再生小粒径碎石填料在湿陷性黄土路基中的应用分析

2024-05-15高瑞阳

黑龙江交通科技 2024年4期

高瑞阳

(甘肃交建项目管理有限公司,甘肃兰州 730000)

0 引言

建筑废弃物是一种可广泛应用的废弃资源。利用建筑废弃物作为路基回填材料是一种较为直接的应用方法,可以有效地减少砂砾等自然资源的消耗。因此,有必要积极探索各种方法,促进建筑废弃物在路基工程中的应用。建筑废弃物集料具有广泛的应用范围,并已被应用于路基回填工程。目前常用的路基回填材料主要有碎石、砂土等。同时包括土壤混合的煤渣和与土壤混合的建筑废弃物。然而,很少有研究侧重于建筑废弃物中的再生小粒径碎石填料的应用。

采用再生小粒径碎石填料在黄土路基上进行回填,不仅可以减轻对环境的影响,而且可以解决公路建设中的原材料紧缺问题,具有重大的经济与环保效益。但现有研究多侧重于再生小粒径碎石填料基础的物理-力学性质,未对路基施工变形进行探讨。在黄土路基中,除蠕变之外,外部环境也极有可能对其长期变形造成显著的影响,尤其是水分的浸润会导致其表面的润滑性和软化。因此,开展相关研究对再生小粒径碎石填料的再生利用具有重要意义。为此,拟通过对再生小粒径碎石填料黄土路基进行长时间室内变形观测,揭示再生小粒径碎石填料的长期变形特性及作用机制,为工程应用奠定理论基础。

1 工程背景

青岛至银川高速公路K555+070～K55+710 段位于河北省宁晋县境内。研究区位于冀中平原中南部,是太行山东麓的冲积平原。地势低平,自西北向东南略有倾斜,自然坡度为1/4 000。全区最高海拔36.5 m,最低海拔24.4 m。年平均降水量为449.1 mm,降水量的季节差异和年际差异较大。该地区有11条季节性河流,河流总长170.32 km,河网密度0.16 km/km2,年径流总量31.54亿m3。

对K555+070～K557+710段进行的现场钻探和室内土工试验表明,该路段的土层主要由淤泥、淤泥质黏土和黏土组成,局部夹有一层中细砂。研究路段自上而下的土层如下:(1)沥青面层 0.7 m;(2)人工填料: 3.2～4.5 m;(3)淤泥:2.7～4.1 m;(4)黄土:2.6～3.2 m;(5)淤泥砂:4.9～6.0 m;(6)淤泥: 3.4～4.0 m。

青岛至银川高速公路 K555+070～K557+710 段自2019年6月起出现明显的路基不均匀沉降,裂缝宽度为0.5～15 mm。从裂缝出现到路基沉降处理,裂缝不断扩大,裂缝处产生次生裂缝,雨季尤为明显。道路养护工区曾对该裂缝路面进行补缝处理,但处理效果不明显。因此,为控制路基不均匀沉降的发展,计划对该路段进行再生小粒径碎石填料加固处理。

2 试验材料与方法

2.1 材料

本研究所采用的再生小粒径碎石填料为工程废弃料,其成分见表1。其中,废石料约为35%,再生混凝土约为40%,再生砂浆约为15%,其他部分约为10%。其他成分以土壤及无法分开的石块碎屑为主。

表1 小粒径碎石填料成分单位:%

2.2 试验方法

按照《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)[3],将回收的再生小粒径碎石填料按照三层进行压实。在压制时,试筒的内径为15.2 cm。在此基础上,对不同含水量的土样进行击实试验,得出了不同含水量下的最佳含水量及最大干密度。试验结果表明,该方法的最佳含水量和最大干密度分别为12.5%和1.93 g/cm3。

2.3 蠕变试验方法

试件的蠕变试验步骤为:先将试件置于钢制套管中,然后在套管中加入适量的水,使其浸没。48 h后,试件被视为达到了饱和状态,接上测微计,记录试件的变形情况。最后,称量所需要的负载,并将负载一次作用于负载平台。

在加载过程中,在5 d的时间里,每日3次进行记录。为使试样处于湿润条件,必须在套管中周期性地加入水分。

3 结果与讨论

3.1 蠕变试验

研制了一种可使试件在水环境中长期浸水的固结蠕变试验装置。本装置包括加载平台、防倾装置、承载板、钢制外壳、表盘、底座。为了便于试验,直接用重锤加载,所用设备全部由钢板制成,以达到试验载荷的要求[4]。

在试验的基础上,对黄土路基进行压实试验。对再生小粒径碎石填料黄土路基进行5种加载试验,计算出路面加载的第一级荷载为38.59 kPa,其他各等级的荷载采用再生小粒径碎石填料的重量进行计算,详见表2。

表2 施加荷载

为进一步研究再生小粒径碎石填料的长期变形机制,开展了室内长期蠕变试验。再将试件卸荷,得出表3中所示的加载-卸载数据。在饱水状态下,蠕变以稳态蠕变为主,随着时间的推移,蠕变变形趋于平稳。在加载过程中,试件发生了显著的瞬态变形。当载荷增大时,再生小粒径碎石填料的破碎与充填度增大,瞬间变形量增大。从表中可以看出,在各种载荷的情况下,应变的比例分别为92.69%、88.65%、86.20%、83.25%、82.56%,且均>80%。在工程实施过程中,必须对其进行压实检验,以减小其沉降。

表3 蠕变变形条件下的应变变化

再生小粒径碎石填料在黄土路基下的蠕变变形可分为慢速蠕变期和稳态蠕变,这两个过程所需的时间都比较长。在初始阶段,随着再生小粒径碎石填料内部结构的改变,材料内部的结构发生了变化,同时再生小粒径碎石内部的结构也发生了变化。再生细颗粒级配碎石作为一种粗集料,参考堆石蠕变稳定准则进行设计。当小粒径碎石填料在1 h内的形变小于0.000 1 mm时,其蠕变率才能保持稳定。其蠕变稳定期为40、42、180、200 h左右,且随载荷增大,其蠕变变形增大,进入蠕变稳定期的时间延长。

3.2 现场沉降分析

由于混合料中含有再生小粒径碎石填料,传统施工工艺可能会导致碾压强度不足、再生小粒径碎石填料含水量过高等问题,造成路基不稳定、使用寿命降低等问题,因此应避免在雨季施工。如果在雨季施工,应做好路基的防排水措施。在摊铺过程中,网格尺寸为8 m×8 m,虚铺系数控制在1.18,虚铺厚度为350 mm,碾压方式为振动碾压。

现场实测结果不但有利于对黄土路基沉降进行更深层次的分析与预测,也对再生小粒径碎石填料黄土路基的工程实践具有一定的指导意义。在黄土路基的上下两面布置了位移传感器,并对其进行沉降观测。在此基础上,分别对黄土路基顶部及基础沉降进行观测,从而得出黄土路基层的沉降。共设计6个监测点,分别对不同路基位置进行长时间的变形观测。

实测成果见图1,在整个监测过程中,黄土路基各区域的沉降均存在差异,但变化趋势基本一致。其中,左、右两个方向的沉降最大,分别为38.2 mm和32.21 mm,最大沉降差达5.99 mm。且对于34.5 m宽的路基,路基的沉陷是比较平均的。

图1 沉降测量结果

从图1可以看出,各监测点的沉降量分别为2.55、3.05、3.07、3.01、2.64 mm。各监测点在2019年12月后沉降量为34.07、34.15、33.37、33.35、29.57 mm,占总沉降量的93.04%、92.02%、91.58%、91.72%、91.80%。由此可见,公路运营状况对黄土地基的沉降具有较大的影响。初始阶段,沉降速率稍有增大。随着高速公路投入运营,黄土地基的沉降问题日益突出。一方面,高速行驶的汽车会对再生小粒径碎石填料造成挤压碰撞。在重复荷载下,再生小粒径碎石填料之间会发生摩擦,并产生不可逆塑性变形。另外,在冻融循环、干湿循环等因素作用下,黄土路基的温湿特性也会受到不同程度的影响。在冬季,由于地表沉降量大,夜晚气温低,导致路基发生冻融损伤。