吳躍東，王維春，劉 堅(jiān)，季 凱

（1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2. 河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098）

1 引 言

公路路基填筑施工的質(zhì)量保證和成本控制，需考慮眾多因素，從填筑材料的選擇，填筑材料的處治，碾壓機(jī)械的選擇，碾壓施工時(shí)的碾壓工藝、基底處理、攤鋪層厚、填料的含水率等施工參數(shù)的控制，到壓實(shí)效果的檢測(cè)方法、控制指標(biāo)的采用及選擇進(jìn)行全面的分析，才能得到可行的方案。砂礫卵石土作為路基填筑材料，填筑的路基具有抗剪強(qiáng)度高、透水性強(qiáng)、整體剛度大等工程特性，是一種比較優(yōu)良的路基填筑材料，主要由黏土顆粒、粉粒、砂、礫和表面光滑圓潤(rùn)的卵石組成，見圖1。按照現(xiàn)行土的分類標(biāo)準(zhǔn)，砂礫卵石土混合料屬于典型的粗粒土，但目前有關(guān)路基規(guī)范對(duì)砂礫卵石土路基施工缺乏技術(shù)指導(dǎo)，同時(shí)缺乏可行的砂礫卵石土路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方法和控制標(biāo)準(zhǔn)，使得目前砂礫卵石土僅用于低等級(jí)公路路基中，造成大量資源浪費(fèi)?？傮w上看，砂礫卵石土填筑路基的研究尚處于探討階段，特別是高等級(jí)公路砂礫卵石土路基的施工，不僅沒有系統(tǒng)、可靠的技術(shù)規(guī)范可依，也沒有十分成熟的經(jīng)驗(yàn)供參考。本次通過大量室內(nèi)試驗(yàn)和幾種現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)手段，確定能使砂礫卵石土路基達(dá)到最佳壓實(shí)效果的施工工藝，以及簡(jiǎn)便可靠的質(zhì)量檢測(cè)方法和控制標(biāo)準(zhǔn)[1－5]。

圖1 砂礫卵石土混合料Fig.1 Sand-gravel-cobble mixture

2 試驗(yàn)工程概況

長(zhǎng)春至深圳國(guó)家高速公路南京繞越公路東北段是南京市公路、水路交通“十一五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一。該項(xiàng)目起點(diǎn)與南京長(zhǎng)江第四大橋北接線相接，終止于沈海高速公路，與南京繞越高速公路東南段、南京長(zhǎng)江四橋及其接線共同構(gòu)筑長(zhǎng)春至深圳國(guó)家高速公路南京繞越段。該段高速公路沿線分布有大量的砂礫卵石土，若能恰當(dāng)?shù)膶⑸暗[卵石土運(yùn)用于此工程作為路基填料，做到就地取材，對(duì)于節(jié)約項(xiàng)目投資，減少占用當(dāng)?shù)馗兀Ｗo(hù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本次試驗(yàn)以該工程 RY-DB3和 RY-DB4施工標(biāo)段為試驗(yàn)段，每個(gè)試驗(yàn)段取100 m，砂礫卵石土攤鋪厚度采取松鋪厚度為40 cm和30 cm兩種方案進(jìn)行試驗(yàn)段施工。試驗(yàn)段路基的平均寬度為52.8 m，松鋪厚度左幅40 cm，右幅30 cm。砂礫卵石土填筑平均寬度為47.8 m，左幅寬19.9 m，右幅寬27.9 m，包邊土寬度為2.5 m，共計(jì)需要砂礫卵石土1959.6 m3，包邊土210 m3。

3 室內(nèi)基本性質(zhì)試驗(yàn)

3.1 顆粒分析試驗(yàn)

砂礫卵石土為粗顆粒填料，與細(xì)顆粒土不同，級(jí)配達(dá)到一定要求后才能達(dá)到較好的填筑效果，選取5個(gè)不同位置的土樣進(jìn)行顆粒分析，顆粒級(jí)配曲線如圖2所示，從級(jí)配曲線可以看出，如以5 mm粒徑作為粗細(xì)顆粒的分界點(diǎn)[6]，不同位置處填料的粗顆粒含量不同，砂礫卵石土填料的粗顆粒含量從試樣1的45.9%到試樣5的71.4%不等，除試樣1外，其他4個(gè)試樣粗顆粒含量均在50%以上，粗顆粒含量跨度較大，達(dá)到 35.5%，說明砂礫卵石土填料的顆粒離散性。分析砂礫卵石土級(jí)配曲線，根據(jù)求得的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc可以看出，除試樣3曲率系數(shù)為3.66，稍大于3以外，其他試樣的曲率系數(shù)在1～3之間，不均勻系數(shù)均大于10，說明砂礫卵石土填料級(jí)配良好。從級(jí)配曲線中還可以看出，級(jí)配曲線較平緩，初步判斷可以得到較好的壓實(shí)。同時(shí)，砂礫卵石土的最大粒徑達(dá)到60 mm以上，最小粒徑小于0.075 mm，粒徑跨度極大，雖然從篩分曲線中得出級(jí)配良好，由于粗細(xì)顆粒懸殊，極易造成粗細(xì)顆粒離析，因此現(xiàn)場(chǎng)需加強(qiáng)填料監(jiān)測(cè)，確保填料級(jí)配符合要求。

圖2 顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Grain composition curves

3.2 最大干密度試驗(yàn)

由篩分試驗(yàn)得到砂礫卵石土的顆粒級(jí)配，依據(jù)已有研究成果[7]，砂礫卵石土的最大干密度必須考慮粗顆粒與細(xì)顆粒的含量之比，為了更好地評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)填料的現(xiàn)狀，室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的粗顆粒含量分別為20%、40%、60%、70%、80%，采用重型擊實(shí)試驗(yàn)方法，剔除填料中最大粒徑大于40 mm部分，根據(jù)公路土工試驗(yàn)規(guī)程[8]中的換算公式得到原級(jí)配的最大干密度，試驗(yàn)結(jié)果見圖3和圖4，砂礫卵石土的最大干密度隨著粗顆粒含量的增加出現(xiàn)先增大后減少的現(xiàn)象，粗顆粒含量在70%以前，填料的最大干密度隨著粗顆粒含量的增加而增大，但粗顆粒含量在60%以前，砂礫卵石土的干密度增長(zhǎng)比較緩慢；當(dāng)粗顆粒含量在60%～70%之間時(shí)，砂礫卵石土隨著粗顆粒含量的增多密度迅速增大。分析認(rèn)為，此時(shí)粗細(xì)顆粒相互填充、膠結(jié)，相應(yīng)的密度增大，粗顆粒含量繼續(xù)增加，大顆粒之間形成明顯的骨架沒有足夠的細(xì)粒料填充空隙，出現(xiàn)明顯的空隙，從而導(dǎo)致密度下降，孔隙率增大。砂礫卵石土的最優(yōu)含水率隨著粗顆粒含量的增大而減小，粗顆粒含量小于40%時(shí)，最優(yōu)含水率減小比較緩慢；含量為40%～60%時(shí)減小較快；當(dāng)粗顆粒含量大于60%后最優(yōu)含水率又趨于平緩。分析認(rèn)為，隨著粗顆粒含量增加，試樣總的比表面積較少，擊實(shí)過程中，水起到潤(rùn)滑作用，顆粒比表面積減少，需要的水相應(yīng)減少。

圖3 最大干密度與粗顆粒含量關(guān)系Fig.3 The relation between maximum dry density and coarse particle content

圖4 最優(yōu)含水率與粗顆粒含量關(guān)系Fig.4 The relation between best water content and coarse particle content

3.3 承載比試驗(yàn)

加州承載比試驗(yàn)是由美國(guó)加利福尼亞州公路局首先提出來的，通常簡(jiǎn)稱CBR(california bearing ratio)試驗(yàn)，是一種評(píng)定材料承載能力的試驗(yàn)方法[9]。國(guó)外多采用CBR值作為路面材料和路基土的設(shè)計(jì)參數(shù)，我國(guó)路基設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì) CBR值也有具體的規(guī)定。運(yùn)用章節(jié)3.2中的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)砂礫卵石土填料在粗顆粒含量分別為 20%，40%，60%，80%下進(jìn)行承載比試驗(yàn)。當(dāng)粗顆粒含量為60%時(shí)考慮了不同擊實(shí)次數(shù)成型下的CBR值，試驗(yàn)結(jié)果如圖5、6所示。從曲線可以看出，在擊實(shí)次數(shù)保持不變，即擊實(shí)98次時(shí)壓實(shí)度達(dá)到100%且泡水4 d時(shí)，CBR值隨著粗顆粒含量的增加而增加；粗顆粒為20%時(shí)，試樣的CBR值較小，與普通細(xì)顆粒土相當(dāng)；當(dāng)粗顆粒含量達(dá)到 40%時(shí)，試樣的 CBR值較試樣A增加1倍左右，達(dá)到17.24%；粗顆粒含量繼續(xù)增加到 60%，試樣的 CBR值出現(xiàn)快速增加的趨勢(shì)，增加幅度明顯加快，達(dá)到61.95%；隨著粗顆粒含量的繼續(xù)增加，CBR值繼續(xù)增加，但變化緩慢，當(dāng)粗顆粒含量達(dá)到 80%時(shí)，CBR值達(dá)到63.91%。從路基填筑要求考慮，上述粗顆粒含量均能滿足要求。從 CBR隨擊實(shí)次數(shù)關(guān)系曲線可以看出，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，砂礫卵石土的CBR值增加，經(jīng)過計(jì)算，擊實(shí)30次后砂礫卵石土的壓實(shí)度達(dá)到95%，擊實(shí)50次壓實(shí)度達(dá)到97%。由此可見，當(dāng)粗顆粒含量為 60%時(shí)，路基在上述壓實(shí)度情況下，CBR值均能滿足要求。

圖5 CBR值與粗顆粒含量關(guān)系Fig.5 The relation between CBR value and coarse particle content

圖6 CBR值與擊實(shí)次數(shù)關(guān)系Fig.6 The relation between CBR value and compaction times

4 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)

碾壓之前，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)砂礫卵石土進(jìn)行篩選，填料最大粒徑控制在松鋪厚度的 2/3，對(duì)粒徑大于100 mm部分進(jìn)行剔除。同時(shí)，取樣做天然含水率實(shí)驗(yàn)，砂礫卵石土在含水率為5.5%時(shí)進(jìn)行碾壓，由于砂礫卵石土為無黏性粗顆粒土，粗顆粒含量達(dá)到一定值后，粗顆粒之間形成點(diǎn)-點(diǎn)接觸，細(xì)顆粒填充在粗顆粒形成的骨架之中，若只采用靜力壓實(shí)，只能增加路基中的應(yīng)力，粗顆粒之間相對(duì)位置變化不大，達(dá)不到減小顆粒間阻力的作用。而振動(dòng)壓實(shí)對(duì)于砂礫卵石土路基兼有增加應(yīng)力與減少阻力的雙重優(yōu)勢(shì)，砂礫卵石土在振動(dòng)荷載作用下，粗顆粒經(jīng)平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到更加穩(wěn)定的位置，減少了粗顆粒之間形成的空隙，已有研究成果表明，碾壓噸位越大，碾壓速度越慢，振幅越大，壓實(shí)效果越好。當(dāng)振動(dòng)頻率接近填料的固有頻率時(shí)，更容易壓實(shí)，一般粗粒土的固有頻率為30～50 Hz。經(jīng)過對(duì)比分析，碾壓時(shí)采用振動(dòng)壓路機(jī)，工作質(zhì)量為22000 kg，壓路機(jī)的額定功率為128 kW，振幅在2.1 mm檔，頻率使用32 Hz檔。先穩(wěn)壓1遍，再振動(dòng)碾壓4遍，碾壓時(shí)往返為1遍，壓路機(jī)碾壓速度為1.5～1.8 km/h。

本次砂礫卵石土路基填筑試驗(yàn)主要依靠路基壓實(shí)沉降量來檢測(cè)，施工成型后，采用二等水準(zhǔn)測(cè)量每層填筑前和碾壓后的高程，以此確定每層的填筑高度、各碾壓遍數(shù)和碾壓沉降量。在進(jìn)行壓實(shí)沉降的同時(shí)，進(jìn)行了壓實(shí)度、CBR、彎沉、回彈模量檢測(cè)，比較各種檢測(cè)指標(biāo)的相關(guān)性[10－11]，并驗(yàn)證采用沉降量控制的可行性，提出沉降量的控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.1 沉降差檢測(cè)法

沉降差檢測(cè)方法是指在路基壓實(shí)穩(wěn)定之后，測(cè)定壓實(shí)層表面的測(cè)點(diǎn)在用標(biāo)準(zhǔn)噸位的壓路機(jī)械碾壓前后的高度差，以此來評(píng)定路基壓實(shí)質(zhì)量的方法。這種方法認(rèn)為，一定荷載作用下壓實(shí)層頂面的沉降量穩(wěn)定或小于某一范圍時(shí)即說明路基壓實(shí)到了密實(shí)狀態(tài)。大量路基現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)踐已經(jīng)證明，沉降差檢測(cè)的結(jié)果具有很好的規(guī)律性，本次試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如圖7、8所示。由圖可以看出，沉降量隨著碾壓遍數(shù)的增加而減少，不同測(cè)點(diǎn)在前3遍碾壓時(shí)沉降差相差較大，松鋪厚度為40 cm時(shí)碾壓的沉降量比松鋪厚度30 cm的沉降量大，碾壓5遍后的總沉降量也較松鋪厚度30 cm的大，說明松鋪厚度30 cm比40 cm碾壓效果好，砂礫卵石土混合料在碾壓2遍后沉降量仍然較大，且各點(diǎn)沉降不穩(wěn)定，需要繼續(xù)碾壓，碾壓 3遍后的沉降量較碾壓 2遍沉降量穩(wěn)定，碾壓 4遍后多數(shù)點(diǎn)的沉降量穩(wěn)定在 4 mm以內(nèi)，說明此時(shí)路基已經(jīng)達(dá)到較高的壓實(shí)度，但繼續(xù)碾壓5遍后有少部分點(diǎn)的沉降差為負(fù)值，說明路基出現(xiàn)了回彈，初步判斷碾壓遍數(shù)4遍為宜。

圖7 松鋪厚度30 cm時(shí)沉降差Fig.7 Settlement discrepancy at loose laying depth of 30 cm

圖8 松鋪厚度40 cm時(shí)沉降差Fig.8 Settlement discrepancy at loose laying depth of 40 cm

4.2 壓實(shí)度、CBR、彎沉檢測(cè)

為了驗(yàn)證章節(jié)4.1提出沉降差檢測(cè)的可行性，對(duì)兩種松鋪厚度下的砂礫卵石土在碾壓4遍后，進(jìn)行了砂礫卵石土的壓實(shí)度、CBR、彎沉值、回彈模量檢測(cè)，采用灌砂法檢測(cè)試驗(yàn)段的壓實(shí)度，采用動(dòng)力圓錐貫入儀（DCP）進(jìn)行加州承載比（CBR）檢測(cè)，運(yùn)用手持式落錘彎沉儀（PFWD）進(jìn)行路基彎沉值和回彈模量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見圖 9、10。圖中，規(guī)定值壓實(shí)度為96%，CBR為8%，彎沉值為1.5 mm，回彈模量為40 MPa，因最大干密度非固定值，隨粗顆粒含量而變化，本次壓實(shí)度計(jì)算采用粗顆粒含量為60%時(shí)的最大干密度。從圖中還可以看出，上述兩種松鋪厚度下，壓實(shí)度與規(guī)定值的比值多數(shù)都在水平直線 y =1上方，少部分在該直線下方，即壓實(shí)度小于96%，各測(cè)點(diǎn)壓實(shí)度不同的主要原因是不同測(cè)點(diǎn)處的顆粒級(jí)配并不一樣，因此各測(cè)點(diǎn)的最大干密度不同，統(tǒng)一采用粗顆粒含量為60%時(shí)的最大干密度，必然存在一定的誤差，故采用壓實(shí)度指標(biāo)并不能很好的反映壓實(shí)效果，且灌砂檢測(cè)法費(fèi)力費(fèi)時(shí)，屬于破壞性檢測(cè)，試坑需要再壓實(shí)。使用DCP測(cè)得的CBR值全部大于規(guī)定值，說明砂礫卵石土的強(qiáng)度較高。但現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的CBR值小于室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得值，主要是兩種試驗(yàn)方法級(jí)配組成不同引起的，從曲線可以看出，CBR數(shù)據(jù)離散，沒有明顯的規(guī)律，最大值達(dá)到規(guī)定值的5.36倍，最小值為1.84倍，數(shù)據(jù)表明，DCP用于砂礫卵石土的壓實(shí)檢測(cè)有一定的參考價(jià)值。PFWD作為一種新型路基檢測(cè)設(shè)備，具有攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)[12]，從PFWD測(cè)得的數(shù)據(jù)可以看出，除松鋪厚度30 cm中的20號(hào)點(diǎn)外，碾壓4遍后的彎沉值與規(guī)定值的比值均小于 1，回彈模量與規(guī)定值的比值均大于1，說明路基碾壓4遍后后彎沉值小于規(guī)定值，回彈模量大于規(guī)定值，滿足彎沉和回彈模量的要求，由于彎沉值與回彈模量成反比關(guān)系，故圖中彎沉值與回彈模量有較好的對(duì)應(yīng)性。

圖9 30 cm松鋪厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)Fig.9 Test data at loose laying depth of 30 cm

4.3 沉降差檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值的確定與評(píng)價(jià)

前述各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)中，均表現(xiàn)出一定的數(shù)據(jù)離散型，這是砂礫卵石土作為路基填料的重要特性，是砂礫卵石土填料的不均勻性造成的。不同位置處的顆粒級(jí)配、粗顆粒含量、最大粒徑均不同，為了更好地評(píng)定砂礫卵石土路基的壓實(shí)程度，需要確定沉降差檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)值，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值比較，以判斷是否需要繼續(xù)碾壓，但現(xiàn)場(chǎng)不可能檢測(cè)每一個(gè)點(diǎn)，同時(shí)不能保證所有檢測(cè)點(diǎn)的沉降差都小于標(biāo)準(zhǔn)值。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀點(diǎn)考慮，碾壓前后的沉降差數(shù)據(jù)應(yīng)服從正態(tài)分布，對(duì)碾壓4遍后48個(gè)沉降差觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，樣本的平均值μ=3.234，樣本的標(biāo)準(zhǔn)方差 σ=0.878，單個(gè)值的單側(cè)波動(dòng)區(qū)間為μ+2σ=4.99，擬定沉降差標(biāo)準(zhǔn)值為5 mm。假設(shè)檢驗(yàn)是數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中根據(jù)一定假設(shè)條件由樣本推斷總體的一種方法[13]，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)中的σ2未知時(shí)的顯著性假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停勺骷僭O(shè)H0:μ＞μ0，H1:μ≤μ0，顯著性水平α=0.05，引進(jìn)統(tǒng)計(jì)量T：

H0的拒絕域?yàn)?T≤-tα(n-1)，其中tα(n-1)為自由度為n-1的 t分布的上側(cè)α分位點(diǎn)，由α=0.05及自由度 n-1=47查表得 tα(n-1)=t0.05(47)=1.6779，由樣本數(shù)據(jù)得=3.234，s = 0.887，T =。由于 T＜-tα(n-1)=-t0.05(47)=-1.6779，故拒絕 H0，接受 H1，即在置信度為 1-0.05= 0.95情況下，沉降差滿足要求。

上述沉降差檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值是在碾壓遍數(shù)為4遍后確定的，因此，現(xiàn)場(chǎng)大面積施工應(yīng)采用碾壓遍數(shù)與沉降差雙重控制，即首先確保碾壓達(dá)到4遍，進(jìn)而要求沉降差小于4 mm，若不滿足要求需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，從而避免了采用單一檢測(cè)方法的弊端。

5 結(jié) 論

（1）砂礫卵石土顆粒級(jí)配良好，能夠滿足路基填筑對(duì)級(jí)配的要求，但不同位置處的粗顆粒含量并不一致，填料最大粒徑大于60 mm，最小粒徑小于0.075 mm，粒徑跨度極大，粗細(xì)顆粒懸殊，易造成粗細(xì)顆粒離析，現(xiàn)場(chǎng)需加強(qiáng)填料監(jiān)測(cè)。

（2）室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)砂礫卵石土的最大干密度隨粗顆粒含量出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)粗顆粒含量為70%時(shí)，最大干密度最大，壓實(shí)效果最好；CBR值隨粗顆粒含量、擊實(shí)次數(shù)的增加而增加，粗顆粒含量為60%時(shí)CBR值較大。

（3）砂礫卵石土需運(yùn)用振動(dòng)壓實(shí)方式，沉降差檢測(cè)方法能夠較好的反映壓實(shí)質(zhì)量，具有操作簡(jiǎn)單、快速的特點(diǎn)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，確定現(xiàn)場(chǎng)碾壓4遍后沉降差標(biāo)準(zhǔn)值為 4 mm，此時(shí)砂礫卵石土路基的壓實(shí)度、CBR、彎沉、回彈模量滿足要求。

本文提出的砂礫卵石土路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方法和控制標(biāo)準(zhǔn)是可行的，可以滿足高速公路砂礫卵石土路基填筑的要求。

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