高填方土石混填路基夯实及检测技术研究

宋 杨，魏连雨，冯 雷

（ 1. 河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2. 河北工程技术高等专科学校，河北 沧州 061000）

高填方土石混填路基夯实及检测技术研究

宋 杨1,2，魏连雨1，冯 雷1

（ 1. 河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2. 河北工程技术高等专科学校，河北 沧州 061000）

利用多道瞬态瑞雷波检测技术，对承德某二级公路试验段土石混填路堤进行检测，确定不同夯击能的有效加固深度，并以加固每平米路堤的平均夯击能作为强夯施工成本指标，优化了原有土石混填路堤的施工方案．在此基础上应用瑞雷波波速、弯沉和承载板试验对优化的施工方案进行质量检测，提出山区超大粒径土石混填路堤的工程经验施工方案、工程治理措施及相应的施工质量检测与评价技术方法，对山区公路土石混填路堤的建设具有指导意义．

路堤；土石混填；强夯处理；瑞雷波；路堤检测

0 引言

近年来随着西部大开发的进行，道路修建重点逐步向山区转移，山区高等级道路逐渐增多，筑路材料、施工机械和施工工艺也得到了更大的发展．同时随着工程实践的增多，一些新的路堤形式[1]也得到了应用．利用强夯加固施工工艺的土石混填路堤就是其中重要的一种，这种路堤形式充分利用山区自有的土石料，解决了山区公路高填方土料缺乏的问题．但现有规范[2]中对强夯加固施工要求并不明确，很多施工现场并不按要求进行试验路实验，仅凭经验确定夯点位置及夯击次数，这种随意性的施工给工程质量埋下隐患，降低了道路使用寿命．

在土石混填路堤施工质量检测问题上，国内外许多学者进行了研究．闰秀萍[3]用表面振动仪法和重型击实法研究测试不同粗粒料含量下的土石混填路堤压实质量，得出粗颗粒含量与标准干密度相关的结论．在京福高速闽清段土石混填路堤试验段中吴志雄[4]通过高精度水准仪观测塑性变形指标研究其余路堤压实质量的关系，提出塑性变形增量指标．黄卫东[5]等人采取与吴志雄类似方法研究，他们通过瑞雷波法结合灌沙发测量压实度．

山区高填方路堤的无损检测研究近几年也得到快速发展，其中瑞雷波是很重要的一支．瑞雷波是一种弹性波，其传播特性受路堤填料影响较小，测试方法简单有效，被较为广泛的应用于无损检测技术中．较之于其他检测方法，瑞雷波在检测路堤强夯加固质量结果基础上，还能得到加固深度及承载力数据[6]．本文采用多道瞬态瑞雷波检测技术对承德某二级公路土石混填路堤进行定量检测，在分析检测结果的基础上对强夯加固施工工艺进行改进，提出了一套科学的土石混填路堤施工及检测方案，对指导山区土石混填路堤修筑有重要意义．

1 土石混填路堤瑞雷波无损检测原理

通过弹性力学可知，对道路表面施加竖向激振力，就会在道路表面和内部产生纵波（P波）、剪切波（S波）以及由前两者在道路表面耦合形成的瑞雷波（R波）3种弹性波．这3种形式的波有各自的特点，分别对应路堤体积变形和介质变化，其中S波会受到路堤填料颗粒的影响，工程通过检测S波波速数据来分析路堤结构信息．相比于S波，瑞雷波（R波）在无损检测中有着更大的优势．因为瑞雷波波动能量较大，更容易检测，同时瑞雷波在路堤传播中波速变化较小，通过学者们的不懈研究，逐步确立了一套通过利用实测瑞雷波波速度的方法来更方便地确定路堤的S波速度，并由此形成了基于稳态扫频和瞬态冲击激振的表面波法 （简称 SASW 法），来评价路堤的密实程度[7-9]．图1所示为瑞雷波法现场测试原理．

图1 瑞雷波法现场测试原理Fig.1 Rayleighwave principle field test

2 土石混填路堤强夯施工方案优化

试验路全长 300 m ，是一段位于承德境内的高填方土石混填路堤．路堤填料如图2所示，含石量 60%以上，最大粒径接近1m．路堤填料中土料以粘性土为主，石料主要为风化岩石，抗压强度在 15MPa以下．施工工艺采用分层填筑碾压，强夯加固．每层摊铺厚度为 80 cm ，采用 21 t光轮压路机进行碾压，摊铺5层（4m）后进行强夯加固．

2.1 有效加固深度的确定

为了保证强夯加固既能够对路堤进行充分压实，又能尽最大可能的利用夯击能量，确定强夯的有效作用深度显得尤为重要．充分研究其有效加固深度不但能够更好的反应路堤加固效果，还能为不同路堤情况下的强夯加固处理方案提供重要 的 依 据 ． 分 别 精 确 实 验 检 测 了 1 000 kN m 、1 600 kN m 、 2 000 kN m 不 同 强 夯 能 量 对 填 高6m的路堤产生的冲击效果．测试表明，3种夯击能量单点夯击10次均能满足最后一次夯沉量小于5 cm[8]．测得夯前与 10 击后同一位置的面波数据如图3～图5．

图2 路堤土石混合料Fig.2 Soil-stonem ixtures

图3 夯击能为 1 000 kN m强夯前后瑞雷波波速曲线比较图Fig.3 Rayleighwave velocity curvesof 1 000 kN m ramming energy

通过图3～图5可以发现，夯击后，不同能量下的夯击在统一深度内，较之前一次夯击瑞雷波的速度都有明显提高．同时，还可以发现，在一定深度后，前一次和后一次夯击的瑞雷波苏会发生重合．而这重合点就是其加固的有效深度．所以我们得知，当夯击能为 1000 kN m时，其有效影响深度为 4m；当夯击能为 1 600 kN m时，其有效影响深度为 6m；当夯击能为 2 000 kN m时，其有效影响深度为 5.7m．

图4 夯击能为 1 600 kN m强夯前后瑞雷波波速曲线比较图Fig.4 Rayleighwave velocity curvesof 1 600 kN m ramming energy

图5 夯击能为 2 000 kN m强夯前后瑞雷波波速曲线比较图Fig.5 Rayleighwave velocity curvesof 2 000 kN m ramming energy

2.2 强夯施工方案优化及夯点间距和夯击次数研究

在现有的检测方法中，除了灌沙法和灌水法，对于试验路的土石混填路堤中接近1m的大粒径石料，都无法得到有效的检测数据．但灌沙灌水的方法对路堤的破坏很大，同时也十分费时费力．因此采用瑞雷波物探检测技术，来检测土石混填路堤的压实质量．研究之前施工单位采用的实验方案，发现其夯点布置过密，造成路堤表面过早硬化，形成板体结构，吸收了大量的夯击能量，影响了强夯加固的深度．为了探寻合理的间距，通过 3 个方案[10]进行实验对比研究．

第 1 套 方 案 确 定 中 心 间 距 3.5 m ， 夯 击 能 量 2 000 kN m ；第 2 套方案分 2 次夯击，夯点间距 4.5m ，第 1 遍用 2 000 kN m能量夯击，每点夯击 8 次，第 2 遍采用 1 600 kN m夯击能，每点夯击5 次；第 3套方案分2 次夯击，夯点间距 6m ，第 1 遍用 2 000 kN m能量夯击，每点夯击 10 次，第 2 遍采用 1 600 kN m夯击能，每点夯击8次．强夯加固方案示意如图6所示．

分别检测了这 3种方案加固后的路堤剪切波速，如表1 ～ 表4．通过分析可以发现，经过强夯加固后，波速由之前的 220 ～ 251m/s升至 232 ～ 291m/s ，密实度达到了中硬级别，满足了荷载作用要求．为了保证施工质量，由 2.1 节有效加固深度得出的结论，必须要严格控制强夯加固的填筑深度，保证其在 5 m 以下，避免路堤中出现未压实的软弱夹层，造成今后的不均匀沉降．

图6 强夯施工方案示意图Fig.6 Schematic construction program compaction

表1 夯前剪切波波速表 （m/s）Tab.1 Shearwave velocity table before ramm ing

表2 方案 1 夯后剪切波波速表 （m/s）Tab.2 Shearwave velocity table after ramm ing of program 1

表3 方案 2 夯后剪切波波速表 （m/s）Tab.3 Shearwave velocity tableafter ramm ing of program 2

表4 方案 3 夯后剪切波波速表 （m/s）Tab.4 Shearwave velocity table after ramm ing ofprogram 3

通过分析数据可以发现，第 1套横向对比普遍波速较高一些，说明其压实质量略好于第 2、3套方案．但如果计算成本，发现第 2、3套方案更有优势．表5为施工参数对比表，综合考量发现第3套方案最优．

表5 不同夯击能施工参数对比表Tab.5 Different tamping energy construction parameters comparison

3 土石混填路堤无损检测与传统检测的试验对比

为了确定瑞雷波无损检测效果，在上节试验路的基础上进行了弯沉测试和承载板测试，研究确定出一套行之有效的土石混填路堤检测方案．

3.1 瑞雷波与弯沉测试结果分析

弯沉实验和瑞雷波检测实验在试验路上每间隔 20m2取样采集数据，然后对数据进行反演计算，得到表层剪切波波速与弯沉值．对比分析后，试验路 13 个测点的对比数据见表6．分析下表结果可知：1 车道均值192.9（0.01mm），代表值 240.7（0.01mm），2 车道均值 217.4（0.01mm），代表值 273.8（0.01mm），均满足二级公路路堤弯沉要求．

3.2 瑞雷波与承载板试验结果及分析

试验路共选择承载力测点 16个，并在承载力测点采集瑞雷波波速，通过反演后获得表层剪切波波速，承载力试验结果与剪切波波速对比表如表7所示．

表6 试验路弯沉与剪切波波速检测结果表Tab.6 Road testsand shearwave velocity deflection test results

表7 承载板测试结果Tab.7 Bearing plate test results

通过表7可以分析得出，由于碎石在路堤中形成一定骨架结构，土石混填路堤的承载力要比土质路堤高．所以适当的含石量对提高路堤强度有帮助，这也证明了土石混填路堤在修筑路堤中的优势．

4 结论

通过在承德某二级公路的现场试验研究，分别在土石混填料作为路堤填料的施工方案和工程质量检测方面得出以下结论：

1） 提出了行之有效的现场强夯施工方案，对土石混填路堤，分层填筑．每填层厚度为 80 cm ，分别用21 t光轮压路机碾压 6 遍．4m（5 层） 后进行强夯加固．经无损检测评价后满足中硬场地土要求，该施工方案的施工参数可在土石混填路堤中推广应用．

2）通过3种方案的比选，在满足强夯加固要求的前提下通过实验确定了经济效益最好的强夯施工方案，即分 2 次夯击，夯点间距 6m，第 1 遍用 2000 kN m能量夯击，每点夯击 10 次，第 2 遍采用 1600 kN m夯击能，每点夯击8次．

3）为确认瑞雷波无损检测方法，在试验段对比进行了弯沉检测、承载板试验检测．试验结果表明由于土石混合料形成了骨架-密实结构，其承载力优于土质路堤，表现出良好的路用性能．

4）对于土石混填路堤施工质量检测，瑞雷波显示了较传统技术更为简便有效的优势，检测结果能够反映路堤深处的密实情况，更适合于粒径超规范的土石混填路堤施工质量检测．

[1] 冯文生，郑治．大粒径填料工程特性的试验和研究 [J]．公路交通技术，2004（1）：1-4．

[2] 高一峰，柴贺军，杨建国，等．土石混填路基强夯压实试验研究 [J]．公路交通技术，2003（3）：8-11．

[3] 闫秀萍．关于土石混合料填筑路堤压实检测方法的探讨 [J]．公路交通科技，2001，18（4）：40-42．

[4] 吴志雄．高速公路填石路堤的施工及质量控制 [J]．中外公路，2003，23（1）：32-35．

[5] 黄卫东，赵明阶，韦刚．高速公路土石混填路堤压实质量控制与评价 [J]．重庆交通学院学报，2005，24（4）：49-54．

[6] 刘云祯．工程物探新技术 [M]．北京：地质出版社，2006．

[7]JTGF 10-2006，公路路堤施工技术规范 [S]．北京：人民交通出版社，2006．

[8] 赵明阶，黄卫东，韦刚．公路土石混填路堤压实度波动检测技术及应用 [M]．北京：人民交通出版社，2006：89-110．

[9]JGJ/T 143-2004，多道瞬态面波勘察技术规程 [S]．

[10] 王金学，张国杰．土石混填路基强夯施工方案研究 [J]．公路，2009（5）：235-239．

[责任编辑 杨 屹]

On roadbed dynam ic consolidation construction technology by soil-stonem ixtures inmountain district

SONG Yang1,2，WEILian-yu1，FENG Lei1
(1.SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin300401,China;2.HebeiEngineeringand TechnicalCollege, HebeiCangzhou 061000,China)

Based on asecond-class road testsectionof thesoil-stonem ixtures filling in Chengde,Multi-ChannelTransient Rayleighwavemethod isused to detectthebesteffective depth ofdifferent ram energy.The lamping energy of persquare meter consolidation isused as the evaluating indicator of dynam ic construction cost,the original dynam ic consolidation schemesareoptim ized.The NDT of RayleighWave speed detection,deflection testing and bearing plate testareapplied to test the construction quality of the oversized soil-stone embankmentcompaction testsection.According to the test results,the paper also proposes the construction scheme,controlmeasures and quality evaluating index of the oversized soil-stone embankment inmountain district.The conclusionshave guidance value in practice for the construction of the soil-stonem ixtures roadbed filling.

road bed;the soil-stonem ixtures;dynam ic consolidation;Rayleighwave;subgrade detecting

1007-2373(2014)05-0088-05

U416.1

A

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.05.017

2014-03-18

国家自然科学基金（50808064）；河北省交通运输厅科技计划（C080213）

宋杨（1982-），男（汉族），工程师，博士生．