张毅
新疆维吾尔自治区交通建设管理局,新疆 乌鲁木齐 830049
摘 要：我国地势西高东低，东部多为平原微丘区，路基填料主要是细粒土。对于细粒土路基来说，设计和施工规范中有详细的要求和规定，无论压实理论、工程实践与检测标准都已相当成熟[1-5]。随着国家“一带一路”战略实施深入，新疆公路建设迎来大发展时期，新疆多条高速公路相继开工建设。由于新疆干旱荒漠区特殊的自然环境，路基填料多为天然砂砾，天然砂砾具有强度高、压实密度大、沉降变形小及透水性能好等优点。天然砂砾的级配组成、含水状态极不均匀，与一般细粒土有显著不同，沿用细粒土的压实标准与检测方法，必然存在标准干密度的确定、检测方法的适用性及评价指标的合理性等问题[6-15]。基于现场试验的结果，得出了以振动频率法作为施工快速检测的主要方法，结合PFWD、沉降观测法和灌沙法辅助验证，实时动态的检测路基压效果和修正施工工序的快速检测方法。结合各个试验段的检测结果，给出了适用于新疆天然砂砾路基各种检测方法的评价标准。
关键词：高速公路；天然砂砾路基；压实；质量控制
1 天然砂砾颗粒组成
天然砂砾在干旱荒漠区分布极为广泛，性质差异较大，选取大黄山至奇台高速公路和克拉玛依至塔城高速公路的典型天然砂砾路基填料进行室内筛分试验。其中，大奇高速取料场位于昌吉州吉木萨尔县附近，克塔高速一标取料场位于克拉玛依市白碱滩区西20公里，克塔高速二标取料场位于塔城地区额敏县霍吉尔特蒙古乡附近，克塔高速三标取料场位于塔城地区塔城市也门勒乡附近。高速公路取料场典型颗粒级配曲线如图1所示。
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不均匀系数Cu和曲率系数Cc是表征土颗粒组成的重要参数，不均匀系数Cu反映土的粒组分布情况，Cu值越大，表明土的粒组分布越广，但当Cu过大时，土粒可能缺失某粒组，因此需要曲率系数Cc反映级配曲线的整体形状。当Cu>5，Cc=1~3时，认为土为良好级配。由图1可以看出，各料场的天然砂砾级配曲线较为平缓，表明天然砂砾的粒组分布较为均匀。各料场天然砂砾的不均匀系数Cu> 5，表明各料场天然砂砾为不均匀土，各粒径组成分布均匀，各料场天然砂砾是否级配良好取决于曲率系数Cc。四组天然砂砾中，克塔高速二标和三标料场天然砂砾曲率系数1<Cc<3，为不均匀级配连续土，大奇高速、克塔高速一标料场天然砂砾曲率系数Cc<1，为不均匀级配不连续土。大奇高速和克塔高速一标填料中细颗粒含量很少，从而导致级配不连续。大奇高速和克塔高速一标料场天然砂砾粗粒料含量<40%，砾含量稍多，细粒料含量很少。克塔高速二标、三标料场天然砂砾粗粒料含量位于55%~62%之间，填料以砾为主，细粒料含量少，与以往新疆地区砂砾分布规律研究大体相一致。
2 天然砂砾路基压实质量快速检测
2.1 依据沉降率判断压实度
依据试验段表面沉降法观测数据及路基碾压完成后灌砂法测得路基压实度数据，利用沉降率计算压实度与碾压遍数的关系，如图2所示。由图可以看出路基压实度随着碾压遍数的增大而增大，其变化率逐渐减小。松铺厚度对压实度有明显影响，松铺厚度越大，路基压实度越低。但依据沉降率计算的压实度明显偏高，依据图中关系，碾压三遍即可满足路基压实度设计要求，这与实际不符。说明依据表面沉降控制法原理中沉降率与压实度关系判断天然砂砾路基压实质量有一定缺陷，可靠度有待提高。
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图2 碾压遍数与路基压实度关系
2.2 动回弹模量Ep与压实度K关系
为研究天然砂砾路基动回弹模量Ep与压实度关系K的相关性，依据试验段检测结果，采用软件将两者关系进行拟合，采用模型主要为线性模型、半对数模型、指数模型、抛物线模型、双对数模型五种模型，具体拟合关系表1所示。
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由表1中结果可以看出，各种模型的相关性都很好，相关系数约为0.95。虽然抛物线模型相关性最好，但采用抛物线存在峰值问题，用来拟合Ep和K的关系是不合理的，两者的单调关系采用抛物线难以解释；其次为直线模型相关系数最接近1，但用直线关系来拟合，则存在没有任何物理意义的截距；若采用半对数关系进行拟合，则难以较好地体现正比特性；指数模型中，存在过于接近0的系数，因此采用双对数模型模拟两者关系最适合，路基动回弹模量随着压实度增大而增大，但其增加率却越来越小。
2.3 动回弹模量Ep与静回弹模量E0关系
为研究天然砂砾路基动回弹模量Ep与路基静回弹模量E0的相关性，依据试验段检测结果，采用软件将两者关系进行拟合，采用模型主要为线性模型、半对数模型、指数模型、抛物线模型、双对数模型五种模型，具体拟合关系如表2所示。
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由表2中结果可以看出，各种模型的相关性都很好，相关系数约为0.97。若采用抛物线模型来拟合和之间的关系是不合理的，因为Ep和E0的关系为单调关系，不存在峰值；若采用半对数关系进行拟合，则难以较好地体现正比特性；用直线关系来拟合，则存在没有任何物理意义的截距，因此采用双对数模型模拟两者关系最适合。
2.4 静回弹模量E0与压实度K的关系
为了验证路基压实度与模量之间关系，将路基压实度与回弹模量也进行拟合，其拟合关系如表3所示。
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由表3可以看出，压实度与静回弹模量拟合模型的相关性很好，但拟合公式中系数很大或者很小，选取相关系数最大的指数模型为拟合结果。
2.5 压路机振动频率变化与压实效果的关系
压路机的震动频率随着碾压次数的增加而逐渐增大，最后趋于稳定，最终的压路机震动频率在600HZ上下变化。在碾压前两遍时，振动频率增加的很快，说明前两遍路基压实度增加的比较迅速，随后的几遍碾压，震动频率增加的幅度大大减小，表明后几遍的压实路基压实度增加幅度不大。路基填料刚刚铺上时，比较松散，所以前两次碾压，压实度变化比较大。压实一两遍过后，填料间的空隙逐渐被压得密实。所以，在随后的碾压过程中，压实度的变化开始减小，表现在仪器上就是读数变化增加缓慢。通过与标准灌砂法对比，发现当震动频率在600以上时压实度都大于95%，且大于97%的有17个数据。说明在此路段上当振动频率仪度数在600以上时能保证路基压实度的要求。
振动碾压完成后，在标记点用PFWD测量路基的SM值和EVD值。用PFWD验证振动频率仪检测法的稳定性。现场利用FWD测得最后一遍碾压完成后，各个测点的SM值，将振动频率和SM值做散点图，我们可以看出大部分点都是集中在振动频率为580HZ~600HZ，SM值为0.3mm~0.6mm之间的区域内。当振动频率为580HZ~600HZ时，PFWD的EVD值也基本分布在45~60之间，分布区域比较稳定。通过以上两组对比，说明振动频率仪与PFWD检测放是有稳定的关系的，是可以在工程实践中相互印证使用的。
2.6 天然砂砾路基压实质量快速检测综合方法
通过以上分析可以看出，采用PFWD测得路基动回弹模量与路基压实度及承载板法的静回弹模量存在着良好的相关性，可以反映天然砂砾路基的压实质量。表面沉降法中采用沉降率控制压实质量虽然对天然砂砾路基并不适用，但依据沉降量作为路基压实质量的宏观控制方法还是可行的。
振动频率法检测路基压实度是可行的，且测试结果比较稳定。与其他检测方法比较，振动频率法操作简单，能够快速检测路基压实度，节省人力物力。如论证推广后可直接附在压路机显示面板上，压路机操作人员只需实时观测仪器读数就能掌握路基的压实情况。并且振动频率法是线式的，不单单检测某几个点的压实度。测试路基压实度更为全面、真实。所以，在实际工程中，可以以振动频率法为主，其他方法为辅，相互印证验证，动态施工。
结合室内试验，根据现场试验检测手段，提出以沉降控制法、灌砂法、PFWD及振动频率法相结合的综合快速检测方法。表面沉降控制法主要以控制过程为主，严格按照既定施工工艺进行施工，并跟随碾压过程观测碾压沉降量，当分级沉降量达到一定值时，即认为路基碾压质量达到要求。PFWD作为碾压质量最后的验收检测手段，根据动回弹模量与压实度的关系，可以换算出路基压实度，保证碾压质量达到设计要求，同时应将路基动回弹模量本身作为天然砂砾路基压实质量控制指标之一。振动频率法作为施工过程实时质量控制，及时反馈压实信息，调整施工状态。当然目前压实度作为我国路基碾压质量的主要指标，在快速检测中不应舍弃，可以作为路基碾压质量的验证手段，减小检测频率。
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文章编号: 中图分类号: U416 文献标识码:A