不同压实方式下风积沙路堤的压实效果

2018-09-03季新友刘军勇

筑路机械与施工机械化 2018年8期

任勇，季新友，刘军勇

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710065)

0 引言

沙漠地区公路路基几乎全部采用风积沙作为路堤填料，但风积沙具有颗粒松散无黏性、含水率小、保水性差、级配不良等特点，其压实一直是施工中的难题，也成为修筑沙漠公路的关键所在[1]。

在风积沙筑路技术方面，国内学者取得了一定的研究成果。王伟等通过振动作用研究了风积沙的力学特性以及等离子变化对风积沙承载双CBR的影响因素。张景涛等对风积沙进行击实试验，结果表明风积沙干密度有2个极大值点，即曲线呈“S”型，说明风积沙在含水量较低的天然状态和含水率最佳时都能达到较大干密度，即风积沙具有湿压实和干压实的特性。李万鹏对风积沙进行击实试验也得出风积沙密度有2个峰值，即在较多含水率状态下(13%～16%)和自然风干状态下(0～1%)，风积沙密度都达到了峰值[2]。杨人凤等对风积沙进行振动压实试验，结果表明：冲击复合压路机的压实效果好于单一压路机的压实效果[3]。袁玉卿等通过振动试验表明：压路机在振动频率为45～50 Hz时对风积沙路基的压实效果最好[4]。王磊通过振动试验表明风积沙宜采用高频低幅的振动方式压实[5]。庞瀛洲等通过变量控制法和对比法得出：振动频率为70 Hz左右且振幅取大值时，振动效果较好[6]。曹源文等通过风积沙振动压实和击实试验得出结论：对于风积沙类砂性土，振动压实好于击实试验，并且在风积沙振动压实过程中，其标准干密度随振动加速度的增大而增大[7]。相关的研究成果主要集中在室内振动压实或击实作用下风积沙的压实特性，并未考虑上层风积沙压实对下层风积沙的二次压实效应[8-10]。本文将结合依托工程进行风积沙路堤压实试验，分析风积沙二次压实效应，提出适宜的风积沙路堤压实技术。另外，沙漠地区风积沙路堤压实度常采用灌砂法进行检测，检测速率慢，且试验过程和结果易受风沙天气影响；故本文提出适宜的压实度快速检测方法。

1 工程概况与风积沙颗粒分析

1.1 工程概况

通古勒格淖尔至额尔克哈什哈(蒙甘界)公路(简称通额公路)是内蒙古乃至全国跨度最长、风沙环境最为复杂的新建公路，全线有超过200 km从腾格里沙漠腹地穿越。腾格里沙漠以流动沙丘为主(占93%)，其余为半固定、固定沙丘，高度一般为10～20 m，主要为格状沙丘及格状沙丘链。新月形沙丘分布在边缘地区，高大复合型沙丘链则见于沙漠东北部,高度约50～100 m。通额公路全线采用风积沙作为路堤填料，风积沙压实成为制约工程进度和质量的关键。另外，由于沿线沙丘较高、起伏较大，部分路段风积沙路堤填筑无法按照常规分层法进行，路基一次性填筑与压实厚度较大。《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60—2008)中采用灌砂法等方法测定压实度，1组试验仅能获得1个土层的压实度，所需工作量较大，一次试验耗时约半小时以上，且数据的准确性受沙漠风沙天气、人为因素等影响。风积沙压实度检测也成为制约施工进度的一个技术难题。本文基于现场试验路，对风积沙路堤压实技术进行试验分析，探讨风积沙路堤压实度快速检测方法，以保证工程质量与施工进度。

1.2 风积沙颗粒分析与最大干密度

风积沙试样取自K111+250路堤填料，颗粒分析结果见表1。从筛分结果来看，粒径大于0.25 mm的颗粒占总质量的41.2%，粒径大于0.075 mm的颗粒占总质量的98.7%，按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)粗粒土的分类标准，取样风积沙为细砂，粒径分布稍粗，接近中砂。

表1 风积沙颗粒分析试验结果

风积沙最大干密度试验采用三层法填料，并分层压实。用干土法以2%的含水率间隔拌匀试样，闷料一夜后进行试验。采用表面振动法确定风积沙最大干密度，每层振动时间为6 min。风积沙最大干密度为1.809 g·cm-3，最佳含水率为11.2%。

2 风积沙路堤压实技术

2.1 风积沙路堤压实效果

为分析压实机械对路基的压实效果，试验路分别采用弱振和强振对路基进行压实。弱振压实参数为：频率33 Hz、振幅0.93 mm、激振力255 kN；强振压实参数为：频率28 Hz、振幅1.86 mm、激振力370 kN。试验段压实结果见表2～4。

表2为风积沙路堤压实后清除表层15 cm厚风积沙再采用灌砂法测定干密度的结果；表3为风积沙路堤压实后直接在压实层顶面采用灌砂法测定的干密度结果。从表2、3可以看出：表层0～15 cm风积沙干密度小于15～30 cm风积沙干密度，表层15 cm厚度范围风积沙难以压实。通过对分别弱振和强振2～4遍的风积沙路堤的干密度检测结果的分析可知：增加风积沙的振动碾压遍数并不能提高0～15 cm和15～30 cm厚度的风积沙干密度，振动压实遍数以2～3遍为宜；对于同一深度范围，弱振压实路堤的干密度最大，强振次之，静压法最低。表4动探锤击的检测结果表明，静压、弱振和强振压实的风积沙路堤，下层(30～45 cm)风积沙动探锤击数明显大于上层风积沙动探锤击数，说明在上层风积沙压实的过程中，下层风积沙得到了二次压实，压实度得到提高。

表2 风积沙路堤干密度现场检测结果

表3 风积沙路堤压实表层干密度现场检测结果

表4 风积沙路堤轻型动探检测结果

注：结果为多频次平均值；N10-15，N表示锤击数，10表示锤重10 kg，15表示重锤击入检测层15 cm的锤击数，与灌砂桶检测深度相对应。

2.2 风积沙路堤压实与二次压实效应分析

风积沙路堤压实与土加石或其他土类填料路堤的压实特点不同。土类路堤的压实是靠挤压和黏聚力在压实层表层形成一个相对致密结实的板体，具有“硬壳层”效应，对上部压实机械的压实功(或激振力)具有应力扩散的作用，其下部路堤层受到上部压实功的作用较小，尤其对于分层摊铺厚度较大的路堤填筑，上部压实功对下部路堤的压实影响更小[11-14]。

对于风积沙而言，由于基本上无黏聚性，其压实主要靠砂颗粒嵌挤和周围约束力的作用，压实层周围约束力越大，其压实挤密效果越好。在较大的上部压力或激振力作用下，如压实层周围能提供足够的约束力，则压实功全部作用于压实层，压实度能够得到较大提高；如果压实层周围不足以提供匹配的约束力，则造成压实层发生较大的推移和侧向位移，压实层压实度得不到提高[15-16]。

在风积沙路堤碾压过程中，由于表层风积沙为临空面，且周围不能够提供足够的侧向约束力，在压路机前进推力和向下激振力的作用下，前进方向风积沙被推起挤松然后被压密。表层风积沙经历着“挤松—压密—挤松”的循环过程(图1)，压实功并不能完全作用于表层风积沙路堤的压实。对于每一层风积沙路堤压实而言，表层风积沙压实效果有限。

图1 风积沙路堤压实

对于分层风积沙路堤填筑压实，当填筑第二层或更上层时，由于上层风积沙的填筑，相应地增加了下层风积沙的侧向约束力，下层风积沙更易得到挤密压实；另外，由于风积沙无“硬壳层”应力扩散效应，压实功可以较多地传递到下层路堤，在碾压上层路堤的同时，下层路堤也得到了二次压实，即风积沙的二次压实效应[17]。压实机械激振力越大、压实遍数和压实层数越多，二次压实效应越明显，如图2所示。

图2 风积沙路堤二次压实效应

由于风积沙表层难以压实，一直重复着“挤松—压密—挤松”的循环过程，因此摊铺厚度过薄时，表层压实度有限，压实机械过多地做了无用功；摊铺厚度过大时，下部风积沙得不到足够的压实功而无法压实。由表4分析结果和试验段成果可知，风积沙压密厚度以30～40 cm为宜，松铺系数可取1.2～1.3。

3 风积沙路堤压实度快速检测方法

3.1 浅层风积沙路堤压实度快速检测

风积沙路堤现场压实度的检测一般采用灌砂法，由于灌砂法需要进行场地整平、灌砂桶标定、凿洞、灌砂、称重等工作，工序较多，费时、费力，其结果受天气情况、人为因素影响较大。另一方面，试样含水率常采用烘干法检测，砂类土的烘干时间不少于6 h，试验周期长，难以满足路堤大规模连续填筑碾压作业的要求；而快捷方法——酒精燃烧法在大风天气无法使用，且所得试验数据与烘干法偏差较大，无法作为标准方法[18]。鉴于此种情况，为提高检测工作效率，加快施工进度，本文拟提出采用轻型动力触探检测风积沙路堤的压实度。

图3 动探击数N10-15与压实度的拟合曲线

轻型动力触探是一个表征贯入阻力的指标，压实度是表征相对密度的指标。表面上看，2个指标并不是同一个概念，但大量的工程实践已经将动力触探与各类土的密实度、承载力、抗剪强度等建立了相关关系，压实度与密实度概念上接近，因此也可以建立动力触探与压实度之间的相关关系(图3)。由于风积沙颗粒组成不同，其最大干密度不同，压实度与动力触探的相关关系也不尽相同，因此应首先对风积沙进行颗粒分析，然后建立相应的关系。试验段风积沙路堤灌砂法压实度检测结果和动力触探结果对比见表5。

表5 风积沙路堤动探结果与灌砂法压实度检测结果对比

室内试验和现场试验段对比结果表明，动力触探指标N10-15与压实度Di具有较高的相关性。根据拟合结果，可以得到N10-15与压实度Di的拟合公式

Di=-0.367N10-152+12.21N10-15-0.018

(1)

式中:当N10-15大于15时，取15；N10-15大于15代表压实度超百。表6为拟合的压实度与动力触探指标的关系。检测过程中可根据动探击数直接确定路堤压实度。

表6 压实度与动力触探指标N10-15关系

注：由于动力触探指标N10-15和压实度检测频次较少，需根据后续增加的检测数据对式(1)和表6进行修正。

3.2 厚层风积沙路堤压实度的快速检测

实际工程中，风积沙路堤越往下层路堤侧向约束力越大，对动力触探锥头的贯入阻力越大，即N10-15也就越大。在上、下两层路堤干密度相同的情况下，下层路堤的动力触探数N10-15要比上层大得多。因此，动力触探数N10-15与压实度的相关关系还应考虑检测深度的影响。另一方面，由于沙漠地区风沙较大、日晒强、蒸发大，在风积沙路基湿法压实施工过程中，为保证压实时风积沙的含水率，往往施工速度较快，路基填筑采用不间断施工，待检路基较厚。此外，由于沙丘地形受限等原因，风积沙路基填筑无法按照常规分层法填筑，沙谷底部路基往往采用两侧沙丘就近推填施工。路基一次性推填与压实厚度较大，使常规的单层压实度检测方法不再满足施工进度与工程环境的要求，鉴于此种情况，为提高检测工作效率，加快施工进度，本文采用现场铺筑试验路和室内表面振动法确定风积沙的标准密度。现场进行风积沙路堤灌砂法压实度检测和轻型动力触探检测，建立压实度Di与动力触探锤击数N10-15、检测深度h之间的相关关系式。将动力触探锤击数N10-15代入式(1)得出厚层风积沙分层压实度，见表7。此处仅介绍一种快速检测方法，其他试验结果类同。

表7 风积沙路堤干密度与轻型动力触探现场检测结果(试验段1)

压实度Di与动力触探锤击数N10-15、检测深度h之间的相关关系为

Di=93.615-0.0519N10-15+0.1141h

(2)

R=0.997

式中：R为拟合关系式相关系数；检测深度h为15～30 cm时，取15，h为30～45 cm时，取30，以此类推。

在通额公路风积沙路堤压实度检测中的使用效果证明，新方法检测速度快，通过单次的轻型动力触探测试获得路堤顶面下15～75 cm深度范围内每15 cm厚度层风积沙的压实度，一次试验可获得4个分层的风积沙压实度，大大地提高了检测工作效率，减少了检测工作量，满足工程进度的要求。

4 风积沙路堤压实工艺与压实度检测方法建议

4.1 风积沙路堤填筑压实工艺

(1)风积沙分层松铺厚度以压实后30～40 cm厚度为宜，松铺厚度不宜过薄或过厚。

(2)风积沙路堤两侧应超宽不小于50 cm，以保证边部路堤的压实。

(3)采用洒水或围方格浸水等方式湿透路基填料，填料洒水完成后，顶面无明显积水即可进行整平碾压。碾压施工应在洒水后2 h内完成。如果填料洒水后未能在规定的时间内开展碾压施工，填料碾压前应进行补充洒水，以确保填料具有足够的含水率。

(4)路堤压实可采用弱振和强振压实，弱振压实效果稍优于强振。振动碾压遍数以满足路堤压实度为准，一般为2～3遍，顶部静压1遍；碾压顺序一般先低后高，先两侧后中间；碾压速度不超过6 km·h-1，尽量低速行驶。

(5)为充分发挥风积沙的二次压实效应，若路堤分层(不少于2层)填筑时，在上一层填料摊铺前应对下一层已压实的路堤顶面洒透水，并及时对上层填料进行摊铺、洒水和碾压[19-22]。

4.2 风积沙路堤压实度快速检测方法建议

(1)风积沙路堤在填筑施工前应分段取样进行颗粒分析试验，确定风积沙颗粒组成；进行风积沙室内最大干密度试验并铺筑现场试验段，取两者中最大干密度作为标准干密度。

(2)根据颗粒分析试验结果，若相邻两段或几段现场风积沙试样颗粒分析结果相同或比较接近，可采用相同的标准干密度。

(3)基于风积沙路堤表层不易压实的特点，在检验分层填筑路基压实度时，表层15 cm不进行压实度检测，对15 cm以下路堤进行压实度检测。

(4)考虑到风积沙二次压实效应和检测工作的可操作性，当路堤分层(不少于2层)填筑时，可在2层路堤分层碾压完成后，对上下相邻的2层路堤进行检测深度范围内的压实度逐层检测。施工和检测的工序为下层填筑碾压、上层填筑碾压、上下层压实度一次性自上而下检测，从而减少2层路堤填筑碾压的时间间隔，提高施工进度，保证路堤的压实度。

(5)若检测深度范围路堤压实度不能够满足要求，应对路堤进行再次洒水碾压，然后进行压实度检测；若路堤未填筑到设计高程，可对该层路堤进行补充洒水，然后及时摊铺和压实上层路堤，在上层路堤碾压完成后再次检测下层路堤的压实度[23-26]。