省道汾屯线改建工程土石混填路基压实与检验分析

2020-08-27安文明

山西交通科技 2020年3期

安文明

（山西交通建设监理咨询集团有限公司，山西太原 030012）

与土方路基相比，土石混填路基压实质量不能采用灌砂法确定，通常采用沉降观测法控制。以往的研究中，有些学者采用沉降率、孔隙比和干密度等指标作为路基压实质量控制指标，并取得了一定的研究成果[1]。基于S222省道汾屯线改建工程实践，铺筑试验段对松铺厚度为40 cm、60 cm和80 cm的路基，分别在碾压遍数为 2、4、6、8、10 时，检测路基沉降率、干密度、孔隙比指标，并分析各指标与压实质量之间的关系，分析确定最佳路基压实质量控制指标，为控制土石混填路基施工质量提供保障。

1 工程概况

本项目为S222省道汾屯线沁源松罗至上滩段改建工程，起讫里程为K88+700—K96+028.713（其中断链34.262 m），道路全长7.294 km。全线采用二级公路标准建设，设计速度60 km/h，路基宽度12 m，面层宽11 m，两侧设水泥混凝土路缘石2×0.5 m；途径黄土坡隧道 K91+430—K92+590，长1 160 m，隧道建设限界采用11×5 m。

公路路堤设计采用土石混填施工，分层摊铺，分层压实，施工中严格控制压实质量，高填方路基横断面如图1所示。

2 沉降率控制的理论依据

土石混填路基压实质量受路基填料质量、压实机械选型与组合、地基稳定性等因素影响，在施工过程中应加强管理。为了准确确定土石混填路基的压实质量，需要大量检测含水量、压实度等指标，耗费大量的时间。近年来，有学者采用检测沉降率的方法控制土石混填路基压实质量，能快速准确地得出检测结果[2-3]。通过现场试验确定路基沉降率和干密度，拟合后发现二者具有较好的线性关系。

土石混填路基压实的过程，可以看作是在压实机械冲击力的作用下，颗粒重新组合排列，填装夯实并逐渐加密的过程，在这个过程中土壤颗粒间的孔隙比不断缩小，空气和水分不断被排出。随着孔隙比的减小，力学性能不断增强，说明孔隙比与力学性能之间存在一定的线性关系。而孔隙比随路基沉降变化而变化，通过分析验算可得出沉降率与孔隙比之间的关系，从而得出沉降率与路基压实质量之间的关系[4]，推导过程如下。

2.1 沉降率与干密度关系推导

沉降率是路基压实后的沉降差与摊铺层厚度之间的比值，用百分数表示。假设路基碾压前后的面积不变，即An≈A，令沉降率，则有：

式中：ρ0、ρn分别代表路基填土初始干密度和碾压n遍后的干密度。

式（2）反映出路基沉降率与干密度之间存在明显的线性关系，沉降率越高，干密度越大，说明沉降率可以作为路基压实质量控制指标之一。

2.2 沉降率与孔隙比关系推导

与上部分相同，假设碾压前后路基面积不变，由于路基填料固体颗粒体积不变，分析得出：

由式（3）可得：

式中：h0、hn分别代表路基填土初始厚度和碾压n遍后的厚度；e0、en分别代表路基填土初始孔隙比和碾压n遍后的孔隙比；sn为路基填土碾压n遍后的沉降量。

式（5）反映出路基沉降率与孔隙比之间存在明显的线性关系，且随沉降率的增大，孔隙比不断减小，这也证明了沉降率可以作为土石混填路基压实质量的控制指标。

通过以上推导过程，可以看出在碾压前对施工现场路基填土初始干密度和初始孔隙比进行检测，通过检测不同碾压遍数的路基填土沉降率，计算路基填土的干密度和孔隙比，判断路基压实质量。这种方法操作简单，不破坏路基，具有良好的应用性。

3 路基压实质量检测与分析

3.1 现场试验检测方案

理论公式的计算需要结合施工现场的实际情况来进行检验，因此必须制定科学合理的土石混填路基压实质量检测方案，准确确定路基填料干密度和孔隙比，合理确定与沉降率之间的线性关系。为了保证检测数据客观准确，选取3个试验段进行检测，分别为K89+100—K89+200，松铺厚度为40 cm；K89+400—K89+500，松铺厚度为 60 cm；K89+800—K89+900，松铺厚度为80 cm。各试验路段填料颗粒采用随机级配，采用YZJ16型和YZ18B型振动压路机进行压实。路基碾压时先静压一遍，再振动碾压。试验中分别在3个试验路段，对碾压2、4、6、8、10遍的路基进行沉降观测和干密度、孔隙比检测，确定不同工况下沉降率与干密度、孔隙比的线性关系。

3.1.1 沉降观测

为了准确确定土石混填路基试验段不同摊铺厚度和不同碾压遍数的压实效果，将每个试验段划分为5个20 m×12 m的网格，在网格内布设3个沉降观测点，横向间距为5 m，打桩并做好标记。利用试验段附近的基点进行观测，如基点较远，可就近布置基点，并保证基点稳固。用精密水准仪进行沉降观测，首次观测确定测点高程，通过相邻两次观测高差确定沉降量，计算确定不同碾压次数下的分级沉降量，并求和得出累计沉降量。

3.1.2 干密度和孔隙比检测

路基填料摊铺完成后，在碾压前对填料的初始干密度和初始孔隙比进行检测。在每个试验段选取3个试坑进行干密度检测，并计算平均值。本项目填料干密度检测采用灌水法，通过试验确定含水量和固体颗粒质量，进而计算求得孔隙比，试验检测点布置如图2所示。

图2 各试验段沉降观测点布置图（单位：m）

3.2 试验检测结果分析

3.2.1 不同碾压遍数下的沉降量观测与分析

对不同摊铺厚度，不同碾压遍数的土石混填路基进行沉降观测，确定沉降规律，分别得到不同碾压遍数下的分级沉降量和累计沉降量。分别对试验路段路基碾压 2、4、6、8、10 遍后的沉降观测点分级沉降量进行检测，并累加计算求得累计沉降量。分别计算各试验段路基累计沉降量平均值，绘制累计沉降量-碾压遍数变化曲线，如图3所示。

图3 累计沉降量-碾压遍数变化曲线图

对图3分析得出：

a）不同碾压遍数下各试验段不同摊铺厚度的沉降量变化趋势可分为以下两个阶段：第一阶段为沉降量快速增长阶段，该阶段沉降量与碾压遍数基本呈线性化，随碾压遍数的增加，沉降量不断增加，且松铺厚度越大，沉降量越大，沉降速率越快，达到最终沉降量的碾压遍数也越大。第二阶段为沉降变形稳定阶段，该阶段路基沉降量随碾压遍数的增加变化很小，并逐步趋于稳定，且松铺厚度越大，最终沉降量越大。

b）不同松铺厚度试验段碾压遍数确定。K89+100—K89+200段路基松铺厚度为40 cm，碾压6遍后分级沉降量观测值小于1 mm。K89+400—K89+500段和K89+800—K89+900段松铺厚度分别为60cm和80 cm，碾压8遍后分级沉降量观测值小于2 mm，满足规范要求的不小于3 mm的要求，说明路基压实质量达到了规范要求。以同样的方法分析路基沉降率控制，得出当沉降率在5%～7%之间时压实质量符合要求。

3.2.2 不同碾压遍数下的干密度检测与分析

在各试验路段布置的网格内选取有代表性的试坑，取样对不同碾压遍数下路基填料的干密度进行检测，确定不同松铺厚度路基填料干密度的变化规律。在每个试验路段选取测点，分别取样检测干密度，求平均值绘制干密度-碾压遍数变化曲线，如图4所示。

图4 干密度-碾压遍数变化曲线图

分析图4变化曲线可知：

a）随碾压遍数的增加，不同松铺厚度试验段路基干密度变化与沉降量变化趋势基本相同，即前期变化速度快，后期变化速度慢，并逐步趋于稳定。当碾压遍数达到8遍时，3个试验段基本趋于稳定，且松铺厚度为40 cm的试验段干密度最大，最大值达到2.136 g/cm3；松铺厚度为60 cm和80 cm的试验段干密度相对较小，且最终稳定后干密度值达到2.089 g/cm3。

b）当碾压遍数相同时，路基填土干密度随松铺厚度所产生的变化较小。在路基碾压6遍时，松铺厚度为80 cm的试验段干密度检测值大于松铺厚度为60 cm的干密度。主要原因是施工现场路基填料的颗粒组成和含水量不容易控制，而采用灌砂法或灌水法得出的干密度检测结果往往存在一定的偏差，且费时费力。因此，不建议采用干密度作为土石混填路基压实质量的检测标准。

3.2.3 不同碾压遍数下的孔隙比检测与分析

孔隙比是路基填料内部结构的孔隙比，受到填料颗粒组成和级配的影响，可作为判断路基压实质量的控制指标之一。路基填料孔隙比采用灌水法和筛分试验确定。在各试验路段选取有代表性的测点，在不同碾压遍数下，通过试验确定各测点孔隙比，取平均值绘制孔隙比-碾压遍数变化曲线，如图5所示。

图5 孔隙比-碾压遍数变化曲线图

通过对图5曲线分析可知，随碾压遍数的增加，路基孔隙比前期增速较快，后期逐步变缓并趋于稳定。K89+100—K89+200段路基松铺厚度为40 cm，碾压6遍后孔隙比基本稳定，最终值为0.232。K89+400—K89+500段和 K89+800—K89+900段松铺厚度分别为60 cm和80 cm，碾压8遍后孔隙比基本稳定，最终值分别为0.315和0.325。检测结果表明，3个试验段孔隙率均小于规范要求的不大于0.33的要求，满足压实质量要求。

由于孔隙比测定过程较繁琐，在实际工程中的可行性较差，且如果操作不当会出现很多问题，影响最终结果的准确性。因此，虽然孔隙比可以反映土石混填路基的压实质量，但相比沉降率等指标，一般不作为路基压实质量的控制标准。