基于沉降差和动态变形模量的含巨粒土路基压实质量控制

胡志文 程培峰 李泽闯 董乃宝

摘 要：依托實际工程选定试验路段，本文利用沉降差和动态变形模量（Dynamic Deformation Modulus ，Evd）值2种压实检测指标对不同松铺厚度和压实工艺进行压实效果检测分析，并对试验路段进行沉降变形监测。结果表明，含巨粒土分层填筑时，采用松铺45 cm、32 t振动压路机静压1次振压5次施工方法填筑路基，压实质量满足规范要求，采用沉降差和Evd值相结合控制巨粒土施工压实质量是可行的;含巨粒土填料在压实过程中产生的沉降差与对应的Evd值具有良好的线性关系，在施工中可以用便携式落锤弯沉仪（portable falling weight deflectometer， PFWD）快速进行加密质量检测;路基填筑高度较高的，每铺筑3 m进行一次强夯，路基达到标高后最好进行堆土预压，利于加速路基固结，有效减小工后沉降。

关键词：路基;含巨粒土;施工工艺;PFWD;压实质量控制措施;沉降观测

中图分类号：U416.1    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2022）01-0124-08

Compaction Quality Control of Containing Macrograined Soil Subgrade

Based on Settlement Difference and Dynamic Deformation Modulus

HU Zhiwen1， CHENG Peifeng1*， LI Zechuang1， DONG Naibao2

（1.School of Civil Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China;

2.Heilongjiang Provincial Transportation Information and Planning Research Center， Harbin 150080， China）

Abstract：In this paper， based on the actual project， the test section is selected， and two kinds of compaction detection indicators， namely settlement difference and dynamic deformation modulus value （Evd）， are used to detect and analyze the compaction effect of different loose paving thicknesses and compaction processes， and the settlement deformation of the test section is carried out monitor. The results show that： when filling in layers with macrograined soil， the subgrade is filled with the construction method of loose paving thickness of 45 cm and 32 t vibratory rollers static pressure for one time and 5 times vibration， and the compaction quality meets the specification requirements. It is feasible to use the combination of settlement difference and Evd value to control the compaction quality of macrograined soil construction. There is a good linear relationship between the settlement difference and the corresponding Evd value of the macrograined soil filler during the compaction process. The portable falling weight deflectometer （PFWD） can be used for rapid and intensive quality inspection during construction. If the subgrade filling height is high， dynamic compaction should be carried out every 3 m. After the subgrade reaches the elevation， it is best to carry out preloading of soil piles， which is conducive to accelerating the consolidation of the subgrade and effectively reducing the settlement after construction.

Keywords：Roadbed; containing macrograined soil; construction technology; PFWD; compaction quality control measures; settlement observation

0 引言

选择路基填筑材料应遵循因地制宜、就地取材的原则，一般是优先利用挖方材料。这样可以避免或减少征用土地堆放弃方材料，有利于沿线生态环境保护，降低工程造价。路堑深度范围表层覆土厚度和岩石风化程度不尽相同，开挖出巨粒土的粒径大小不一，其中巨粒组含量也不尽相同。根据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）中的说明，粒径大于60 mm的巨粒组占总质量15%～50%的称为含巨粒土，属于巨粒土的一种。含巨粒土具有强度高、压实密度大、沉降变形小、透水性能强、抗冲刷性能好以及可就近取材等优点[1-3]。但是含巨粒土属于一种衰退性材料，应用于道路工程后随着时间推移，大粒径填料会因外界因素作用发生破碎现象，且含巨粒土填料颗粒形状和组成差异较大，这些因素均影响路基耐久性和稳定性[4]。

通过全国土石混填路基施工现场调研和资料的分析可知，目前全国土石混填路基施工现场普遍采用的压实机械吨位较低、激振力也没有达到相当大的量级，而且由于缺少必要、明确的技术指标，再加上部分技术人员土石混填路基施工经验不足，摊铺和压实不均匀，压实的质量检测标准和方法不当，导致路基不够密实，工后会产生较大的沉降;不同路基压实层次密实程度有差异，给施工后路基不均匀沉降留下了隐患，影响道路的平整度，甚至可能导致路基产生纵、横向裂缝，影响路基的整体稳定性和耐久性。因此开展巨粒土路基施工及其质量控制技术研究具有实际意义。

1 含巨粒土材料

依托国道丹东至阿勒泰公路吉黑省界（珲春）至东宁段改扩建工程，该工程位于黑龙江省东宁市中东部的腹心地区，路线起点位于东宁市南部与吉林省交界处，与吉林省东防线（S201）相接，并沿现状丹阿公路（原鸡图公路S206）向北布线，途经老爷岭、老黑山、太平川、大肚川和新城子沟等地区。该路线主线全长99.337 km，区域地形地貌条件多为中低山丘陵区，海拔为在342～810 m。试验路段位置情况如图1所示。

1.1 路基填料的性质

试验路段为国道丹东至阿勒泰公路吉黑省界（珲春）至东宁段改扩建工程项目K81+650至K81+850部分（图1），该路段为半填半挖路段，挖方主要为巨粒土，可用作填筑路堤的材料。

研究区域路基左幅为挖方段落、右幅为陡坡路基填方段落，除掉表面腐殖土后，挖出的土欲作为路基填料利用。对填料进行室内筛分试验，试验结果见表1，土中粒径在60 mm以下的占83.3%，大于60 mm的巨粒组占16.7%，以100～200 m为主，按照土的分类，可确定填料为含巨粒土。该筛分结果较为典型，在此基础上研究所得结论可以作为含巨粒土路基工程的参考依据。

该试验路的含巨粒土中岩石为强风化、中风化凝灰岩，如图2所示，利用SD-1型点荷载仪测量开采出凝灰岩的强度。SD-1型点荷载仪加荷系统包括液压千斤顶、承压框架和上下2个压头，采用卧式结构，方便施加荷载，具有良好的稳定性，不易产生偏心[5-7]。试验测得点荷载强度指数均值为3.38 MPa，换算得出岩石饱和单轴抗压强度为56.89 MPa，满足作为路基填料的需求。

1.2 含巨粒土路基施工

含巨粒土填料在路基施工中属于土石混合材料，与常见的土路基填料相比，含巨粒土填料工程性质复杂，一般通过试验路段来确定施工工艺及压实质量控制指标。

试验路段共长150 m，由于填土高度大，采取分层填筑的方式。由于填料粗细颗粒悬殊，因此装运过程要注意均匀装料，现场需加强填料监测，卸料时应该一次性倒卸，避免出现料源离析的情况[8-9]。

摊铺采用渐进式摊铺法，配合人工辅助，保证摊铺表面平整。由于含巨粒土填料形成骨架结构，需要采用振动压实减少颗粒间空隙。碾压时使用中大32 t振动压路机进行压实作业，遵循先两边后中间、先慢后快、先静压后振压的原则，振动压路机轮迹重叠为碾压轮宽的1/3～1/2，做到无漏压、无死角，确保碾压均匀。每铺筑3 m进行一次强夯，每次夯击确保夯击能可以达到1 000 kN·m，强夯机工作时采用梅花法，每个强夯点夯实5次。把质量控制指标和施工工艺结合起来可以更有效地对含巨粒土路基进行质量控制[10-11]，含巨粒土路基施工工艺为如图3所示。

2 路基压实检测

2.1 压实沉降差检测

根据《公路路基设计规范》（JTGD 30—2015）和《公路路基施工技术规范》（JTG/T 3610—2019）中关于土石路堤施工质量控制说明，本次含巨粒土路基填筑试验主要依靠路基压实沉降差指标来检测，精确度要求较高[12-13]。施工成型后，采用二等水准测量每层填筑前和碾压后的标高，确定每层的碾压遍数和压实沉降差。前后2次压实后标高差即沉降差小于等于允许沉降差时，路基铺筑质量达到压实要求。本次研究使用Leica DNA 03型数字水准仪进行沉降差的测定，精度可达0.01 mm，沉降差平均值小于5 mm、方差小于3 mm可视为压实合格。

進行检测前先使用百米尺量取合适的测点，测量剖面间距为20 m，同一剖面上测点间距为5 m。为最大程度地保证测量点不发生位移导致测量出现误差，采用Q345高强度钢定制圆形钢板，板中心焊接凸起点，钢板在使用前先经过压路机充分碾压，保证其正式测量时几乎不变形，观测所用圆形钢板如图4所示。将圆钢板置于填料表层，检测时用水准仪测钢板中心点的前后标高。

为了研究不同松铺厚度对含巨粒土路基施工压实质量的影响，拟定了25、35、45、55 cm 4种不同的松铺厚度，压实方案见表2。

分别对不同松铺厚度进行压实，每碾压1遍后即进行沉降差检测，检测值见表3，检测折线如图5所示。

由表3和图5可以看出，松铺厚度为25 cm和35 cm时，静压1遍振压4遍即满足要求，松铺厚度为45 cm时，静压1遍振压5遍满足要求，松铺厚度为55 cm时，静压1遍振压6遍仍无法满足压实要求，振压7遍仍有40%不满足要求。松铺厚度为45 cm时虽然压实遍数较35 cm多1遍，但由于多铺10 cm土层，摊铺和压实施工效率更高。所以建议含巨粒土路基施工的合理松铺厚度为45 cm，最佳压实工艺为32 t振动压路机静压1遍振压5遍。使用32 t振动压路施工压实，松铺厚度为55 cm时效果不佳。

2.2 基于PFWD的Evd检测

目前规范中路基压实质量的检测方法，除沉降差法外其他方法不适用于含巨粒土路基。但受沉降差法检测速度所限，一般只用沉降差法对代表性的测点进行检测，无法对大面积施工的含巨粒土路基压实质量进行有效检测。路基的回弹模量是表征材料强度的重要指标，通过调查不同位置处的回弹模量的均匀性可直接反映强度的均匀性，近年来便携式落锤弯沉仪（portable falling weight deflectometer， PFWD）在路基模量与压实度检测中得到了广泛应用[14-15]。因为PFWD 可以在路基施工中快速检测压实程度，含巨粒土路基压实后用沉降差法选取代表性的测点进行检测，检测合格后可以考虑使用PFWD 进行更细致的质量检测，对个别路基强度不足处进行补强处理[16-17]。

本研究采用PRIMA 100型落锤弯沉仪，如图6所示，在压实沉降差测点旁30 cm处测得路基顶部动回弹模量Evd指标值。

测得含巨粒土不同松铺厚度时各个测点的顶部动回弹模量Evd值数据，绘制出不同松铺厚度下每遍碾压后的Evd值箱型图，如图7所示。

对图7中Evd数据进行统计分析，图7箱体中的“×”为每遍数据中的平均值。由不同碾压遍数各测点Evd值的箱型图可见，PFWD现场测试Evd值具有一定的离散性，但Evd的中位数和平均值随碾压遍数的增加持续增加，说明含巨粒土的压实质量在持续增加。统计Evd的平均值见表4。

由表4中数据可知，同样压实遍数时，松铺厚度小的对应Evd值大，松铺厚度大的对应Evd 值小，振压5遍后，松铺厚度为25、35、45 cm时，顶部动回弹模量均大于50 MPa，松铺厚度为55 cm的顶部动回弹模量仅达到45.68 MPa。把压实沉降差作为横坐标、Evd 值作为纵坐标，可绘制出松铺厚度为45 cm时的沉降差和对应的Evd值的关系曲线图，从图8可以看出压实沉降差与Evd值近似反比例直线关系。

分析沉降值检测指标和Evd指标的相关性，皮尔逊相关系数为0.95，满足大于0.7的要求，说明Evd值与沉降差有较好的线性相关性，可以建立其线性方程式。采用最小二乘法进行沉降值与Evd值的线性回归，得到公式：

E = - 0.521Δh+ 50.604Ε=-0.521Δh+50.604。（1）

式中：E为路基顶面动回弹模量Evd值;Δh为压实沉降差值。

因为沉降差界限值[Δh]为5 mm，代入线性回归公式，得到对应的Evd值为47.999 MPa，作为标准值就近取整，将[Evd]容许值定为50 MPa。对该种含巨粒土路基施工，可利用PFWD作为辅助手段配合沉降差法评价含巨粒土路基压实质量，可有效提高压实质量检测效率。

3 路基后期沉降监测

在公路建设中，高填方路基结构具有工程量大、难以控制填筑、填筑高度较高、稳定性和抗压性要求高、累积沉降大、沉降时间长等特征[18-20]。这些特征严重影响了公路的正常使用及行车安全。

试验段含巨粒土路基填筑高度达到8.5～9.5 m，所以除了在施工时进行沉降差和PFWD方法检测含巨粒土路基压实质量，还采用沉降板观测法进行了施工后的路基沉降监测，在填方路基的路肩处选取7个监测点，在监测点处埋设沉降板，如图9所示。

因为路基填方较高，受施工现场条件限制，无法采用水准仪法监测，选用South NST-362R全站仪采集沉降板坐标。沉降板初次埋设后测量测杆顶部高程作为初始高程，之后每次观测所测得沉降板控制点的高程与前次测量的高程值之差即为沉降板底部以下路基在该次观测周期内的沉降值。

為了便于全站仪对沉降板进行监测，在沉降板顶部沉降管上贴全站仪反光贴，作为沉降板的控制点。施加预压土方时，为沉降管提供保护，在沉降板周围焊接钢筋笼，防止路基填筑时大粒径土石滚落砸碰沉降管，如图10所示。

2019年8月19日完成沉降板埋设，然后开始进行监测。2019年9月至10月，施工单位对填方路基进行了堆载预压。11月末进入冬季后，试验路段所处区域气温降至零下并出现降雪。由于新冠肺炎疫情影响，未进行2至6月沉降监测计划，7月初恢复沉降监测工作。绘制路基沉降量随时间变化情况，如图11所示，总沉降量监测结果汇总见表5。

从图11可以看出，填筑初期路基沉降较快，路基受预压土作用，加快了沉降，2019年11月末之后，路基整体趋于稳定状态，几乎没再产生沉降变形，说明路基整体趋于稳定。

从表5中可以看出，大部分沉降板的累计沉降量在3～4.5 cm，沉降的最大沉降量为5.2 cm，最小沉降量为3.1 cm，累计沉降率最大为0.59%，对比《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）中的技术要求，说明该路基满足要求，安全稳定。这说明采用松铺厚度45 cm、中大32 t振动压路机静压1遍，振压5遍的施工方法填筑路基，压实质量完全满足规范要求。

4 结论

（1）试验结果表明，对于本研究的含巨粒土填料进行分层填筑时，采用松铺45 cm、32 t振动压路机静压1遍振压5遍施工方法填筑路基，压实质量完全满足规范要求，提高路基施工效率。含巨粒土路基所采取的摊铺、碾压和堆载预压等各项技术措施是有效的，有利于加速路基固结，有效减小工后沉降。

（2）本研究的含巨粒土填料在压实过程中产生的沉降差与对应的Evd值具有良好的线性关系，采用沉降差和Evd值2种指标相结合控制含巨粒土施工压实质量是可行的。在施工中可以用PFWD快速进行加密质量检测，但需事先用沉降差法的检测结果对Evd进行标定，确定[Evd]容许值，本研究的含巨粒土[Evd]为50 MPa。

参 考 文 献

[1]江松.大粒径无黏性土石混填路基压实特性研究[D].成都：西南交通大学，2018.

JIANG S. Study on compaction characteristics of large-diameter and non-cohesive soil-rock mixed subgrade[D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2018.

[2]董志飞.巨粒土填筑技术在高速公路路基施工中的应用[J].交通世界，2018，25（S2）：90-91.

DONG Z F. Application of filling technology of giant soil in expressway subgrade construction[J]. Transportation World， 2018， 25 （S2）： 90-91.

[3]范磊.基于PFWD的土石混填路基压实质量快速检测方法研究[D].西安：长安大学，2011.

FAN L. Study on the rapid detection method of compaction quality with earth-rock subgrade based on PFWD[D]. Xi’an： Chang’an University， 2011.

[4]王喆.巨粒土填筑技术在高速公路路基施工中的应用[J].交通世界，2019，26（26）：37-38，42.

WANG Z. Application of filling technology of giant soil in expressway subgrade construction[J]. Transportation World， 2019， 26 （26）： 37-38， 42.

[5]张春玲，张传鹏，徐静.岩石点荷载强度与单轴抗压强度的对比试验[J].地下空间与工程学报，2015，11（S2）：447-451.

ZHANG C L， ZHANG C P， XU J. Comparison test of rock point load strength and uniaxial compressive strength[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2015， 11（S2）： 447-451.

[6]陈嘉祺，魏作安.不同试验方式岩石点荷载强度与单轴抗压强度对比分析[J].中国地质灾害与防治学报，2018，29（5）：72-77.

CHEN J Q， WEI Z A. Comparison of rock strength from different point load tests and the uniaxial compressive strength[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control， 2018， 29（5）： 72-77.

[7]代领，姚华彦，张飞阳，等.不同形状红砂岩的点荷载强度试验研究[J].科学技术与工程，2019，19（7）：209-214.

DAI L， YAO H Y， ZHANG F Y， et al. Experimental study on point load strength of red sandstone with different shapes[J]. Science Technology and Engineering， 2019， 19（7）： 209-214.

[8]宋軼璋，何照勤，申宝稳.弃渣弃方巨粒土填筑技术在高速公路路基施工中的应用[J].公路，2016，61（6）：86-89.

SONG Y Z， HE Z Q， SHEN B W. Application of filling technology of waste slag and earth in expressway subgrade construction [J]. Highway， 2016， 61（6）： 86-89.

[9]吴跃东，王维春，刘坚，等.砂砾卵石土高速公路路基填筑试验研究[J].岩土力学，2012，33（S1）：211-216.

WU Y D， WANG W C， LIU J， et al. Test research on compaction effect of expressway embankment with sand-gravel-cobble mixture[J]. Rock and Soil Mechanics， 2012， 33（S1）： 211-216.

[10]盖玉杰.高速公路填石路堤设计与施工方法探讨[J].森林工程，2002，18（2）：41-42.

GAI Y J. Discuss on the design and construction methods of embankment built by stones in freeway[J]. Forest Engineering， 2002， 18（2）： 41-42.

[11]刘刚，何雨春璋.土包砂路基施工技术应用分析[J].森林工程，2010，26（4）：57-58，66.

LIU G， HE Y C Z. Analysis on construction technology application of soil sand subgrade[J]. Forest Engineering， 2010， 26（4）： 57-58， 66.

[12]張荣，腊润涛，牛云霞.填石路基压实工艺与质量检测方法研究[J].公路，2020，65（10）：90-93.

ZHANG R， LA R T， NIU Y X. Research on compaction technology and quality inspection method of stone-filled roadbed [J]. Highway， 2020， 65（10）： 90-93.

[13]童第科.高速公路填石路堤压实质量试验研究[J].地下空间与工程学报，2019，15（6）：1646-1651，1666.

TONG D K. Highway rock fill subgrade compaction quality test research[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2019， 15（6）： 1646-1651， 1666.

[14]王龙，解晓光，姜立东.基于PFWD碎石土路基压实快速检测与均匀性评价方法[J].哈尔滨工业大学学报，2013，45（2）：66-71.

WANG L， XIE X G， JIANG L D. Compaction quality fast detection and compaction uniformity evaluation of gravel soils subgrade based on PFWD[J]. Journal of Harbin Institute of Technology， 2013， 45（2）： 66-71.

[15]张军辉，邓宗煌，刘杰，等.南方湿热地区既有路基快速检测方法研究[J].中外公路，2019，39（6）：6-10.

ZHANG J H， DENG Z H， LIU J， et al. Research on rapid detection method of existing roadbed in hot and humid region of South China[J]. Journal of China & Foreign Highway， 2019， 39（6）： 6-10.

[16]陈羽，张静波，杨露，等.惠罗高速风化炭质泥岩作路基填料的试验研究[J].公路工程，2017，42（5）：32-37.

CHEN Y， ZHANG J B， YANG L， et al. Research on the experiment of weathered carbonaceous mudstone as subgrade filler in Huishui-Luodian expressway[J]. Highway Engineering， 2017， 42（5）： 32-37.

[17]李泽闯，程培峰，胡志文等.土石路堤压实质量控制与碾压动力响应模拟分析[J/OL].土木与环境工程学报（中英文），2021，43（4）：33-41.

LI Z C， CHENG P F， HU Z W， et al. Compaction quality control and rolling dynamic response simulation analysis of earth-rock embankment[J/OL]. Journal of Civil and Environmental Engineering， 2021， 43（4）： 33-41.

[18]李彤桐，王丕祥.城市道路软土地基沉降变形监测[J].森林工程，2016，32（6）：89-92.

LI T T， WANG P X. Settlement deformation monitoring of soft soil foundation of urban road[J]. Forest Engineering， 2016， 32（6）： 89-92.

[19]田辉，文祥云，郑益攀，等.浅谈高填方路基施工技术及质量控制[J].公路，2018，63（10）：85-88.

TIAN H， WEN X Y， ZHENG Y P， et al. Discussion on construction technology and quality control of high fill subgrade[J]. Highway， 2018， 63（10）： 85-88.

[20]李占锋.山区高填路堤沉降特征研究[J].公路工程，2019，44（2）：169-172，216.

LI Z F. Study on settlement characteristics of high fill embankment in mountain area[J]. Highway Engineering， 2019， 44（2）： 169-172， 216.