天然级配砂砾在高填方路基工程中的应用

2016-04-19王晓飞

河南建材 2016年2期

关键词：填方路基砂砾填料

王晓飞

中铁十六局集团第四工程有限公司（101400）

天然级配砂砾在高填方路基工程中的应用

王晓飞

中铁十六局集团第四工程有限公司（101400）

通过分析天然级配砂砾的材料性能及北京市怀柔区小泉河分洪渠工程深基坑高填方路基施工质量控制中的问题，对天然级配砂砾在高填方路基工程中的应用进行了探究。

天然级配砂砾；高填方路基；材料；质量控制

0 引言

随着现代科技的发展，我国一些城市大型建筑和复杂的交通道路，如雨后春笋一般快速地发展起来，并且这种趋势还有增无减。但是，在这种发展的背后,也存在着一些复杂的施工难题,例如，在气候和地理环境相当复杂的地区进行施工，针对复杂地段高填方路基开始大量的出现。

高填方路基相对一般路基而言，具有填料用量大、填筑高度大、填筑断面面积大、路堤本身累计沉降大、稳定性需进行专门分析和验证等特点，因此，高填方路基施工中填料的选择尤为重要，既要考虑填料在高填方路基工程中的适用性，又要考虑填料的经济价值。北京市怀柔区存在着丰富的天然级配砂砾资源，因此，在怀柔区高填方路基工程中，天然级配砂砾自然成为优先选用的路基理想填料。在就地取材的前提下，储量丰富的天然级配砂砾得到了充分利用，为当地经济带来发展。

然而，天然级配砂砾质量不均匀，材料性能复杂，应用到高填方路基中道路也不稳定，同时，高填方路基施工难度大，施工工艺以及施工质量难以控制，极大地影响了高填方路基的质量。反映天然级配砂砾材料性能的主要是材料级配和材料强度，而施工中质量控制的几个重要问题，分别是材料的颗粒级配、最大粒径、含水量、施工碾压压实度等。

1 天然级配砂砾的材料性能

1.1 天然级配砂砾的作用机理

天然级配砂砾是由大量单个颗粒组成的砂砾石，它的物理性质介于固体与流体之间，它的颗粒易滑动，从而会对维护面产生一定的压力。砂砾属于沉积岩中的陆源碎屑岩，在压实过程中，细颗粒填入到粗颗粒的空隙中，使路基密实度增加，在经大吨位压路机的振动碾压后，天然级配砂砾的粗细颗粒彼此紧密镶嵌，提高路基强度，减小空隙率，增加路基使用过程中的强度和稳定性。

1.2 天然级配砂砾的级配

级配是天然砂砾粒径颗粒的分配情况，良好的级配是指粗颗粒的空隙恰好由中颗粒填充，中颗粒的空隙恰好由细颗粒填充，如此逐级填充使天然砂砾形成最致密的堆积状态,空隙率达到最小值，堆积密度达到最大值。天然砂砾级配决定着高填方路基碾压的密实度，碾压的密实度又直接影响高填方路基结构层的强度和稳定性。大量的碾压试验证明：级配不良的天然级配砂砾难以碾压密实，而级配良好的天然级配砂砾则容易碾压密实；前者碾压的强度和稳定性较差,后者碾压的强度和稳定性较好。天然砂砾石缺乏黏性，容易产生水破坏、冰冻破坏、渗透破坏、松散破坏等现象，合理的级配有助于保证混合料的冰、水稳定性[1]。

1.3 天然级配砂砾的强度

天然级配砂砾属于无黏性颗粒材料，强度的形成主要来源于颗粒之间的嵌挤密实。所以，天然级配砂砾的强度首先决定于砂砾本身的强度和颗粒组成，其次取决于施工过程中控制的压实度。

天然级配砂砾高填方路基结构的强度是这样产生的：砂砾的颗粒之间的联结能力产生的强度，这种强度比起砂砾颗粒自身的强度一般都要小；外力对它挤压时，材料承载能力变弱，然后产生破坏，这是因为外力会使得材料颗粒相互发生位移和滑动。虽然材料颗粒自身强度也重要，但由于在松散材料构成的高填方路基的结构强度构成中起决定作用的是颗粒之间的相互黏结能力，通常可以用库伦公式来表示砂砾石材料构成的路基的抗剪切能力。库伦公式表示为：

τ=с+σtanφ

其中，τ为抗剪强度，σ为滑动面上法向应力，φ为内摩擦角，tanφ为内摩擦系数，с为黏性土的内聚力，σtanφ为摩擦强度。

由此看来，砂砾石材料构成的路基结构强度是由材料内部颗粒之间的相互摩擦决定了颗粒间的联结能力。砂砾石材料剪切面上的应力和其内摩擦角主要决定了它的抗剪强度，它的强度是按相互嵌入并且挤压的原理产生的。

以下因素影响着天然级配砂砾在高填方路基抵抗剪切力的强度：

一是天然级配砂砾颗粒表面的相互滑动摩擦；二是砂砾因剪切时体积膨胀而克服的阻力；三是因砂砾颗粒破碎与重新排列而受到的阻力[2]。

2 天然级配砂砾在高填方路基施工中质量控制与防治

天然级配砂砾在高填方路基施工中，存在三个问题直接影响到施工的质量：第一个是材料本身的颗粒级配情况，第二个是材料在填筑过程中的含水量，第三个是施工时的碾压工艺、方法。

2.1 材料颗粒级配

天然级配砂砾因为不是人工或机械掺和的级配，而是天然级配，所以料源质量不稳定，有可能出现较差的情况。颗粒级配较差的天然级配砂砾容易出现以下现象：砾石颗粒过多过大，即含有过多的直径大于100 mm的巨粒卵石或砂砾；砾石颗粒过少过小，即粒径大于2 mm的颗粒质量未达到总质量的50%。级配就意味着大小颗粒相互匹配，小一级的颗粒填充大一级颗粒的空隙，使颗粒间嵌挤紧密、空隙率小、密度高、稳定性好，所以使用级配良好的天然级配砂砾能较好地提高高填方路基结构的质量。

在怀柔区小泉河分洪渠工程深基坑高填方路基施工前，对天然级配砂砾料源进行了考察。考察发现,怀柔地区的天然级配砂砾各级颗粒比较均匀，但其中含有部分颗粒粒径超过100 mm的卵石。为解决这一问题，通过在自卸车上加焊10 cm×10 cm钢筋网片形成筛网的方法，有效地控制了天然级配砂砾的最大粒径，并且对天然级配砂砾进行了大量的取样筛分试验。试验结果表明，怀柔地区的天然级配砂砾级配良好，可用于深基坑高填方路基工程中。

然而，在怀柔区小泉河分洪渠深基坑高填方路基施工过程中的一些施工因素也改变了天然级配砂砾的颗粒情况。材料卸车和机械摊铺使砂砾粗、细料离析，表现为粗细集料集中，摊铺后，出现梅花状,即砂砾集中。粗、细料离析的级配砂砾，梅花状部分空隙率大，不密实，嵌挤力小；砂窝部分松散，不稳定，会影响高填方路基的填筑质量。为避免施工因素的影响，施工过程中采取了以下措施进行质量控制：在天然级配砂砾摊铺过程中，将粗、细料拌合均匀，无粗、细料分离现象。在碾压过程中若发现有梅花状、砂窝存在，就将梅花状部分、砂窝部分分别挖出，掺入砂或砾石翻拌，翻拌均匀后再进行填筑、碾压。如此控制，使天然砂砾达到级配均匀、密实。

2.2 材料的含水量

天然级配砂砾属于无黏性粗粒土。在级配良好的条件下，当材料含水量为零时，干密度值较大；稍增大含水量，干密度反而减小；但随着含水量的继续增大，干密度过了最低值后又逐渐增大，这是无黏性粗粒土独有的特征。出现这种特征的原因主要是无黏性粗粒土较粗，细颗粒也呈砂性，颗粒之间黏结力趋于零。当含水量为零时，在外力作用下，大小颗粒易于相互填充，形成较高的密度；当稍加水后，颗粒表面形成一层薄膜水，增大了分子引力，颗粒间形成了似黏结力，因而不易压实，干密度较小；以后随着含水量的增大，水膜增厚，水分子引力逐渐减小，以至消失，同时还在颗粒间起润滑作用，减小了摩擦阻力，颗粒在外力作用下易于移动和相互填充，可达到较高的密度值。

由于天然级配砂砾自身颗粒粗，透水性强，具有自由排水能力，难以保持水分，因此很难达到最佳含水量。怀柔区天然级配砂砾的天然含水率在2%～3%，通过表面振动击实法试验，其最大干密度为2.273 g／cm3，在小泉河分洪渠深基坑高填方路基施工过程中，选定了路基试验段，按相同的碾压方式，对天然级配砂砾不同含水量的压实度进行了试验检测，试验结果如表1。

表1 天然级配砂砾不同含水量的压实度

从表1可以看出，天然级配砂砾的含水量在4%～6%时，其压实效果比较好。在施工过程中，若填料含水量偏高,则采用翻晒法降低填料含水量；若填料含水量偏低，则采用洒水车洒水，提高填料含水量。通过对天然级配砂砾填料含水量的控制，有效地保证了深基坑高填方路基的填筑质量。

2.3 施工碾压工艺、方法

天然级配砂砾高填方路基结构的强度主要来自于对松散砂砾进行碾压的压实度。高填方路基的填方荷载较大，为了尽可能减小填筑体本身的压缩变形，提高其密实度是减小填筑体本身变形的直接手段。施工过程中，如果天然级配砂砾填料的摊铺厚度过大、碾压遍数不够，会造成高填方路基结构整体沉降过大；如果填挖交界处未进行处理，会造成交界处产生不均匀沉降;如果防排水措施不到位，会使高填方路基本体遭水浸泡失稳；如果边坡刷坡不及时，坡度不够，会造成边坡滑坡。这些问题都会影响高填方路基结构的强度和稳定性。因此，在高填方路基施工过程中，要严格施工工艺及方法。

怀柔区小泉河分洪渠工程深基坑高填方路基的平均填筑高度在25 m左右，最高处达30 m。填筑施工前，在深基坑坡顶地面设置了不渗水的截水沟，以防止地表水流入基坑内；边坡坡脚设置了排水沟,以防路堤遭水浸泡。施工过程中，选取了路基试验段，压实度采用标高高差控制，确定了压路机碾压遍数及天然级配砂砾的松铺系数。天然级配砂砾按照分层摊铺、分层碾压的方法，每层摊铺采用网格放样，统一采用车辆运输，根据厚度确定用量。网格横向宽度为4 m，纵向宽度为10 m，拟定松铺厚度为30 cm，使用白灰在作业面将网格绘出，沿网格边线每隔8 m布设一根钢筋挂线，严格控制填料厚度，使填料厚度控制在30±2 cm以内。填料摊铺整平使用推土机，人工挂线配合找平，保证控制层面无显著局部凹凸。碾压按照先边后中、先轻后重、先慢后快、先静后振、先弱后强的原则，重叠碾压。错轮宽度对振动压路机不小于压实轮的1/2，路堤每边宽度超填50 cm，碾压达到无漏压、无死角，按路基试验段确定的碾压遍数进行碾压,无明显轮迹。

填料压实度检测采用灌水法，试验坑直径为30 cm，检测频率为每填筑1 000 m2检测3点，每层填料碾压完成后，及时进行压实度试验检测，检测合格后方允许填筑上一层。在填挖交界处采用挖台阶法搭接，从填方坡脚向上挖成向内倾斜的台阶，坡度为2%，台阶宽度不小于2 m，并在搭接处铺设三向土工格栅。填筑过程中，路堤每层填筑向排水沟方向做成坡度不小于3‰的横坡，以防雨季施工时路堤顶面积水。路堤每填筑1 m进行边坡整修，测量放样后对坡面刷坡清理，坡度检验合格后，采用浆砌片石进行边坡防护。施工碾压压实度合格后，每填筑1 m铺设一层三向土工格栅，每填筑1.5 m采用蓝派式冲击碾压压实机碾压20遍进行冲击补强压实，提高路基整体的强度和稳定性。施工过程中还应建立观测点网，路基每填筑一层进行一次沉降监测和水平位移监测,对路基的稳定性进行分析。通过以上施工工艺及方法进行施工质量控制，有效地保证了小泉河分洪渠工程深基坑高填方路基的填筑质量。