羅士杰， 黃 俊

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建設(shè)以及全國大面積高速公路網(wǎng)建設(shè)的延伸，越來越多的公路建設(shè)面臨的地形從以平原微丘區(qū)為主轉(zhuǎn)向以山嶺重丘區(qū)為主。

工程單位出于經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的綜合考慮，在填料選擇方面，多是就地選取深挖路塹和隧道施工產(chǎn)生的棄碴作為填料。這樣的優(yōu)點(diǎn)是一方面有效解決了如征用場(chǎng)地堆放挖方棄方材料、大量棄方占用農(nóng)田耕地、破壞沿線環(huán)境等問題，另一方面也減小了填料運(yùn)距和運(yùn)輸力量、降低了施工成本、縮短了工期。但是，這種填料具有土石混合、含石量高、大粒徑多的顯著特點(diǎn)，關(guān)于土的工程分類的相關(guān)規(guī)定[1]，多數(shù)情況下屬于巨粒土的范疇。然而，目前我國公路路基相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的制定仍主要建立在細(xì)粒土填料的基礎(chǔ)之上，對(duì)于含大量巨粒土的土石混合材料路基并不完全適用。尤其是不同的路基填料對(duì)于路基壓實(shí)工藝的影響也完全不同。

本文基于太行山高速邢臺(tái)段路基工程特點(diǎn)，高填方路基填料來源深挖路塹和隧道施工產(chǎn)生的棄碴以及河灘料，對(duì)比k8工點(diǎn)和渡口互通工點(diǎn)填料的差異以及壓實(shí)施工過程分析得出兩者之間的相關(guān)性。

1 土石填料的性質(zhì)及強(qiáng)度

k8試驗(yàn)段的地層主要為太古界贊皇群石城組全-中風(fēng)化花崗片麻巖，該地層地表出露，揭露層內(nèi)，呈褐黃色，中粗粒結(jié)構(gòu)，弱片麻狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯多呈碎塊狀。該地層的承載力基本容許值為[fa0]=450kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為qik=150kPa。

渡口互通試驗(yàn)段屬于重丘區(qū)，地勢(shì)起伏較大，地層主要為第四系下更新統(tǒng)冰積形成的粉質(zhì)黏土、碎石、塊石等，上覆更新統(tǒng)坡洪積粉質(zhì)黏土，局部地表見黃土狀粉質(zhì)黏土。粉質(zhì)黏土呈黃褐色，可塑，土質(zhì)不均，切面稍光滑，干強(qiáng)度及韌性中等，局部含姜石，該地層的承載力基本容許值為[fa0]=160kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為qik=30kPa 。

碎石和塊石主要是以砂巖、灰?guī)r為主。

對(duì)于巖石來說最重要的力學(xué)性質(zhì)之一的單軸抗壓強(qiáng)度，這個(gè)是確定地層承載力、進(jìn)行巖石分類的必需參數(shù)，實(shí)驗(yàn)中多采用單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)試件的尺寸、精度要求嚴(yán)格，試驗(yàn)過程繁瑣、耗時(shí)且成本較高，因此對(duì)該試驗(yàn)段的石料只進(jìn)行了點(diǎn)荷載試驗(yàn)，通過公式換算出其單軸抗壓強(qiáng)度。

1.1 點(diǎn)荷載儀器

點(diǎn)荷載試驗(yàn)使用的儀器為STDZ-3型點(diǎn)荷載儀，主要分為加荷系統(tǒng)和液晶顯示儀兩個(gè)部分, 其中, 加荷系統(tǒng)又包括液壓千斤頂、承壓框架和上下兩個(gè)壓頭。對(duì)試樣施加集中荷載，直至試樣破壞，然后通過計(jì)算求出試樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度值[2]。

1.2 試驗(yàn)樣本

盡量多的選取兩個(gè)工點(diǎn)不規(guī)則的但便于試驗(yàn)的樣本，選取k8工點(diǎn)試驗(yàn)段選取了強(qiáng)風(fēng)化-全風(fēng)化花崗片麻巖共計(jì)102塊，有效的為62塊；中風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖共計(jì)85塊，有效的為85塊；弱風(fēng)化-中風(fēng)化花崗片麻巖共計(jì)90塊，有效的為90塊；河灘料中石英砂巖共計(jì)95塊，有效的為95塊，開挖隧道產(chǎn)生的棄渣中的砂巖共計(jì)113塊，有效的為109塊；棄渣中的灰?guī)r共計(jì)58塊，有效的為55塊。部分試驗(yàn)樣本見圖1。

圖1 試驗(yàn)部分樣本

1.3 數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)荷載試驗(yàn)強(qiáng)度的計(jì)算，采用國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)于1985年修訂的建議方法。按照式(1)計(jì)算未修正點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)：

(1)

式中：Is為未修正點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)，MPa；P為屈服荷載，N；De為等效巖芯直徑，mm。

對(duì)于徑向測(cè)試，等效巖芯直徑De即為巖芯直徑D；對(duì)于不規(guī)則巖塊的軸向測(cè)試，等效巖芯直徑De計(jì)算應(yīng)采用：

(2)

式中：W為兩加荷點(diǎn)的最小截面寬度，mm。

計(jì)算巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度，在沒有尺寸修正時(shí)，巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度的計(jì)算公式為:

(3)

式中:Is為未經(jīng)修正的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度，MPa；P為破壞載荷，N。

當(dāng)?shù)刃r芯直徑不為50 mm，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少時(shí)巖石點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度指數(shù)按以下公式進(jìn)行修正：

Is(50)=F·Is

(4)

(5)

式中:Is(50)為修正后的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)，MPa；F為修正系數(shù)；m為修正指數(shù)，可取0. 40 ～ 0. 45，本文m取值為0. 45。

用點(diǎn)荷載強(qiáng)度計(jì)算單軸抗壓強(qiáng)度，GB/T 50218-2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[3]中推薦的強(qiáng)度換算公式為：

(6)

式中:Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

如圖2所示，選取的6種不同的試驗(yàn)填料通過點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)，通過上面公式進(jìn)而計(jì)算得出的單軸抗壓強(qiáng)度均基本滿足正態(tài)分布規(guī)律，k8工點(diǎn)的填料中的巖石單軸抗壓強(qiáng)度隨風(fēng)化程度的降低而顯著增加，大量的強(qiáng)風(fēng)化組中的試樣在試驗(yàn)時(shí)碎裂，無法呈現(xiàn)出劈裂破壞的特性，呈現(xiàn)出劈裂破壞特性的試樣，其單軸抗壓強(qiáng)度均值僅有7.57 MPa，而渡口互通工點(diǎn)石英砂巖試樣在天然含水率單軸抗壓強(qiáng)度為68.49 MPa，砂巖試樣的天然含水率單軸抗壓強(qiáng)度均值為48.02 MPa，灰?guī)r試樣的天然含水率單軸抗壓強(qiáng)度均值為58.48 MPa，均屬于硬巖范圍內(nèi)，強(qiáng)度明顯高的多。

(a)弱-中風(fēng)化

(b)中-強(qiáng)風(fēng)化

(c)石英砂巖

(d)隧道棄渣

(e)灰?guī)r

2 兩個(gè)工點(diǎn)連續(xù)振動(dòng)壓實(shí)VCV值的對(duì)比

路基填筑碾壓過程中，根據(jù)土體與振動(dòng)壓路機(jī)相互動(dòng)態(tài)作用原理，通過連續(xù)量測(cè)振動(dòng)壓路機(jī)震動(dòng)輪豎向振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，簡(jiǎn)歷檢測(cè)評(píng)定與反饋控制體系[4],實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)碾壓面壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與控制[5]。

由于路基結(jié)構(gòu)形成的特點(diǎn)，為了達(dá)到實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè)路基結(jié)構(gòu)抗力的目的，以壓路機(jī)振動(dòng)輪的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(加速度)來識(shí)別路基抗力是一條很好的途徑，可以免去復(fù)雜的計(jì)算，同時(shí)又不要求具體的壓路機(jī)相關(guān)參數(shù)，只要求噸位和振動(dòng)參數(shù)一定且性能穩(wěn)定即可，因此采用壓實(shí)機(jī)具動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有較好的實(shí)時(shí)性。

根據(jù)研究結(jié)果表明，在振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)一定的條件下，壓路機(jī)振動(dòng)輪加速度響應(yīng)與路基系統(tǒng)反作用力之間存在著線性對(duì)應(yīng)關(guān)系[5]。因此可以選取振動(dòng)輪的加速度作為抗力指標(biāo)信息——即連續(xù)壓實(shí)檢驗(yàn)控制指標(biāo)[6-8]。為方便表述，可將經(jīng)過適當(dāng)信號(hào)處理后的振動(dòng)輪加速度定義為振動(dòng)壓實(shí)值VCV。

在k8工點(diǎn)進(jìn)行了16組試驗(yàn)，在渡口互通工點(diǎn)進(jìn)行了12組試驗(yàn)，由于現(xiàn)場(chǎng)的情況和施工的條件限制，每一組來回碾壓的遍數(shù)沒法保證完全一樣，但保證每一組都是至少在3遍以上(來回一個(gè)輪跡算一遍)，并且結(jié)合不同的壓路機(jī)，不同的填鋪厚度，對(duì)VCV值的變化進(jìn)行整理。k8工點(diǎn)VCV值基本如圖3所示，渡口工點(diǎn)VCV值如圖4所示。

從VCV值可以很好的看出，k8工點(diǎn)的軌跡基本處于平穩(wěn)，不同遍數(shù)情況下都在550左右，很好地說明地基抗力對(duì)其的影響趨于穩(wěn)定，側(cè)面反映出填料層松鋪的比較均勻(圖5)，可以明顯看出填筑路面壓實(shí)的比較平整，整個(gè)壓實(shí)的過程，壓路機(jī)基本都把大塊的中風(fēng)化的花崗片麻巖碾壓成了碎屑狀，進(jìn)而整過整個(gè)路面壓實(shí)的更加均勻。

(a)01輪壓實(shí)穩(wěn)定性曲線

(b)02輪壓實(shí)穩(wěn)定性曲線圖3 k8工點(diǎn)VCV值

(a)01輪壓實(shí)穩(wěn)定性曲線

(b)02輪壓實(shí)穩(wěn)定性曲線圖4 渡口互通工點(diǎn)VCV值

圖5 k8工點(diǎn)連續(xù)壓實(shí)試驗(yàn)過程

渡口互通工點(diǎn)連續(xù)壓實(shí)VCV值相對(duì)比較波動(dòng)，而且明顯比k8工點(diǎn)要小很多，這就很好能看出這面的壓實(shí)過程較為不均勻，很能說明和這面填料有很大關(guān)系。如圖6所示，在壓路機(jī)碾壓的過程中無法使大粒徑塊石較好的碎裂為較小的顆粒，導(dǎo)致級(jí)配的嚴(yán)重不良，進(jìn)而影響路基填筑時(shí)細(xì)顆粒向粗顆?？障堕g的填充和路基的均勻性，使路基出現(xiàn)局部的不均勻沉降。并且由于隧道開挖棄方中的砂巖和灰?guī)r受到爆破擾動(dòng)較大，因此其巖塊內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)較多的微裂隙與微裂縫，這些微裂隙與微裂縫雖然肉眼不可見，在振動(dòng)壓路機(jī)的作用下會(huì)成為巖塊內(nèi)部的薄弱處和應(yīng)力集中處，同時(shí)部分砂巖和灰?guī)r內(nèi)部具有泥質(zhì)軟弱夾層，因而相較于石英砂巖，這兩種巖塊更容易破碎為較小的塊體或填粒，用以填充更大顆粒間的空隙。石英砂巖具有很高的抗壓強(qiáng)度，在壓路機(jī)的作用下石英砂巖有部分被壓碎，但其破碎率較低。并且兩種填料中三種塊石的充填土都是黏性土，因而難以填充塊石之間的空隙。進(jìn)而在壓路機(jī)碾壓過程中呈現(xiàn)出路面不均勻的狀況，同時(shí)也導(dǎo)致其VCV值相對(duì)較低。并且由于渡口工點(diǎn)的硬巖粒徑較大，因而其松鋪厚度也比k8工點(diǎn)厚度大，其厚度肯定也會(huì)對(duì)壓實(shí)的過程產(chǎn)生影響。

圖6 渡口互通工點(diǎn)連續(xù)壓實(shí)試驗(yàn)過程

3 結(jié)論及改進(jìn)建議

綜上所述得出以下結(jié)論及改進(jìn)建議：

(1)對(duì)于高填方路基而言，不同土石填料的路基確實(shí)會(huì)影響連續(xù)振動(dòng)壓實(shí)度，其中填料的強(qiáng)度指標(biāo)是一個(gè)很好的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)很重要的影響因素。

(2)由于土石填料中，土的性質(zhì)和巖石的性質(zhì)，以及兩者混合在一起后共有性質(zhì)都對(duì)壓路機(jī)壓實(shí)過程產(chǎn)生很大的作用，當(dāng)填料中巖石強(qiáng)度較低，易碎，那更容易與無黏性土結(jié)合在一起，形成更好的壓實(shí)度，相反如果巖石粒徑較大，不容易破碎，那與黏性土之間不容易結(jié)合，造成壓實(shí)不夠均勻。

(3)在施工中，我們要對(duì)路基的填料進(jìn)行分類，保證其振動(dòng)壓實(shí)值能在一個(gè)相對(duì)較高的值，這樣便于對(duì)路基是否壓實(shí)了有一個(gè)很好的判斷，并可以很好地指導(dǎo)壓路機(jī)的工作。

由于連續(xù)壓實(shí)試驗(yàn)過程受現(xiàn)場(chǎng)施工情況影響，不能完全控制碾壓速度，完全相同的壓路機(jī)，以及現(xiàn)場(chǎng)每一次的松鋪厚度，并且也不能保證試驗(yàn)路徑的長(zhǎng)度寬度完全一致，可能會(huì)對(duì)振動(dòng)壓實(shí)值有一定的誤差，進(jìn)而進(jìn)行對(duì)比有些許問題，后期室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行改進(jìn)。