大粒径无黏性土石混合料路用性能研究

柴荣山，孔振中，张永圣，王延忠，胡文军

（1.山东省公路桥梁建设有限公司，山东 济南 250002；2.山东建筑大学，山东 济南 250101）

引言

采用大粒径土石混合料进行山区高等级公路的路基填筑技术在我国发展历程较短，但随着各种施工机械、施工方法与施工技术的发展，以及理论研究方面的提升，我国在土石混填路堤领域取得了一定的成果[1-3]。许锡昌[4]研究了土石混填路堤中土石混合料中粒径超过5 mm 的石料含量对压实性能的影响；胡其志等[5]研究了压路机碾压遍数对不同工况下土石混合料填筑路基沉降变形的影响；贾学明[6]则通过数值模拟方式分析了土石混合料中含石量及石料特性对填筑体抗剪性能的影响。

京沪高速公路改扩建工程莱芜-新泰二标段位于丘陵地区，土地资源紧张、普通路基填料匮乏，而无黏性土石混合料较多，路堑开挖或隧道爆破开凿出的碎石粒径较大。

1 室内试验

按四分法取土样进行筛分试验确定土石混合料的级配曲线；取混合料中石块测定其矿物成分；通过标准重型击实试验，制作试件，测定土样的最大干密度、最佳含水率；按照击实试验所得最佳含水率制件，进行四昼夜泡水后，测定试件的CBR 值。

1.1 筛分试验

通过筛分试验，可得大粒径无黏性土石混合料级配曲线见图1，分析结果见表1。依据《公路土工试验规程》（JTG E40—2007），大粒径土石混合料中砾组质量多于砂粒组质量，且细粒土含量小于总质量的5%，命名为级配良好砾。

表1 大粒径土石混合料分析结果

图1 大粒径土石混合料级配曲线

1.2 XRD 试验

取土石混合料中碎石样品进行X射线衍射试验，进行矿物成分分析，结果见表2。岩样呈黄褐色-灰白色，主要矿物成分为长石和石英，岩样中二氧化硅含量为16%（＜52%），在道路工程中属于碱性石料（钙质）[7]。

表2 岩样矿物成分含量/%

1.3 标准重型击实试验

采用四分法取土样，进行标准重型击实试验，根据试验结果绘制击实曲线见图2，确定土石混合料的最大干密度为2.054 g/m3,最佳含水率为5.2%。

图2 土石混合料击实曲线

1.4 CBR 试验

将试件进行4 d 浸水，膨胀量0.08%，吸水率2.1%，采用路强仪测定土石混合料试件的CBR 值为63.2，远大于规范对于高速公路路堤填料最小承载比的要求。

2 边坡稳定性分析

采用GEO-SLOPE 软件对大粒径无黏性土石混合料高路堤进行边坡稳定性分析，分析方法为Bishop法，分析参数见表3。

表3 大粒径无黏性土石混合料典型路基稳定性分析参数

不考虑地下水影响，荷载采用换算土柱重模拟，换算土条为7.5 m×0.761 m，重度为20.54 kN/m3。计算结果见图3、图4，两种典型路堤边坡稳定性安全系数均大于1.25，符合《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）的要求。

图3 8 m 高路堤边坡稳定性分析

图4 20 m 高边坡稳定性分析

3 现场试验路铺筑

大粒径土石混合料的特点是块石粒径比较大、细粒土含量较少，土质较不均匀，与常规碎石土的压实有所区别。普通碎石土在压实过程中主要是颗粒的移动挤密，孔隙由细颗粒填充；而大粒径土石混合料在压实过程中，除了移动挤密外，还存在部分颗粒的破碎与移动；同时由于其细粒含量较少，若级配不好，即使施工过程中采用较大的压实功，导致细粒不能完全填充粗粒的孔隙，从而形成骨架-空隙结构[8-10]。

依据室内试验结果，现场选取200 m 路段进行试验路铺筑。施工工艺（分层填筑，重型机械压实）流程：填料→摊铺→补充细料、人工局部找平→30 t压路机压实→压实质量检测→每填筑2 m

冲击碾压一次。步骤：（1）填料超大粒径的范围一般为35 ～50 cm；（2）填料最佳含水率控制在5.2±2%范围内，并根据现场干湿情况进行调整；（3）使用挖掘机对大粒径土石混合料进行摊铺、找平，松铺系数按1.35，松铺厚度为80 cm，压实厚度为60 cm；（4）按照30%比例对大粒径填料补充细料、人工局部找平；（5）碾压顺序及碾压方法：采用30 t压路机进行碾压，以振动碾压为主，根据具体情况增加振动碾压遍数。碾压过程遵循先边后中，先轻后重，先慢后快的原则；（6）压实质量检测采用沉降法进行每层检测；（7）路堤填筑过程中，每填筑2 m 采用30 kJ 冲击压路机进行冲击碾压一次，冲击遍数为20。

4 结语

（1）项目所用土石混合料级配良好，承载比等指标符合路基填料要求；（2）现场试验路铺筑效果较好，表面无明显孔洞，大粒径填石无松动；（3）土石混合料中含有部分大粒径（35 ～50 cm）的石块，若级配适宜，强度指标符合要求，可以作为优良的路堤填料；（4）由于填料中含有大粒径块石，应继续加强观测或研究，考虑水对路基的影响，完善其作为路基填料的各项性能研究。

大粒径土石混合料具有强度较高的工程特性，在工程建设中，经过试验与理论论证后，若能就地取材进行路基的填筑，可以起到降低工程造价、加快施工进度的目的，同时起到减少弃方、保护生态环境的作用。