砂砾石土路基施工的质量控制与检测方法

【摘 要】砂砾石土作为路基填筑材料，填筑的路基具有抗剪强度高、透水性强、整体刚度大等工程特性，是一种比较优良的路基填筑材料。文章结合湖南东常高速公路试验段路基工程，针对沿线存在丰富的砂砾石土材料，主要采用室内试验和现场测试方法，开展砂砾石土混合料作为路基填料的研究与应用。对砂砾石土工程力学性质、压实机理、施工工艺及检测方法等进行了系统的研究。可为同类路基的设计施工检测提供借鉴作用，具有广泛的推广应用前景。

【关键词】路基工程；砂砾石土；试验段；施工工艺；检测方法

1、工程概况

湖南东常高速公路沿线分布有大量的砂砾石土，若能恰当的将砂砾石土运用于此工程作为路基填料，做到就地取材，对于节约项目投资，减少占用当地耕地，保护当地的生态环境，实现可持续发展具有重要意义。本次试验以该工程RY-DB3和RY-DB4施工标段为试验段，每个试验段取100m，砂砾石土摊铺厚度采取松铺厚度为40cm和30cm两种方案进行试验段施工。试验段路基的平均宽度为52.8m，松铺厚度左幅40cm，右幅30cm。砂砾石土填筑平均宽度为47.8m，左幅宽19.9m，右幅宽27.9m，包边土宽度为2.5m，共计需要砂砾石土1959.6m3，包边土210m3。

2、室内基本性质试验

2.1 颗粒分析试验

砂砾石土为粗颗粒填料，与细颗粒土不同，级配达到一定要求后才能达到较好的填筑效果，选取5个不同位置的土样进行颗粒分析，颗粒级配曲线如图1所示，从级配曲线可以看出，如以5mm粒径作为粗细颗粒的分界点，不同位置处填料的粗颗粒含量不同，砂砾石土填料的粗颗粒含量从试样1的45.9%到试样5的71.4%不等，除试样1外，其他4个试样粗颗粒含量均在50%以上，粗颗粒含量跨度较大，达到35.5%，说明砂砾石土填料的颗粒离散性。分析砂砾石土级配曲线，根据求得的不均匀系数Cu和曲率系数Cc可以看出，除试样3曲率系数为3.66，稍大于3以外，其他试样的曲率系数在1～3之间，不均匀系数均大于10，说明砂砾石土填料级配良好。从级配曲线中还可以看出，级配曲线较平缓，初步判断可以得到较好的压实。同时，砂砾石土的最大粒径达到60mm以上，最小粒径小于0.075mm，粒径跨度极大，虽然从筛分曲线中得出级配良好，由于粗细颗粒悬殊，极易造成粗细颗粒离析，因此现场需加强填料监测，确保填料级配符合要求。

图1 颗粒级配曲线

2.2最大干密度试验

由筛分试验得到砂砾石土的颗粒级配，依据已有研究成果，砂砾石土的最大干密度必须考虑粗颗粒与细颗粒的含量之比，为了更好地评价现场填料的现状，室内试验设计的粗颗粒含量分别为20%、40%、60%、70%、80%，采用重型击实试验方法，剔除填料中最大粒径大于40mm部分，根据公路土工试验规程中的换算公式得到原级配的最大干密度，试验结果见图2和图3，砂砾石土的最大干密度随着粗颗粒含量的增加出现先增大后减少的现象，粗颗粒含量在70%以前，填料的最大干密度随着粗颗粒含量的增加而增大，但粗颗粒含量在60%以前，砂砾石土的干密度增长比较缓慢；当粗颗粒含量在60%～70%之间时，砂砾石土随着粗颗粒含量的增多密度迅速增大。分析认为，此时粗细颗粒相互填充、胶结，相应的密度增大，粗颗粒含量继续增加，大颗粒之间形成明显的骨架没有足够的细粒料填充空隙，出现明显的空隙，从而导致密度下降，孔隙率增大。砂砾石土的最优含水率随着粗颗粒含量的增大而减小，粗颗粒含量小于40%时，最优含水率减小比较缓慢；含量为40%～60%时减小较快；当粗颗粒含量大于60%后最优含水率又趋于平缓。分析认为，随着粗颗粒含量增加，试样总的比表面积较少，击实过程中，水起到作用，颗粒比表面积减少，需要的水相应减少。

图2 最大干密度与粗颗粒含量关系

图3 最优含水率与粗颗粒含量关系

2.3承载比试验

加州承载比试验是由美国加利福尼亚州公路局首先提出来的，通常简称CBR（californiabearingratio）试验，是一种评定材料承载能力的试验方法。国外多采用CBR值作为路面材料和路基土的设计参数，我国路基设计规范中对CBR值也有具体的规定。运用章节3.2中的击实试验结果，对砂砾石土填料在粗颗粒含量分别为20%，40%，60%，80%下进行承载比试验。当粗颗粒含量为60%时考虑了不同击实次数成型下的CBR值，试验结果如图4、5所示。从曲线可以看出，在击实次数保持不变，即击实98次时压实度达到100%且泡水4d时，CBR值随着粗颗粒含量的增加而增加；粗颗粒为20%时，试样的CBR值较小，与普通细颗粒土相当；当粗颗粒含量达到40%时，试样的CBR值较试样A增加1倍左右，达到17.24%；粗颗粒含量继续增加到60%，试样的CBR值出现快速增加的趋势，增加幅度明显加快，达到61.95%；随着粗颗粒含量的继续增加，CBR值继续增加，但变化缓慢，当粗颗粒含量达到80%时，CBR值达到63.91%。从路基填筑要求考虑，上述粗颗粒含量均能满足要求。从CBR随击实次数关系曲线可以看出，随着击实次数的增加，砂砾石土的CBR值增加，经过计算，击实30次后砂砾石土的压实度达到95%，击实50次压实度达到97%。由此可见，当粗颗粒含量为60%时，路基在上述压实度情况下，CBR值均能满足要求。

图4 CBR值与粗颗粒含量关系

图5 CBR值与击实次数关系

3、现场碾压试验

碾压之前，现场对砂砾石土进行筛选，填料最大粒径控制在松铺厚度的2/3，对粒径大于100mm部分进行剔除。同时，取样做天然含水率实验，砂砾石土在含水率为5.5%时进行碾压，由于砂砾石土为无黏性粗颗粒土，粗颗粒含量达到一定值后，粗颗粒之间形成点-点接触，细颗粒填充在粗颗粒形成的骨架之中，若只采用静力压实，只能增加路基中的应力，粗颗粒之间相对位置变化不大，达不到减小颗粒间阻力的作用。而振动压实对于砂砾石土路基兼有增加应力与减少阻力的双重优势，砂砾石土在振动荷载作用下，粗颗粒经平动、转动达到更加稳定的位置，减少了粗颗粒之间形成的空隙，已有研究成果表明，碾压吨位越大，碾压速度越慢，振幅越大，压实效果越好。当振动频率接近填料的固有频率时，更容易压实，一般粗粒土的固有频率为30～50Hz。经过对比分析，碾压时采用振动压路机，工作质量为22000kg，压路机的额定功率为128kW，振幅在2.1mm档，频率使用32Hz档。先稳压1遍，再振动碾压4遍，碾压时往返为1遍，压路机碾压速度为1.5～1.8km/h。

本次砂砾石土路基填筑试验主要依靠路基压实沉降量来检测，施工成型后，采用二等水准测量每层填筑前和碾压后的高程，以此确定每层的填筑高度、各碾压遍数和碾压沉降量。在进行压实沉降的同时，进行了压实度、CBR、弯沉、回弹模量检测，比较各种检测指标的相关性，并验证采用沉降量控制的可行性，提出沉降量的控制标准。

3.1沉降差检测法

沉降差检测方法是指在路基压实稳定之后，测定压实层表面的测点在用标准吨位的压路机械碾压前后的高度差，以此来评定路基压实质量的方法。这种方法认为，一定荷载作用下压实层顶面的沉降量稳定或小于某一范围时即说明路基压实到了密实状态。大量路基现场施工实践已经证明，沉降差检测的结果具有很好的规律性，本次试验得到的数据如图6、7所示。由图可以看出，沉降量随着碾压遍数的增加而减少，不同测点在前3遍碾压时沉降差相差较大，松铺厚度为40cm时碾压的沉降量比松铺厚度30cm的沉降量大，碾压5遍后的总沉降量也较松铺厚度30cm的大，说明松铺厚度30cm比40cm碾压效果好，砂砾石土混合料在碾压2遍后沉降量仍然较大，且各点沉降不稳定，需要继续碾压，碾压3遍后的沉降量较碾压2遍沉降量稳定，碾压4遍后多数点的沉降量稳定在4mm以内，说明此时路基已经达到较高的压实度，但继续碾压5遍后有少部分点的沉降差为负值，说明路基出现了回弹，初步判断碾压遍数4遍为宜。

图6 松铺厚度30cm时沉降差

图7 松铺厚度40cm时沉降差

3.2 压实度、CBR、弯沉检测

为了验证章节4.1提出沉降差检测的可行性，对两种松铺厚度下的砂砾石土在碾压4遍后，进行了砂砾石土的压实度、CBR、弯沉值、回弹模量检测，采用灌砂法检测试验段的压实度，采用动力圆锥贯入仪（DCP）进行加州承载比（CBR）检测，运用手持式落锤弯沉仪（PFWD）进行路基弯沉值和回弹模量检测，检测结果见图8、9。图中，规定值压实度为96%，CBR为8%，弯沉值为1.5mm，回弹模量为40MPa，因最大干密度非固定值，随粗颗粒含量而变化，本次压实度计算采用粗颗粒含量为60%时的最大干密度。从图中还可以看出，上述两种松铺厚度下，压实度与规定值的比值多数都在水平直线y=1上方，少部分在该直线下方，即压实度小于96%，各测点压实度不同的主要原因是不同测点处的颗粒级配并不一样，因此各测点的最大干密度不同，统一采用粗颗粒含量为60%时的最大干密度，必然存在一定的误差，故采用压实度指标并不能很好的反映压实效果，且灌砂检测法费力费时，属于破坏性检测，试坑需要再压实。使用DCP测得的CBR值全部大于规定值，说明砂砾石土的强度较高。但现场测得的CBR值小于室内试验测得值，主要是两种试验方法级配组成不同引起的，从曲线可以看出，CBR数据离散，没有明显的规律，最大值达到规定值的5.36倍，最小值为1.84倍，数据表明，DCP用于砂砾石土的压实检测有一定的参考价值。PFWD作为一种新型路基检测设备，具有携带方便、操作简单、数据准确等优点，从PFWD测得的数据可以看出，除松铺厚度30cm中的20号点外，碾压4遍后的弯沉值与规定值的比值均小于1，回弹模量与规定值的比值均大于1，说明路基碾压4遍后后弯沉值小于规定值，回弹模量大于规定值，满足弯沉和回弹模量的要求，由于弯沉值与回弹模量成反比关系，故图中弯沉值与回弹模量有较好的对应性。

图8 30cm松铺厚度检测数据

图9 40cm松铺厚度检测数据

3.3沉降差检测标准值的确定与评价

前述各项检测指标中，均表现出一定的数据离散型，这是砂砾石土作为路基填料的重要特性，是砂砾石土填料的不均匀性造成的。不同位置处的颗粒级配、粗颗粒含量、最大粒径均不同，为了更好地评定砂砾石土路基的压实程度，需要确定沉降差检测的标准值，将现场实测的结果与标准值比较，以判断是否需要继续碾压，但现场不可能检测每一个点，同时不能保证所有检测点的沉降差都小于标准值。从统计学的观点考虑，碾压前后的沉降差数据应服从正态分布，对碾压4遍后48个沉降差观测数据进行分析，样本的平均值μ=3.234，样本的标准方差σ=0.878，单个值的单侧波动区间为μ+2σ=4.99，拟定沉降差标准值为5mm。假设检验是数理统计学中根据一定假设条件由样本推断总体的一种方法，基于统计学中的2σ未知时的显著性假设检验模型，可作假设H0：μ>μ0，H1：μ≤μ0，显著性水平α=0.05，引进统计量T：

（1）

式中： 为样本均值；μ为总体均值；μ0为沉降差检测标准值；S为样本标准差；n为样本数。

H0的拒绝域为T≤?tα（n-1），其中tα（n-1）为自由度为n?1的t分布的上侧α分位点，由α=0.05及自由度n?1=47查表得tα（n-1） =t0.05（47）=1.6779，由样本数据得 =3. 234，