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巨粒土填筑技术在高速公路路基中的应用赵伟

发表时间：2020/6/19 来源：《基层建设》2020年第5期作者：赵伟

[导读] 摘要：在我国经济稳定发展背景下，社会各行各业都得到了稳定发展，其中交通事业作为一项基础工作也受到了高度关注，高速公路建设更是达到了全新的规模。

        北京市易成市政工程有限责任公司北京市 100176
        摘要：在我国经济稳定发展背景下，社会各行各业都得到了稳定发展，其中交通事业作为一项基础工作也受到了高度关注，高速公路建设更是达到了全新的规模。在公路建设环节中，采用巨粒土作为路基填筑材料，不仅保障工程进度，并且对于工期缩短也有着一定帮助。这项技术的开展可以在工程附近选取施工废渣，既可以实现对运输废渣成本的降低，获取较强的经济收益，同时还能降低废渣产生率，大大提升了绿色施工要求。根据我国《公路土工试验规程》（JTGE40—2007）的粒度分类法将单颗粒径大于 60mm 的土样称为巨粒土。巨粒土属于一种衰退性材料，投入道路工程应用后随着时间推移，大颗粒会因外界因素作用发生破碎现象，且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。目前已有许多学者对巨粒土的工程性质进行研究，有学者通过大型直剪仪对土石混合料的抗剪强度特性进行了研究，提出了基于Ducan 非线形模型参数的试验获取方法。还有学者模拟填石料的长期变形性能，认为填石料的长期变形性能与岩性、岩石成型密度，干湿循环有关。本文旨在结合工程实践对巨粒土填筑技术在高速公路路基中的应用进行研究。
        关键词：高速公路；巨粒土；路基；压实；平整度
        一、工程概况
        某高速公路项目地址为首都环线高速公路，高速公路沿线地势低洼、地势起伏大，路基范围内有鱼塘、农田、树林等，路基范围内是淤泥土质夹杂有机物，为节约资源与工程成本、加速工程工期，决定使用山皮土弃渣和隧道弃渣资源进行路基填筑。通过对山皮土和隧道弃渣材料进行检测后发现，这些材料的性质能够满足路基填筑施工的要求。
        二、巨粒土压实特性研究
        （一）路基巨粒土填料主要特点
        在路基填筑中使用巨粒土，能缩短工期，按就近原则填筑施工，能减少弃渣运输所用费用，节省造价。相较于其它类型的填料，巨粒土还具有更高的强度，且透水性良好。然而，施工中还应注意其稳定性相对较差，若无法保证压力度，则会在后期出现塌陷，使路基产生损害。经实践可知，采用强夯机械、冲击式压路机，震动压路机组合可保证其压实效果。可见，通过合理的设备搭配及工艺改善，能有效保证施工质量。
        （二）巨粒土压实方法研究
        巨粒土路基压实是路基施工中最关键的工艺，采用的压实方法有静压、冲击压实、重型振动压实、局部强夯。目前机械压实主要为静力压实、冲击压实和振动压实、强夯四种。
        1.静力压实。静力压实是指利用碾压设备自重，使路基填料发生塑性变形，达到压实目的。静力压实的特点是作业时间长、材料应力变化速率较慢，应力大，但深度和密实度影响有限。
        2.冲击压实。冲击压实是指利用一定质量物体，从高处落下冲击路基，产生冲击波压力作用于土体，以达到密实目的，该方法特点是压实作用使材料产生的应力变化速率大，且冲击荷载比静压荷载对地面产生的作用力要大，因而压实效率较高。
        3.振动压实。振动压实是碾压设备以固有频率产生振动作用于路基顶面，迫使路基填筑材料进行垂直强运动，振动可减少土颗粒间内摩擦力，降低颗粒孔隙，使土体更易压实。该方法特点是作用面应力小、作用时间短、频率高，影响深度大，且振动压实机械可根据压实材料特性改变其振动频率和幅度，取得最大压实效率。
        4.局部强夯。起重机吊起夯锤自由落下，利用强大的动力冲击，迫使岩土颗粒位移，提高填筑层的密实度和地基强度。该方法机械设备简单，击实效果显著，可以有效解决大石块填筑地基层施工的夯实难题，对于强夯施工的表层松动层，采用振动法进行压实，此方法由于噪音震动较大，不得在居民区及靠近建筑物、构筑物使用。
        （三）巨粒土压实影响因素
        1.孔隙率。填石路基压实过程中，孔隙率是影响压实度的重要指标，施工压实质量可以采用孔隙率和沉降差或（压实功率、碾压速度、压实遍数、铺筑层厚等）联合控制，孔隙率采用水袋法进行检测。
        2.碾压厚度。填料的摊铺厚度对路基压实度影响较大。振动压路机以振动波、自重力或冲击力的形式对路基土体传播压力，压力在土体中随深度增加而逐渐减弱，因此摊铺厚度越大，作用于较深层填料的应力越小，路基不易压实，摊铺厚度越小，填料全深度范围内土体受到的压应力越大，路基越容易压实。试验段施工现场应通过测试不同松铺厚度压实的路基压实，以确定经济合理效率的松铺厚度及碾压工艺。
        3.下卧层强度。路基压实过程中，下卧层的强度对压实层的密实度影响较大。相关研究表明，在相同的碾压设备和碾压方法下成型的路基压实度，随着土基强度提高，填料的压实度越大，反之填料压实度越小。
        三、巨粒土路基施工工艺
        （一）地基处理
        地基强度直接影响基层碾压时的密实性和道路整体稳定性。路基施工前应清理土基表层杂物、淤泥、树根、草皮等污染物，按照验收规范检查土基压实度及强度，发现局部软弱区域时，要进行加固处理。土基验收合格后，进行测量放样工作，放样位置为路线中线及边线。路基放样宽度比设计值加宽 50cm，采用木桩定出路基边线、中线及对应高程。
        对于鱼塘部位抛石挤淤等不易压实的部位，本工程机械为25T履带式强夯机2台，同时佩带1个点夯重锤和1个普夯锤，挖掘机、装载机、推土机、平地机自卸车、液压式夯实机、振动压实机。采用强夯，采取先点夯后满夯工序，每层4.0米，点夯能量不小于2000KN/M，满夯夯击能量不小于500 KN/M，5米×5米梅花形布置，每一遍最后两次夯击沉降量之差不大于5cm，达到要求后进行下一遍强夯，周边隆起不大于10cm，每遍夯实时间间隔不小于7天，强夯质量要求不小于12T，强夯作业范围为15米，注意周边15米内对建筑物的影响，在强夯作业区周边设置片石盲沟，保证排水畅通。
        点夯夯锤重量为16T，直径2.35米，底面积4.35平方米，夯锤落高最高13.7米，单点最大夯击能2200 KN/M。
        满夯夯锤直径3.0米，夯击能500 KN/M，满夯按照夯锤直径印，搭接1/3夯锤直径，每次2击，对于局部较差的部位，增加满夯一遍，保证施工质量。
        对于路边及台背不易夯实的部位用液压夯实机进行夯实，以便于达到最佳压实效果。
        夯实程序：1、路基整平盲沟设置2、设定试验夯实区进行试夯确定夯实参数3、第一遍夯点放样4、第一遍夯点施工5、达到要求后回填整平6、下一遍夯点施工、7、达到要求后回填整平8、满夯及碾压检测合格后进入下一道工序。
        对于路边及台背不易夯实的部位用液压夯实机进行夯实，以便于达到最佳压实效果。
        （二）巨粒土采集和堆放
        山皮土和隧道弃渣本身具有一定强度，在填料采集回收过程中要保证其强度、风化程度符合规定，同时，选料过程中采用人工和机械组合的方式进行巨粒土选料，以保证材料质量。填料堆放场地清理干净，由于巨粒土形状大小不一，容易发生离析现象，因此转运过程中应尽量保证材料均匀集装，出场使用时应遵循“先进先用”原则。
        （三）巨粒土摊铺
        自卸汽车、推土机和挖掘机配套使用，结合松铺厚度计算卸料间距。自卸汽车卸料时应一次完成，避免边行走边卸料的形式，一次性卸料不仅有利于控制材料离析，且可有效减少二次施工投入现象。卸料后选用大功率推土机，按照先边缘后中间、先低后高的原则进行摊铺精平。施工过程中观察路基是否存在凹凸区域，应及时替换影响平整度的材料，保证摊铺平面平整，根据试验地段试验，山皮土弃渣属于中硬石的土石混合路基，石子含量低于70%时，为土石混合路基，每层虚铺厚度不大于300mm；隧道弃渣石子含量超过70%的为填石路基，上路堤每层虚铺厚度不大于400mm，下路堤每层虚铺厚度不大于500mm，石子最大粒径应小于2/3层厚,布料完毕后，用推土机进行填料摊铺，再用平地机进行整平，测量人员跟随平地机及时检测，根据各桩号地面标高，控制好表层顶面标高，注意松铺厚度，使填料达到控制的厚度，摊铺时需人工配合机械精平。整平完成后，由距离固定桩定出高程检测点，用水准仪测量其标高，以检测填土的松铺厚度。
        （四）巨粒土填料压实
        推土机推平后完成后进行混合料压实。巨粒土碾压施工机械设备选用原则是：选用冲击碾压压路机、振动压路机、强夯机械，碾压设备不应单一。选用 25t 冲击碾压压路机和 22t 振动压路机组合进行路基压实，碾压设备开机停机均应做到缓启缓停。具体碾压遍数应依据现场土体压实情况而定，但静压、冲击碾压和平碾振动碾压遍数总和不应小于6遍，局部填筑过深部位填筑采用强夯加强夯实。
        1.碾压顺序
        压实机具先轻后重，先用静压一遍，再振动碾压，振动力由弱到强，以适宜土体强度增长。
        2.碾压速度
        碾压速度应先慢后快，最大速度不宜超过3km/h，第一遍的静压速度控制在2km/h以内，第二遍的弱振动碾压速度控制在2.5km/h以内,第三遍、第四遍、第五遍、第六遍振动碾压速度控制在2km/h以内。
        3.碾压方式
        压实机具工作线路要合理，碾压时由两边向中间，纵向进退式进行，不得垂直路基方向碾压，以保证路拱，压路机每次横向碾压重叠不少于压实宽度的1/3（0.4～0.5m），确保压实均匀，做到不漏压、无死角。
        4.压实检测
        当压路机在振动碾压结束后，用沉降法进行压实度检测。
        5.压实厚度的检测
        碾压第六遍即已满足压实度，检测完毕并经现场监理工程师确认后，即停止碾压，然后根据距离固定桩定出各高程检测点，并测其高程，以确定压实厚度。
        四、路基质量检测
        （一）压实
        路基压实结束后进行压实检测。根据公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1—2017），为定量检验填石路堤的压实质量，根据施工规范要求提出压实路基弯沉的检验标准，在施工过程中严格控制，采用20t以上的压路机振压两遍沉降差不大于2mm控制，并注意加强观测，及时总结修正，检测间距 50m，每个断面5点，结果如表 1。

        由表 1 可知：巨粒土填料路基经过振动压实成型，其各横断面沉降差小于2mm，满足规范要求，推荐使用冲击拖动式振动压实与自行式振动压实组合的施工工艺作为土石混填路基压实方法。
        （二）平整度
        路基顶面平整度检测依据《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1—2017）进行测试，沿道路方向测试位置选取路基中线，每 200m 测试2 处，每处测试 5 尺，测试结果如表 2。
        由表2可知，该巨粒土路基平整度均能满足验收标准要求允许偏差小于 20mm，说明组合式冲击振动压实在巨粒土路基填筑工程中的应用效果较好。
        （三）孔隙率
        石子含量超过70%的填石路基通过试验段施工，平碾静压1遍，用震动压路机进行碾压2遍，然后用冲击压路机碾压3遍后，用水袋法进行试验检测，孔隙率符合规范要求，试验数据见表3。
        结论
        由于巨粒土填料颗粒粒径差异较大，导致压实质量不易控制，使得巨粒土路基耐久性和稳定性较差。本文研究巨粒土填料压实特性，结合工程实践介绍巨粒土路基填筑技术，结果表明：采用冲击压实与自行式振动压实、强夯组合的施工工艺成型路基后，沉降差在2mm以内，符合《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1—2017）；平整度小于20mm，符合《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1—2017），孔隙率控制在22%以内，满足质量检验评定标准要求，冲击振动压实法可作为巨粒土填料路基碾压方法。
        参考文献
        [1]田树玉. 粗粒土抗剪强度特性的研究[J]. 水电与抽水蓄能.
        [2]郑治.填石料的长期变形性能模拟试验研究[J].中国公路学报， 2011，14（2）：18-21.
        [3]《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1—2017）.
        作者简介
        赵伟（19-），男，北京市人，北京市易成市政工程有限责任公司助理工程师，大学本科，研究方向：道桥与给排水。