高填方路基施工质量控制与评价研究

潘家栋

（四川鼎能路桥工程有限公司，四川 宜宾 644000）

0 引言

我国部分地区处于高寒低温地带，寒冷的气候给公路的施工质量和过程控制带来很大的影响。加强对高寒低温地带高填方路基施工质量的控制，成为业内重点研究的问题。为提高高填方路基的施工质量，李盛等[1]基于弹塑性力学理论和振动压实原理，对填石路基振动压实工况进行数值模拟，并提出了压实工艺的优化方法，从而大大提高了路基压实的效果；武魁[2]针对路基裂缝、沉降量过大和压实度不足等质量通病问题，从施工方法、材料选择、施工工艺等方面提出了防治措施；冷志强[3]针对水泥混凝土路面裂缝、平整度等问题，分析造成这些问题的主要因素，并且制定了有效的质量保护措施。以上研究主要通过定性的方式展开，缺乏对施工质量控制的定量评价。因此，围绕该问题，本研究尝试提出一种定量的高填方路基的施工质量评价方法，并针对评价结果，介绍了相应的施工质量控制方法。

1 高填方路基施工质量评价指标体系构建

在路基施工质量控制的研究中，武魁[2]以及关军军[4]的研究中将路基施工出现的主要病害问题进行了总结，包括纵向裂缝、沉陷、边坡滑塌以及冻胀隆起4种，同时还对造成这些病害问题的因素进行了分析。本研究在两人研究成果的基础上，建立其高寒地带高填方路基施工质量评价体系，将造成4种病害问题的原因总结为如图1中的8种因素，包括含水量、沉降率、温度、级配、孔隙率、填料强度、级配以及生态保护等。

图1 高寒地带高填方路基施工质量评价体系

2 施工质量评价流程

本研究采用灰色多层次综合评价法对高寒地带高填方路基施工质量控制进行评价。评价方法的建立包括比较判断矩阵的建立、权重系数的计算、关联系数计算与关联分析、灰色系统建模等几个方面。

2.1 比较判断矩阵的建立

判断矩阵有两大功能，一是联系功能，即建立同一系统或层次的元素之间以及不同系统或层次的元素之间的关系；二是对同一个系统或层次中的两个元素进行重要性比较[5]。研究将针对指标层构建两两判断矩阵，B=(Bij)mn判断举证形式如下：

对于指标，需要一个评估系统对其进行评估赋分，可邀请相关专家按TL.Saaty 1～9标准评分。

2.2 权重系数的计算

（1）对判断矩阵的行元素乘积进行计算：

i与j=1,2,3,...n。

（2）将判断矩阵取n次方根得到一个值再对该值进行归一化处理，最后获得指标权重Wi。

2.3 关联系数计算与关联分析

设有两个数列{Xi(t)},Xj(t) ，在t=k时，灰色关联度定义为：

其中εij(k)为灰色关联系数，其计算公式为：

其中Δij(k)表示k时刻两个数列的绝对差，即：

ρ指分辨系数，满足0<ρ<1，一般取ρ= 0.5。

通过分析并结合不同的灰色系统之间可通过灰色关联度联系起来这一特性进行灰色系统的构建[6]。

2.4 灰色系统建模

进行灰色系统建模前，应注意风险模式由风险参数组成。风险参数构成特征向量，特征向量的个数对应着风险模式个数，而多个特征向量构成一个特征矩阵：

若有P 组待检数据，同理可以组成待检数据特征矩阵：

而对于风险的识别也可以将其等同于对待检数据的模式识别[7]。在灰色识别中，关联分析为主要识别工具，如图：

图2 灰色识别原理图

待检模式向量{XT j}与风险模式向量{XR i}(i =1,2,...,k)间的关联度列表示为：

3 施工质量评价实例

3.1 层次结构图

建立如图3的层次结构图对高寒地带下高填方路基施工质量控制进行评价分析。

图3 质量控制因素层次结构模型

3.2 施工质量关键控制指标的确定

3.2.1 病害问题影响指标层的权重系数

通过专业人士的评估赋分，利用1～9矩阵标度法进行分值判定，再判断矩阵的构造，最后得到4种病害问题重要程度的权重[8-9]。

表2 准则层判断矩阵-目标层权重系数

各项质量病害发生频率大小排序为：U1>U2>U4>U3。

3.2.2 计算指标层权重系数

通过计算确定在四种病害因素下指标层的权重系数，以确定八个指标对于四种病害问题的出现所起到的作用大小。

3.2.3 病害问题对应的特征矩阵和待检模式向量

高寒地带路基施工常见的病害问题包括四种，即n= 4；而与病害问题相关的因素有8个，即m= 8。因此，可得出对应的特征矩阵TK以及重要程度值组成的待检模式向量XΠ：

3.2.4 关联度的计算

以XΠ作为母元素，Tk i为子元素。

（1）对{XΠ}作初始处理；

（2）求差序列；

（3）求两级最大差和最小值；

（4）计算关联系数；

根据公式

进行计算。

5）计算关联度

计算可得关联度如表3所示。

表3 关联度计算结果

根据表3可判断出，前文提到的8项指标中，重要程度排序中，填料强度以及生态保护排在末尾。因此得出，在研究具体的施工环境条件下，控制指标重要度排序为：孔隙率>沉降率>级配>含水量>温度>摊铺厚度>填料强度>生态保护。

由此可见，重要指标中除填料强度以及生态保护外，另外6项重要指标是影响施工质量的关键，与专业人士评估结果相同。

4 施工质量的控制要点

4.1 爆破弃渣的处理

隧道爆破会产生许多弃渣。为避免环境问题同时考虑施工成本，将部分弃渣作为路基填料，经过一定处理后，直接用作高填方路基填料[10]。

4.2 填石料原始级配的控制

整个施工过程中，影响路基压实的因素有很多，而填石料的粒径组成是其中一个重要因素。研究证明，填石路基的密实度与填料级配成正比，应利用此特性进行材料设计。

采用室内筛分试验测试材料的原始级配，通过采样、筛选、分析，最后通过计算得出样本的不均匀系数Cu以及曲率系数Cc[11]。

通过上述实验，将隧道爆破产生的弃渣作为样本，最后测得其Cu为15～20，Cc为1～3，符合规范且属于优良级配，表明爆破弃渣完全可以用作路基填充。

4.3 路基摊铺和整平控制

进行填石路基摊铺时，使用混合式摊铺[12]。而当摊铺部分存在体积较大的颗粒时，应使用混合摊铺法，能够使得摊铺过程更加平稳，进行材料加工移动时也能够更加便利，从而提高摊铺的效率，提高整体施工效率。

填石路基整平则主要依靠填料的准确分布，保证填料根据颗粒大小分布为下大上小，保证压实表面平整[13]。

4.4 填石路基铺层的压实控制

4.4.1 压实机具性能技术控制

压实铺层承受着静载荷以及动载荷，静载荷不易受到其他因素的影响，而动载荷却容易受到各类因素的影响。其中，频率以及振幅的影响尤为明显。振幅为无关变量时，压实度在频率偏大和偏小时均处于低水平，在25～50Hz时，处于最佳状态。频率保持稳定时，振幅越大，压实深度越深，压实效果越好，但振幅太高也会存在将石料过分压碎的情况，因此在压实施工时，应保持低频高幅工作模式[15]。

4.4.2 填料状态控制

材料对于压实效果的影响是最基础的，而填石料的粒径组成直接关系到压实效果，粒径组成越合理填石路基的密实度也会越高。

高寒低温地区填石路基对于含水量较敏感，含水量过大或过少都会影响压实效果，因此需控制好填石路基的含水量，使含水量保持在最佳值[14]。

由于填石路基的施工方式为分层铺筑碾压施工，因此受填料厚度影响较大，与含水量相同，同样需要将填料铺层厚度控制在最合适的范围内，根据各个国家地区的经验总结，该厚度通常控制在40~70cm内最为合适。

4.4.3 压实工序组合控制

考虑到摊铺压实工序的连续性，进行碾压工作时应对碾压速度进行控制，最合适的碾压速度应控制在3～5km/h之间，这样既保证了碾压效果又能兼顾摊铺压实工序的连续性。

影响碾压效果的其他因素也包括压实遍数以及碾压方式之间的组合。在进行压实工作时，如何确定压实遍数以及碾压方式应根据实际的压实效果来确定，当填石路基的压实度变化受到压实操作的影响很小时，便证明压实效果已经达到了较高水平。

5 结束语

本文利用层次分析法和灰色关联法构建了高寒地带高填方路基施工质量评价体系；详细介绍了施工质量的评价流程，主要为比较判断矩阵的建立、权重系数的计算、关联系数计算与关联分析以及灰色系统建模；在研究具体的施工环境条件下，控制指标重要度排序为：孔隙率>沉降率>级配>含水量>温度>摊铺厚度>填料强度>生态保护；结合实例进行了施工质量的评价；从爆破弃渣的处理、填石料原始级配的控制等四个方面介绍了施工质量控制的要点，以供相关人员参考。