大吨位压路机下黏质土路基碾压工艺现场试验

2020-12-23吴红权林国仁

福州大学学报（自然科学版） 2020年5期

袁燕，吴红权，林国仁，阙云

(1. 福州大学土木工程学院，福建福州 350108； 2. 福建省交通建设质量安全监督局，福建福州 350001)

0 引言

黏质土在我国广泛存在，这类土塑性指数大[1-2]，用于路基填料时表现出很多不利性质，其中以水稳定性较差、压实困难最为突出，但如果工程所在地区优质填料不足，在填筑路基时就不得不使用这类土来进行填筑[3]. 这类土往往需要经过一定的处理方能使用，但如果处理措施不当，后期可能会产生各种工程病害，包括道路的不均匀沉降、路面出现裂缝甚至路基垮塌等[4].

对于黏质土路基填料，许多国内外的研究人员从不同的角度展开研究工作：文献[5]研究采用冲击压实技术处理此类土基的效果；文献[6]研究了华南地区粘性土压实后的弹性模量的预估问题； Zhang等[7]结合兰州新疆高速铁路戈壁滩地区路基工程的试验结果，认为采用徐工XSM220型振动压路机，静压1遍+弱振1遍+强振2遍+弱振1遍+静压1遍，压实度可达路堤压实的要求. 查旭东等[8]针对红黏土的压实性能进行研究，认为对于普通18 t压路机，采用带凸块振动碾压、松铺厚度在25～30 cm时碾压效果较好；万智[9]通过研究得到类似的结论，认为带凸块普通吨位压路机振动碾压的效果好于光轮振动压路机. 文献[10]对低液限砂土、粉土等路基土的机械碾压组合进行试验研究; 而朱盛[11]研究固化作用下高含水率粘性土路基的压实类型不同时，即使压实功相同，控制参数也不相同.

以上研究大多是基于几种普通吨位碾压机具适应的施工工艺，而现在路基施工压路机机械发展迅速，其中大吨位压路机得到较多应用. 目前激振力达81 t的大吨位压路机已广泛在福建省公路路基施工中采用，基于普通吨位压路机的研究结果可能已不能适用. 针对大吨位压路机的黏质土施工工艺研究，目前仅见于文献[13]，该文献采用YZ32大吨位振动压路机，对不同填筑厚度的高液限粘土试验段进行强振碾压试验. 试验采用不同遍数的强振碾压，对比SR20M压路机的压实效果，认为大吨位压路机强振碾压后的粘性路基土干密度提高, 有效压实深度可以达到60 cm. 除上述文献外，对于大吨位压路机，很多具体施工参数，比如当土质不同时应取的松铺厚度、相应的碾压遍数、不同压实深度可以达到的压实度等，目前还鲜见针对性研究文献. 缺少针对性研究结论做为依据，成为大吨位压路机使用过程中困扰施工与检测单位的问题. 鉴于此，本文分析福建省典型黏质土填土路基大吨位压实机械碾压的最佳松铺厚度及其施工工艺参数，可为福建省土质路基施工提供参考.

1 现场试验的主要内容和方案

本次现场碾压试验路段位于福建省长平高速公路，在K19+720～K19+900段部分车道进行机械碾压工艺组合的试验路段施工，同时在其中K19+700～K19+750段进行最佳松铺厚度试验，试验路段按车道划分三个路段并列进行.

1.1 黏质土的物理特性

选用的土样来自福建省长平高速公路长平段A2标段K19+900处. 按《公路土工试验规程(JTJ E40—2007)》[14]，结合筛分法和沉降法来对这类土体进行分类及判定. 土的颗粒组成及试验结果见表1和表2.

表2 液塑限及击实试验结果Tab.2 Liquid plastic limit and compaction test results

试验结果表明，本试验土样小于0.075 mm的土质量超过试验总质量的50%，说明本试验土样为细粒土；塑性指数为15.2，大于7，且大于界限值Ip=0.73(wL-20)=14.2，可得试验土样为低液限黏土.

1.2 碾压机械类型

长乐至平潭高速公路试验路段用的碾压机械型号与相应的技术参数如表3所示.

表3 试验段所使用的碾压机械参数Tab.3 Rolling machine parameters used in the test section

1.3 现场试验方案

1.3.1不同松铺厚度试验路段施工方案

对于本次所填筑的黏质土试验路段，主要是进行不同松铺厚度下的压实试验，得到不同松铺厚度下大激振力振动压路机的压实效果，根据试验结果分析大激振力振动压路机在对路基碾压填筑厚度方面的特点，总结大吨位振动压路机对路基填料的压实规律.

在施工现场，按车道划分为三条并列试验路段，每条宽5 m，每条长度均为50 m，50 m长度再一分为二，这样共6段. 普通压路机拟碾压松铺厚度为40、 50 cm，大吨位压路机拟碾压厚度为40、 50、 60、 70 cm，如图1所示.

图1 试验区的平面尺寸图Fig.1 Plan dimension drawing of test area

1.3.2大吨位压路机碾压组合试验路段施工方案

通过上节方案可得到松铺厚度的最佳值，以该值做为松铺厚度铺筑新的试验路段，摊铺完成后用大激振力压路机进行压实作业，将碾压机械工艺组合、土壤含水率、松铺厚度以及振动大小等对压实效果有影响的参数综合考虑，进行6种工况下的压实作业. 此试验路段全长为150 m，将其平均划分为6个区段，每个区段长度为25 m，松铺厚度为上一方案得到的最佳松铺厚度. 现场机械组合方式如表4所示.

表4 现场碾压试验方案Tab.4 Site rolling test scheme

2 试验结果及分析

2.1 不同松铺厚度下黏质土干密度的测定

常规灌砂法对较大的压实层厚难以进行检测，因此本研究采用的压实度检测方法是改进后的灌砂检测方法. 具体步骤如下：大厚度松铺层压实后，用洛阳铲从压实路基顶面开始往下取土，注意取土时成孔，成孔后使用灌砂筒灌砂，标定体积；检测完上层压实层后，再围着上层孔向四周进行面积较大的开挖，使孔底面积变大，注意开挖深度不要超过第一次灌砂时的深度；整平坑底平面后，再进行第二层的挖孔灌砂、标定体积；然后进行第二层扩孔与孔底平面整平，最后进行第三层的挖孔灌砂和体积标定.

为了比较两种不同类型与吨位的压路机对黏质土路堤填土的压实效果，本次试验路段均进行4遍碾压，为了节省时间和提高压实效果的检测效率，只检测碾压1遍和第4遍后的土层压实效果. 压实效果检测时取土步骤如下：路基按设计松铺厚度压实后，用洛阳铲在其上半层压实层的土体上挖孔，迅速把挖出的土装入不透气的塑料袋内并密封，马上称量土的质量，然后用灌砂筒往孔内灌入标准砂，等到砂停止流出时拿起灌砂筒，试验员称取筒内剩余砂的质量并计算压实度. 进行上层压实层的检测后，挖出孔内砂，再围着上层孔向四周进行面积较大的开挖，注意深度不要超过上层孔的深度位置，然后整平坑底平面，再进行第二层的挖孔灌砂. 所有松铺厚度均采用这种由上而下的成孔方式，具体形式和孔深如图2所示. 强振1、 4遍后黏质土压实度检测结果见表5所示.

图2 压实度检测层次划分Fig.2 Classification of compaction detection levels

表5 黏质土压实度的相关试验数据Tab.5 Relevant test data of compaction degree of cohesive soil

本研究只铺筑了松铺厚度为40、 50 cm的试验路段来研究普通压路机的压实效果试验，从已有文献和经验来说，较厚松铺厚度下普通压路机的压实效果不好，通常50 cm厚度已不易压实，不进行60、 70 cm松铺厚度试验. 图3(a)～3(b)绘出用两种压路机压实后，不同压实深度处粘性土干密度值的变化情况，可据此分析两种机械压实效果的区别；通过把表5数据中同一压实工况下的上下层位的干密度进行平均，即可得到整个压实层的干密度，绘出干密度-松铺厚度-压实遍数关系的柱状图，如图3(c)～ 3(d)所示.

(a) 碾压1遍不同层位

(b) 碾压4遍后不同层位

由表5和图3可得到如下4个主要结论.

1) 大吨位压路机的压实效果优于普通压路机的压实效果. 大吨位压路机的压实功率与激振力较普通压路机大得多，能够在较深松铺厚度下达到较大的有效压实度；无论压路机类型、碾压遍数，上层压实效果总是比下层压实效果要好.

2) 本研究所采用的压路机型号，压实4遍效果均好于压实1遍. 比较表5中的压实度数据，可以看到对大吨位压路机亦或普通压路机，压实遍数更多，压实效果均更好，大吨位压路机的压实效果在不同遍数下区别更大. 但应留意的是，此试验工况最多进行4遍压实. 可以说，在一定压实遍数和压实吨位范围内，碾压遍数和机械吨位的增加都影响路基填土压实度的大小.

3)采用的大吨位压路机对60 cm及更小松铺厚度强振碾压4遍后，压实度都达到96%的压实度要求，符合路基施工规范规定的所有等级公路路床所要求的压实度[12]； 60 cm及以下松铺厚度经过大吨位压路机强振碾压4遍后，上层都超过100%，其原因可能是：① 试验采用的最大干密度试验击实功较小，击实后剩余的空气体积率相对还比较高，最大干密度值偏低； ② 大吨位压路机的强振碾压对土体作用较大压实功，造成压实层上层土颗粒间空隙被破坏，土体进一步密实，压实度超百.

4)无论是强振碾压1遍还是4遍，大吨位压路机在松铺厚度为60 cm时的压实效果均优于其它松铺厚度，强压1遍即可达到94区. 对黏质土采用大吨位压路机进行施工压实可以更快速地达到规范规定的压实度要求，最适应的压实厚度为60 cm. 其原因可能是在60 cm松铺厚度和大吨位压实功下，土作为三相体系，土颗粒间的水分易排出，土颗粒间空隙减小，排列最紧密，形成密实的整体； 40、 50 cm厚度下，大激振力可能引起表层土颗粒空隙封闭较快，反而不利于水分快速排出，压实度小于60 cm厚度时的压实效果.

2.2 不同松铺厚度下黏质土压实沉降观测

试验时各工况均为压路机先静压1遍，然后开启振动碾压模式，每碾压1遍均进行1次沉降量检测并记录数据. 在现场试验中，本文采用“十字法”进行测量点的定位，即在要测量压实度的压实表层上确定相应的代表点位置后，以该点为中心在地面上画互相垂直的两条线，形成十字，在十字的4条线上从交叉点开始，向外间隔0.5 m取点，如图4(a)所示，然后测量这些点的沉降量, 见图4(b)[15].

(a) 布置检测沉降的代表点

(b) 用水准仪观测代表点的沉降图4 代表点的布置和沉降观测Fig.4 Arrangement of representative points and settlement observing

对试验得到的沉降量数据转化为沉降率数据，沉降率指路基填土松铺厚度经过压实机械碾压n遍后所产生的总沉降量与对应松铺厚度的比值. 沉降量和沉降率随碾压遍数的变化绘成曲线，如图5所示.

(a)压实层的沉降量

(b) 压实层的沉降率图5 压实层沉降量与沉降率随压实遍数的变化Fig.5 Change of settlement and settlement rate of compacted layer with rolling times

从图5可看出，静压一遍以后，压实层的表面沉降量随着振动碾压遍数的增加而增大，沉降率也同向增大；碾压产生的沉降量也随着松铺厚度的增大而增大. 大吨位压路机振动碾压作用下，40 cm与50 cm松铺厚度下产生的沉降量比普通压路机更大. 这样从沉降量的角度出发，大激振力压路机的压实效果要优于普通压路机.

由图5还可以得出，沉降率最大的松铺厚度不是70 cm，而是60 cm，说明过大的松铺厚度会降低压实效率. 但是研究人员注意到，即使70 cm厚度，沉降率也超过普通压路机. 本试验采用的大激振力压实机械与工况组合下，对应相应土质的最佳厚度为60 cm.

2.3 大吨位压路机碾压工艺组合

在碾压开始前，按规范要求从现场取样，测出土体的天然含水量. 碾压施工时，注意使土体含水量满足最佳含水量要求，必要时需在填筑时加水拌合均匀. 填土后整平表面，使松铺厚度为60 cm，然后开始碾压，碾压时遵循“先轻后重、先慢后快、先两边后中间”的原则[13]. 工序是先静压一遍，开启振动进行纵向碾压，时速≤4 km·h-1，最后静压一遍进行路基表面收光. 根据步骤振动纵向碾压遍数的不同分为6个工况，碾压工艺组合如前表4所示，碾压效果如表6所示.

表6 不同碾压工艺组合下大吨位压路机的压实试验效果Tab.6 Test data of compactness of high exciting force roller under different rolling combinations

由表6中的试验数据，可得出以下两点主要结论.

1) 随着碾压遍数的增加，平均压实度均随之增加，但其压实度的差异随着压实遍数的增加逐渐缩小. 上述所有工况除了强振遍数不同，其它组合工艺均相同，基本组合方式为(静压1遍+弱振1遍+强振n遍+静压1遍). 从表6可以看到，本节试验均采用60 cm厚度的情况下，在工况1即强振1遍即可达到94区要求(下层20 cm的压实度为94.8%)；工况2为强振2遍，可以达到96区，此时下层20 cm压实度为96.9%.

2) 随着碾压遍数的增加，上层和中层压实土体的压实度先增大，然后出现小幅回落，其中上层压实度的回落趋势较中层更为明显，下层压实度基本上是先上升后趋于稳定. 分析其原因，可能是因为上层和中层受到较大压实功的作用，土体状态会经历松散—压实—再次松动的变化过程，即强振遍数较多，造成压实功过大时，上层压实土体再次松动，表现为其压实度先上升后下降. 压实土体在深度上距离大激振力压路机越大，受到的影响越小，不同土质受影响的范围可能不同，因此将来还需要进一步研究不同土质下该规律的适用性.