铺土厚度成反比。当土体含水量小于最佳含水量时，可采用增加压实吨位和压实遍数或减少分层厚度的办法增加压实度，反之亦可减小分层厚度。

[1]刘陇生.湿陷性黄土地区筑路及压实工艺的探讨[J].青海交通科技,2000(3).