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公路工程中高填方路基施工技术探讨

发表时间：2021/4/15 来源：《建筑科技》2020年10月上作者：于会成刘博

[导读] 高填方法是路基压实处理的一种重要方法。由于其施工工艺简单、施工速度快、节材、成本低、效果好，是砾石土路基施工中的一个极其重要的工序。通过对山区路堤结构、碎石填土结构特点和路基工程应力特性的分析，采用三波传递过程分析了高填方加固的宏观和微观加固机理。

天津中交第一航务工程局有限公司总承包工程分公司于会成刘博 300461

摘要：高填方法是路基压实处理的一种重要方法。由于其施工工艺简单、施工速度快、节材、成本低、效果好，是砾石土路基施工中的一个极其重要的工序。通过对山区路堤结构、碎石填土结构特点和路基工程应力特性的分析，采用三波传递过程分析了高填方加固的宏观和微观加固机理。结果表明，不同波浪对山区砾石充填地基有正向作用。然而，贡献的方式是不同的。高填方加固效应是三波协同作用的结果。以平赞高速公路工程为背景，介绍了试验的具体内容和操作过程。为类似条件下的路基高填方加固施工提供了参考。
关键词：公路工程高填方路基施工技术
        引言
        路堤在施工完成后很短时间内就会出现不均匀沉降，地基承载力不足或处理不当，影响路基的使用，甚至缩短路基的使用寿命。因此，在研究山区高填方路堤土石混合料的高填方施工技术，尤其是这种土石混合料高填方路堤的加固机理研究是最重要的，有研究学者推导了高填方作用下普通土体的动应力响应，应力波的传播，垂度的大小和锤底的接触应力。进一步研究了动力固结前后砂砾土地基渗透性和密度的变化，探讨了动力固结对砂砾土结构性的影响。
        本文用波动理论解释了山区砾石土的高填方机理。旨在为高填方法的设计和施工提供参考，对高填方理论的发展起到积极的作用。
        一．砾石土路基的工程特性
        山区砾石充填的主要基础是爆破丘形成的岩粉、碎屑、砾石和块石，大块砾石由于其架空效应而不能被小颗粒充填。因此，回填砾石土在初期没有经过处理，土的压缩性和渗透性较大，承载力低，不均匀沉降明显。
        当砾石土相对紧密时，当砾石块的强度和砾石填充物之间的咬合力低于砾石填充物的冲击力时，砾石就会破碎并从紧密土中挤出，颗粒之间的空隙就会变大，土体就会变松散。因此，夯击能量不宜过大，如果夯击能量过大，则会产生相反的效果。如果砾石土相对松散，当砾石体承受适当的冲击力时，由于砾石颗粒的可压缩性远小于气体的可压缩性，气体排出，颗粒间的空隙减小，土体变得紧密，大的砾石被压碎压实，土体达到较稳定的状态。
        二．碎石土路基的高填方加固机理
        2.1能量传递机制
        高填方法是将重锤从一定高度自由落下，以获得较大的夯击能量，从而在土体中产生较大的冲击波，克服土体颗粒间的各种阻力，使松散填土得到夯实，从而提高地基承载力，减小沉降，达到加固效果。在整个过程中能量的转化如下: (1)初始夯锤提高到一定高度，由机械能转化为重力位能。(2)在夯锤自由落体过程中，能量由重力位转化为动能。(3)当夯锤接触地面并撞击地面时，夯锤产生的动能转化为土壤的撞击能，并伴随着夯锤撞击地面时产生的热能和声能。(4)夯锤在土壤中下沉时，夯锤产生的冲击能转化为土层中各颗粒的振动能，使土体产生振动。在粒子传输过程中，由波引起的粒子振动会发生碰撞，碰撞过程中不可避免地会产生能量损失，从而导致能量衰减。因此，高填方法只能在一定范围内对土体进行加固。
        3.2高填方的宏观机理
        工程冲击产生的振动以振动波的形式向下传播，可分为体波和面波两大类。体波主要包括纵波(p 波)和横波(s 波)。面波是纵波与剪切波相互干涉而产生的瑞利波，即 r 波。在这三种波中，纵波的传播速度最快，它使土壤颗粒脱离位置，压实地基。它旁边的传播速度是剪切波，这也使得松散的土体变得紧密。瑞利波的传播速度是最慢的，它压实深层土壤和松动表层土壤。
        3.3高填方的微观机理
        在这三种波中，传播速度最快的是压缩波。压缩波引起的质点振动具有推拉作用。压缩波通过这种作用对填土进行压缩，使土体达到压实和加固的效果。
正如图2所示：

        图2(a)表明填料颗粒在压缩波作用下的初始运动状态; (b)表明由于填料颗粒的相对运动及相互间的紧密关系，填料颗粒彼此间的距离更近; (c)表明填料颗粒在达到最大位移后停止向相反方向运动，从而扩大了填料颗粒的位置;(d)比较了压缩波推拉填土颗粒前后的相对位置，发现填土颗粒不能与初始振幅反方向运动; (e)压缩波作用下，填土颗粒会形成一个扩大的空心区; (f)表明上层底土颗粒会下沉并与下层顶土颗粒接触，减小填土颗粒间的孔隙，最终实现整个土体的加固效果。
        最慢的传播速度是瑞利波。其颗粒运动方式为椭圆形，在填料上滚动，破坏了填料间的微弱咬合力，使填料松动。但随着夯坑深度的加深，瑞利波承载的部分增加，从而增加了压缩波和剪切波承载的能量比例。
        覆盖层土的自重应力增大，在上覆应力和瑞利波的作用下，不规则砾石填料的排列会发生规律性变化，压实度会得到改善，达到压实效果。因此，瑞利波不能说是一种有害波，对地基的高填方加固一般没有影响。从整个固结过程来考虑各种波浪的协同作用。高填方加固碎石回填土地基时，各种波浪的作用是不同的，但在不同的加固方式下，即使是瑞利波在回填土地基中也能起到一定的加固作用。
        三．路基填筑的现场试验
        4.1试验段工程测量
        平赞高速公路主干线位于河北省太行山，全长85.25公里。采用双向四车道高速公路标准施工，设计速度为120km/h。高速公路沿线沟谷陡峭，地质复杂多变，高填方路堤路段众多。试验段的工程地质特征主要为角闪片麻岩、浅麻粒岩、角闪石和大理岩。本区的太古代变质岩一般厚度大，岩相多样，广泛分布花岗质片麻岩拥有属性。花岗质片麻岩一般属于坚硬岩石。
        4.2高填方加固试验方案
        试验段路堤边坡高度为15.1 m。采用压实沉降差法控制轧制质量。最后两次的沉降差不超过5毫米。高填方试验区面积约为10m × 12m，夯击能为2000kn。高填方机械用夯锤的直径和重量分别为1.6 m 和12.5 t。北侧和南侧为空区，东侧和西侧为开挖区。
        4.3动态应力测试安排
        平赞高速试验中有40个土压力传感器，需要在试验前将其归零。土压力箱埋设时，先将埋设位置平整，然后铺设10ー15厘米厚的细砂。仪器水平放置，然后覆盖10 ~ 15厘米厚的细沙。为了保证仪器表面与覆盖层紧密接触，有必要对覆盖层进行压实。仪器的电路应用 PVC 管保护，接头应用胶带固定，然后将细砂埋起来。
        四.小结
        综上，本文通过对砾石的工程力学特性分析，合理选择夯击能，夯击能不宜过大，以免危及路堤的稳定性。由于波的传播方向、振幅和传播速度不同，各种波对土体的加固效果也不同。压缩波使松散土体逐渐变得致密。填土体积因剪应力而收缩或膨胀。瑞利波可以使路面填土松动，但随着压实坑深度的增加和上覆土体自重应力的增大，路面填土的压实度将得到改善，达到压实效果。结合工程实例，介绍了试验的具体内容和操作过程。为类似条件下的路基高填方加固施工提供了参考。
参考文献：
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[3]贺梦伟,周上游. 高速公路高填方路基工程中冲击碾压施工技术的应用[J]. 广东建材,2020,36(07):67-68+57.