李宏超，李煒光，田耀剛

級(jí)配不均勻天然砂礫的壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)

李宏超1，李煒光2，田耀剛3

(1.陜西高速機(jī)械化工程有限公司，陜西西安 710038;2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064;3.長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710064)

鑒于天然砂礫的壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)是路基填筑質(zhì)量的重要影響因素之一，采用一種改進(jìn)的方法確定砂礫的最大干密度及最大干密度與最佳含水率和顆粒組成之間的關(guān)系，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量控制對(duì)此方法的可靠性進(jìn)行分析。結(jié)果表明:級(jí)配不均勻砂礫路基的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的確定方法和控制標(biāo)準(zhǔn)是可行的，滿(mǎn)足道路路基承載能力要求;最大干密度隨著含石量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

天然砂礫;最大干密度;壓實(shí)控制;承載能力

0 引言

路基填筑材料的特性和施工工藝直接影響路基的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和剛度，從而對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生較大影響，因此重視路基填料的材料質(zhì)量和施工工藝很有必要。天然砂礫是一種特殊的筑路材料，因其儲(chǔ)量豐富且具有易密實(shí)、強(qiáng)度高等工程特性，被廣泛用于公路工程建設(shè)，一般作為軟基處理、臺(tái)背回填等特殊路基處治材料［1-4］。

然而，源于同一料場(chǎng)的天然砂礫的級(jí)配并不均勻，最大粒徑和含水率等參數(shù)也存在很大差異，施工現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量控制難度很大，特別是壓實(shí)質(zhì)量更加難以保證。在施工現(xiàn)場(chǎng)，采用現(xiàn)有的壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)和方法進(jìn)行天然砂礫的壓實(shí)質(zhì)量控制，不僅會(huì)造成碾壓壓實(shí)度不足，成型的路基承載能力達(dá)不到要求，而且在道路通行一段時(shí)間后，路基會(huì)出現(xiàn)裂縫、沉陷等病害，嚴(yán)重影響道路的整體穩(wěn)定性和路面通行功能。

基于此，本文以某高速公路路基砂礫填筑為例，在室內(nèi)采用一種新方法測(cè)算天然砂礫的最大干密度，并通過(guò)承載比試驗(yàn)驗(yàn)證以此方法確定的最大干密度作為現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的可行性;同時(shí)，將此壓實(shí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)控制，檢驗(yàn)其應(yīng)用效果和科學(xué)性。

1 天然砂礫最大干密度

1．1 最大干密度現(xiàn)有測(cè)試方法

為保證砂礫路基的壓實(shí)質(zhì)量，最大干密度的確定至關(guān)重要。砂礫屬于粗粒土，確定最大干密度的方法較多，但無(wú)論采用哪種方法，都須考慮實(shí)用原則。最大干密度定的過(guò)大，現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)很難達(dá)到，也浪費(fèi)資源;定的過(guò)小，易出現(xiàn)超百現(xiàn)象，不利于保證質(zhì)量，甚至埋下路基質(zhì)量隱患［5-7］。合理的最大干密度不僅能使路基承載能力滿(mǎn)足要求，而且保證壓實(shí)后密度均勻，不產(chǎn)生沉降，也便于碾壓和節(jié)省施工成本。匯總規(guī)范中砂礫的最大干密度試驗(yàn)方法，如表1所示。

另外，還有一些因素會(huì)影響砂礫最大干密度測(cè)試結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。第一，室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)用土往往不具代表性;同時(shí)，由于填料的多變性，規(guī)范規(guī)定在路基填料有變化時(shí)應(yīng)重新取樣做擊實(shí)試驗(yàn)，但往往容易被忽視。其二，由于各粒徑含量的改變致使填料的顆粒級(jí)配改變，隨之引起填料類(lèi)型改變，最后導(dǎo)致填料的最大干密度也發(fā)生變化，可見(jiàn)各粒徑含量與最大干密度有著密切的關(guān)系。因此，表1中的4種方法均不能準(zhǔn)確地確定天然砂礫的最大干密度，不適于施工現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度控制，對(duì)于不能自由排水的黏性砂礫，上述方法也不適用。

表1 各種最大干密度確定方法對(duì)比

1．2 改進(jìn)方法的提出

為了找到一種測(cè)算天然砂礫最大干密度的有效方法，筆者參考了大量專(zhuān)著、論文和工程資料，總結(jié)出改進(jìn)方法的提出依據(jù)。

(1)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的衡量指標(biāo)?！豆吠凉ぴ囼?yàn)規(guī)程釋義手冊(cè)》中談到:若粗粒土中細(xì)顆粒(＜0.075 mm)含量超過(guò)土總重約15%時(shí)，則含水率對(duì)土就會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，用適當(dāng)尺寸的壓實(shí)儀器進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)，就可以找出最大干密度及最佳含水率。對(duì)這類(lèi)土的密實(shí)標(biāo)準(zhǔn)就不宜用相對(duì)密度來(lái)表示，而應(yīng)用最大干密度及最佳含水率來(lái)表示［8-11］。

(2)最大干密度與最佳含水率的關(guān)系。含有黏粒的砂礫，干密度與含水率之間呈三次拋物線(xiàn)的變化規(guī)律，即干密度隨著含水率的增大先增大，當(dāng)含水率增至某值時(shí)，干密度達(dá)到最大值，再進(jìn)一步增大含水率，干密度反而減小。

(3)顆粒組成與最大干密度的關(guān)系。砂礫屬于土的范疇。國(guó)內(nèi)習(xí)慣用粒徑5 mm作為顆粒狀材料的分界粒徑。由此引入含石量概念，即粒徑為5～40 mm的顆粒在砂礫中的含量。當(dāng)含石量增大時(shí)，土的最大干密度變大而最佳含水率變小，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因主要是石的加入可以改善土的級(jí)配。如果含石量增加過(guò)大(＞70%)，則土中細(xì)顆粒含量就不足以填充粗顆粒之間的空隙，密度會(huì)下降。由試驗(yàn)結(jié)果可知，無(wú)論何種級(jí)配的砂礫，最大干密度都隨含石量的增加而先增大后減小，最佳含水率隨含石量的增加而減小［12-16］。

研究分析可知，當(dāng)含石量在30% ～70%時(shí)，含石量與最大干密度的關(guān)系曲線(xiàn)接近直線(xiàn)。也就是說(shuō)，最大干密度隨著含石量的增加近似呈線(xiàn)性增加。級(jí)配不均勻砂礫的關(guān)鍵篩孔含量并不一致，粒徑分布范圍很廣，其超尺寸顆粒含量、最大粒徑對(duì)砂礫工程性質(zhì)也有很大影響，因此顆粒組成是影響砂礫擊實(shí)特性的主要因素。

(4)超尺寸顆粒的修正。超尺寸顆粒含量是指砂礫中40～60 mm的顆粒含量。

采用最大干密度修正公式進(jìn)行修正，其基本原理是以相同質(zhì)量超尺寸顆粒實(shí)體體積取代非超尺寸顆粒取最大干密度時(shí)的體積。采用該方法進(jìn)行最大干密度修正時(shí)，有一條基本假設(shè)是，認(rèn)為超尺寸顆粒與周?chē)浅叽珙w粒之間形成的間隙大小與超尺寸實(shí)體體積相比可忽略不計(jì)。事實(shí)上，當(dāng)超尺寸顆粒與非超尺寸顆粒相差較大時(shí)，超尺寸與周?chē)浅叽珙w粒之間形成的間隙大小可忽略不計(jì)。在極端情況下，若把水看作是非超尺寸顆粒，往水中加入一定的土顆粒作為超尺寸顆粒，采用該方法進(jìn)行修正就是完全正確的。由上述分析可以看出，天然砂礫中含有超尺寸顆粒和大量細(xì)料時(shí)，屬于超尺寸與非超尺寸顆粒體積相差較大的情況，采用修正公式進(jìn)行最大干密度修正是合理的。超尺寸與非超尺寸顆粒間隙的平面分析模型如圖1 所示［17-18］。

圖1 超尺寸與非超尺寸顆粒間隙的平面分析模型

綜上所述，本文提出一種特別適用于黏性砂礫的最大干密度計(jì)算方法，即通過(guò)建立含石量、超尺寸顆粒含量與最大干密度的關(guān)系，對(duì)天然砂礫的最大干密度進(jìn)行綜合確定。

1．3 最大干密度的確定

選取某高速公路的砂礫路基進(jìn)行試驗(yàn)段填筑。該高速地處西北，常年降水很少，多大風(fēng);蒸發(fā)量大;雙向四車(chē)道，承載較少的重載車(chē)輛，路床填料取自山上的天然砂礫。

(1)取代表性樣品篩分，計(jì)算級(jí)配指標(biāo)Cc和Cu。當(dāng)Cc取值在1～3且Cu≥5時(shí)，稱(chēng)為級(jí)配良好礫(GW);不滿(mǎn)足以上條件時(shí)，稱(chēng)為級(jí)配不良礫(GP)［19］。經(jīng)計(jì)算，Cc=0．49，Cu=39．2，則此砂礫為級(jí)配不良礫(GP)，含石量為42．03%。此含石量上下波動(dòng)約10%，擬定料場(chǎng)砂礫的含石量范圍為30% ～50%。級(jí)配試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 砂礫顆粒級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果

(2)樣品制備。對(duì)樣品做篩分試驗(yàn)，將砂礫中大于40 mm的顆粒篩去并留樣備用，將小于40 mm的顆粒篩分為5 mm以下和5～40 mm兩檔料。準(zhǔn)備含石量分別為30%、35%、40%、45%、50%的5個(gè)樣品組，每組備料36 kg，樣品制備流程見(jiàn)圖2。

(3)擊實(shí)試驗(yàn)。每個(gè)含石量的樣品組依據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程選取6個(gè)土樣，依次按1%間隔含水率配制混合料并做擊實(shí)試驗(yàn)。擊實(shí)完成后，分別繪制5組混合料的含水率與干密度的關(guān)系曲線(xiàn)，找出各組的最大干密度和最佳含水率，如表3所示。

(4)含石量與最大干密度的關(guān)系。以各種含石量為橫坐標(biāo)，最大干密度為縱坐標(biāo)，繪制含石量與最大干密度的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖3所示?；貧w公式為y=0.003 8x+2.074，其中相關(guān)系數(shù) R=0.985，大于0.95，表明相關(guān)性很好。

圖2 樣品制備流程

(5)超尺寸顆粒處理。取預(yù)留超尺寸顆粒的留樣，依據(jù)公路集料試驗(yàn)規(guī)程做密度試驗(yàn)，計(jì)算得到砂礫中大于40 mm的顆粒毛體積相對(duì)密度為2.708，吸水率為0.55%。

表3 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖3 含石量與最大干密度關(guān)系

以上所得含石量與最大干密度關(guān)系曲線(xiàn)、超尺寸顆粒的毛體積相對(duì)密度將作為現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)的壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)［20］。

2 室內(nèi)試驗(yàn)分析

加州承載比(CBR)是路基土的強(qiáng)度指標(biāo)，測(cè)試的是土抵抗荷載作用后發(fā)生變形的能力。從某種意義上講，加州承載比試驗(yàn)更能反映材料在不利狀態(tài)(浸水)下的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。

(1)試驗(yàn)材料。采用前面描述的天然砂礫作為室內(nèi)分析材料，并對(duì)含石量為42．03%的級(jí)配不良礫(GP)做篩分分類(lèi)，獲取粒徑小于5 mm的細(xì)顆粒和5～40 mm的粗顆粒。

(2)試驗(yàn)過(guò)程及分析。首先，按照試驗(yàn)規(guī)程配制含石量分別為30%、35%、40%、45%、50%的砂礫，在擊實(shí)98次條件下做承載比試驗(yàn)，繪制曲線(xiàn)如圖4所示;其次，準(zhǔn)備含石量30%的砂礫，在擊實(shí)30次、70次、98次3種條件下成型試件，并做承載比試驗(yàn)，繪制干密度與加州承載比的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖5所示。

從圖4可以看出，砂礫中含石量越大，CBR越大;從圖5可以看出，干密度2.10 g·cm－3(96%壓實(shí)度時(shí))對(duì)應(yīng)的CBR為10.8%，大于8%，滿(mǎn)足路基設(shè)計(jì)規(guī)范中路床區(qū)填料的最低強(qiáng)度要求。既然含石量30%時(shí)砂礫的CBR符合要求，而且含石量越大，CBR越大，那么在不同的含石量、級(jí)配下，這種砂礫的強(qiáng)度都能達(dá)到要求，也說(shuō)明了用上述方法確定的最大干密度可以作為現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 含石量與CBR的關(guān)系曲線(xiàn)

圖5 含石量30%時(shí)干密度與CBR的關(guān)系曲線(xiàn)

3 現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量控制

3．1 壓實(shí)度檢測(cè)

砂礫路基試驗(yàn)段長(zhǎng)度為100 m，攤鋪松鋪厚度為40 cm。檢測(cè)時(shí)，每20 m一個(gè)斷面，每個(gè)斷面檢測(cè)左、中、右3點(diǎn)，共檢測(cè)15點(diǎn)。路床壓實(shí)度規(guī)定值為96.0%，規(guī)定極值為91.0%。將改進(jìn)方法與普通擊實(shí)法壓實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。

分析表4中的數(shù)據(jù)，采用普通重型擊實(shí)法得到的最大干密度進(jìn)行路基壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)，其中超百3點(diǎn)，此時(shí)壓實(shí)度合格與否無(wú)法評(píng)價(jià)。采用改進(jìn)方法評(píng)價(jià)，壓實(shí)度平均值為98．1%，標(biāo)準(zhǔn)差為1．23%，代表值為97．6%，代表值大于規(guī)定值，且單點(diǎn)壓實(shí)度均大于94%(規(guī)定值減2個(gè)百分點(diǎn))。同時(shí)從表4可以看出，普通重型擊實(shí)法得到的壓實(shí)度不均勻，出現(xiàn)壓實(shí)度不足、超百現(xiàn)象，而改進(jìn)后的方法不僅杜絕了超百現(xiàn)象，而且壓實(shí)度分布比較均勻。

此處要說(shuō)明的是，用改進(jìn)方法獲取的最大干密度控制施工壓實(shí)度時(shí)，利用灌砂法測(cè)砂礫路基壓實(shí)度，應(yīng)將試坑中挖出的砂礫分別過(guò)5 mm、40 mm篩并稱(chēng)重，計(jì)算實(shí)測(cè)含石量、超尺寸顆粒含量，并利用回歸公式y(tǒng)=0.003 8x+2.074計(jì)算出最大干密度，然后采用以下修正公式計(jì)算修正最大干密度，將此值作為該試坑土的控制最大干密度。

式中:ρ'dm為修正后最大干密度;ρdm為粒徑小于40 mm的砂礫最大干密度;p為粒徑大于40 mm的顆粒含量;G's為粒徑大于40 mm的毛體積相對(duì)密度;ρw為水的密度。

表4 重型擊實(shí)法與改進(jìn)的擊實(shí)方法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3．2 回彈彎沉檢測(cè)

彎沉值檢測(cè)采用5.4 m貝克曼梁法。調(diào)配東風(fēng)141運(yùn)輸車(chē)作為檢測(cè)車(chē)，其后軸軸重為100 kN，輪壓為0．7 MPa，當(dāng)量圓直徑為21．3 cm。檢測(cè)車(chē)沿S形路線(xiàn)行駛，每1 km雙車(chē)道檢測(cè)50個(gè)點(diǎn)，每20 m測(cè)1點(diǎn)。路段設(shè)計(jì)彎沉值為179．15(0．01 mm)，檢測(cè)20個(gè)點(diǎn)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

對(duì)表5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到彎沉平均值為104.35(0.01 mm)，標(biāo)準(zhǔn)差為 13.57(0.01 mm)，代表值為167.48(0.01 mm)，代表值小于設(shè)計(jì)彎沉值，評(píng)為合格。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)采用了一種改進(jìn)方法確定級(jí)配不均勻天然砂礫的最大干密度，并進(jìn)行承載比驗(yàn)證，然后在試驗(yàn)路上檢測(cè)壓實(shí)度、彎沉值，結(jié)果均符合規(guī)范要求。由此可見(jiàn)，本文提出的砂礫路基壓實(shí)質(zhì)量控制方法是可靠的，可以滿(mǎn)足路基使用性能要求。

表5 試驗(yàn)段彎沉值檢測(cè)結(jié)果

(2)砂礫的最大干密度隨含石量增大呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)含石量為30% ～70%時(shí)，最大干密度與含石量為良好的線(xiàn)性關(guān)系;CBR值隨含石量、擊實(shí)次數(shù)的增加而增大，含石量為30%時(shí)CBR值可滿(mǎn)足路基填料最低強(qiáng)度要求。

(3)天然砂礫的最大特征為顆粒組成不均勻，所以今后研究此種材料時(shí)，宜有針對(duì)性地選擇代表性砂礫，對(duì)具備相似特性的砂礫的基本特性進(jìn)行系統(tǒng)分析。

［1］ 馮忠居，張永清．粗粒土路基的壓實(shí)試驗(yàn)［J］．長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，24(3):9-12．

［2］ 陳宏偉．粗粒土壓實(shí)試驗(yàn)研究［D］．西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2004．

［3］ 周志軍．土石混填路基壓實(shí)質(zhì)量控制方法研究［D］．西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2006．

［4］ 梅迎軍．天然砂礫石基層承載能力研究［D］．重慶:重慶交通大學(xué)，2003．

［5］ 郭志明．關(guān)于最大干密度快速測(cè)定試驗(yàn)的探討［J］．西部探礦工程，2005，17(5):17-18．

［6］ 劉 宏，韓文喜，張倬元．砂礫石土料的壓實(shí)特性［J］．三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，22(4):297-299．

［7］ 田樹(shù)玉，史彥文．大粒徑砂卵石最大密度與最優(yōu)礫石含量的相關(guān)特性［J］．水資源與水工程學(xué)報(bào)，1992，3(4):49-55．

［8］ 吳躍東，王維春，劉 堅(jiān)，等．砂礫卵石土高速公路路基填筑試驗(yàn)研究［J］．巖土力學(xué)，2012(s1):211-216．

［9］ 傅長(zhǎng)鋒．筑壩砂礫卵石混合料壓實(shí)控制參數(shù)的試驗(yàn)研究［J］．水科學(xué)與工程技術(shù)，2004(1):41-43．

［10］ 郭小龍．天然砂礫路基壓實(shí)質(zhì)量控制與快速檢測(cè)技術(shù)研究［D］．西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2014．

［11］ 王 帥，王 濤，李 歡．天然砂礫路基壓實(shí)質(zhì)量控制方法探析［J］．公路與汽運(yùn)，2014(3):116-119．

［12］ 尹麗麗．淺談天然砂礫石路基施工質(zhì)量控制［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2014，31(8):62-65．

［13］ 田茂杰，張碧琴，莊傳儀．天然砂礫基層材料性能與施工質(zhì)量控制［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2008，25(11):39-41．

［14］ 馬湘云．天然砂礫底基層施工質(zhì)量控制要點(diǎn)［J］．交通運(yùn)輸研究，2013(12):11-12．

［15］ 張宜洛，鄭南翔，顧炳其．中粗粒土路基壓實(shí)度快速測(cè)定方法［J］．中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2006，19(5):29-33．

［16］ 沙愛(ài)民，王玲娟，耿 超．大粒徑碎石瀝青混合料振動(dòng)壓實(shí)方法［J］．長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，28(2):1-4．

［17］ 馮忠居，張永清．粗粒土路基的壓實(shí)試驗(yàn)［J］．長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，24(3):9-12．

［18］ 溫 帥，軒 杰．天然砂礫路基壓實(shí)度的檢測(cè)方法［J］．科學(xué)之友，2007(18):30-32．

［19］ 劉俊堯，郝紅衛(wèi)．天然砂礫石填筑路基的檢測(cè)與施工技術(shù)［J］．公路交通技術(shù)，2004(1):13-15．

［20］ 王少杰．高速公路填砂路基壓實(shí)施工技術(shù)的應(yīng)用［J］．交通世界:工程技術(shù)，2014(7):60-62．

Research on Control Standards for Compaction of Unevenly Graded Natural Gravel

LI Hong-chao1，LI Wei-guang2，TIAN Yao-gang3
(1．Shaanxi Expressway Mechanical Engineering Co．，Ltd．，Xi'an 710038，Shaanxi，China;2．School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China;3．School of Materials Science and Engineering，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China)

Considering the control standard for compaction of natural gravel is one of the important factors affecting the quality of subgrade filling，an improved method was used to determine the maximum dry density of gravel，the relationship between the maximum dry density and the optimum moisture content，the relationship between the particle composition and the maximum dry density，and the reliability of this method was analyzed by indoor test and quality control of field compaction．The results show that it is feasible to determine the standards for compaction of subgrade filled with unevenly graded gravel that meet the requirements of subgrade capacity;the maximum dry density increases first and then decreases with the increase of stone content．

natural gravel;maximum dry density;compaction control;capacity

U416．1

B

1000-033X(2017)10-0123-06

2017-03-13

西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(ZDXM20120069)

李宏超(1981-)，男，陜西藍(lán)田人，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要從事道路橋梁的材料及應(yīng)用研究。

［責(zé)任編輯:高 甜］