大厚度粗粒土路基智能压实质量控制标准研究_张荣华.pdf

书书书公路 年月第期 基金项目：国家自然科学基金项目，项目编号 ；山东省自然科学基金项目，项目编号 、；交通运输行业重点科技项目，项目编号 、；山东大学青年学者未来计划科研基金项目收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：大厚度粗粒土路基智能压实质量控制标准研究张荣华，王育杰，蔺伟，韩沛，矫芳芳，王新宇，蒋红光（山东高速济青中线有限公司潍坊市 ；山东大学齐鲁交通学院济南市 ；山东高速工程检测有限公司济南市 ）摘要：基于松铺厚度为 粗粒土路基的现场试验，研究大厚度粗粒土路基压实质量控制标准。优化大灌砂筒分层检测方法，揭示大厚度压实工艺下的压实度沿深度分布规律；通过粗粒土路基压实过程动态变形模量和弯沉的高密度检测，对其作为路基压实质量控制指标做出评价，优化大厚度粗粒土路基压实质量检测方法；分析连续压实指标与传统压实指标的关联性，验证作为大厚度粗粒土路基智能压实控制值的可行性，给出作为止碾标准的推荐值为；优化大厚度粗粒土路基压实工艺，提出松铺厚度为 粗粒土路基“静压遍 振动碾压遍 振动碾压 静压”的推荐工艺组合。关键词：道路工程；高速公路路基；粗粒土；压实质量控制；智能压实；压实密度值（）公路路基因承受上部结构与车辆的荷载，对强度和稳定性要求较高，碾压施工需保证路基具有足够的压实度和变形模量。在我国，公路路基每层填筑的松铺厚度一般不超过 ，压路机的工作质量一般不超过，这限制了公路路基的施工效率，严重制约工程进度。实际上，随着大吨位压实机械（以上）和智能压实控制技术的普及，提高路基压实厚度并实现智能压实控制具有重要的现实意义。关于大厚度路基施工技术的研究主要集中在压实机械与施工工艺两方面，通过采用较大的激振力或一定的激振频率来实现路基压实度的快速提升。等提出，以液压锤作为夯实机械的快速夯实法（）可以显著提高 深度内松散砂土的强度。等认为快速夯实法（）可以有效增强 深度内砂土的性能。然而，工法仍存在施工效率低、操作点离散等缺陷。为克服这一问题，冲击碾压技术在公路路基加固施工中成功应用。等研究了冲击压路机的压实过程，建议将沉降量作为评价压实质量的有效指标。等利用有限元模型进行数值模拟，提出路基压实施工工艺组合，指出 深度范围内应采用钢轮压路机。因而，为进一步克服冲击碾压浅层压实均匀性差的问题，大吨位振动压路机在路基压实施工中得到广泛应用。等给出 压路机应用于填石路基的施工工艺，指出该型压路机在 深度内可实现有效压实。等考虑到振动压路机与土体的耦合作用，认为振动压路机的影响深度受土体刚度的影响。等进行了物理模型试验，证明当振动频率等于土体的共振频率时压实效率可以提高 左右。李军等 指出土壤固有频率随土壤密实度增大而增大，且固有频率与密实度间存在指数函数关系。张照龙等 通过现场试验，论证 振动压路机在黄土填料路基的应用，提出利用 压路机可保证松铺厚度为 的黄土路基压实质量达到设计及规范要求。金书滨等 依据应力波在竖向的衰减规律，得出大吨位压路机碾压动应力值的衰减函数。王剑英等 利用“黄土振动压路机”振动系统模型分析系统的振动响应，确定振动压路机碾压黄土时的振动规律，并给出不同松铺厚度时达到施工要求的振动碾压遍数推荐值及黄土路基大吨位压实工艺控制参数。对于路基压实质量的快速检测评价，主要有两个方面指标，一是土体的物理状态指标（压实度等）；二是土体的力学状态指标（动态变形模量等）。等 考虑土体的基本物理性质，研究液塑限、含水率和最大干密度之间关系，为现场压实质量控制和施工方案设计提供参考。房建果等 提出利用回归分析建立回归方程确定弯沉检测指标的方法。韩光男等 提出利用高密度电阻率法评价填方路基压实质量的方法，检测深度达到 。王龙等 采用 快速检测与评价碎石土路基压实均匀性，并给出相应评价指标。张荣等 将 公路路基施工技术规范（）中给出的压实标准（压实孔隙率）通过试验转化为利于实际测量操作的压实沉降差指标，以提高公路路基施工检测效率。此外，等 论证土壤刚度也可以作为有效的压实质量评价指标。然而，公 路 路 基 路 面 现 场 测 试 规 程（）规定，灌砂法适用的路基测试层厚度不应大于 。因此，需要找到一种与大厚度填筑相匹配的快速、准确、分层的路基压实状态检测方法。现阶段关于优化大吨位压路机现场施工技术的研究较少，能够有效支撑压实度与施工工艺关联性的现场试验数据相对匮乏。因此，本文针对松铺厚度为 的粗粒土路基，开展了现场大吨位压实试验，比较了采用两种不同施工方案的试验路段，优化了压实工艺和压实质量检测方法；通过多项指标（包括土压力、压实度、动态变形模量、弯沉、压实密度值等）对压实质量进行评价，提出了大厚度路基智能压实的质量控制指标。路基填料及试验方案 路基填料试验所用土样取自济青中线潍青段。本标段全长 ，设计时速为 。对所取土样进行筛分试验，得到筛分曲线如图所示。其中，小于 的颗粒的通过率为 ，小于的颗粒的通过率为 。根据 公路土工试验规程（），该 路 基 土 为 粗 砂 砾 石（）。根 据 公 路 土 工 试 验 规 程（）要求，在室内利用相似模比法获得土样的最大干密度为 。现场试验方案试验 路桩号为 ，全 长 ，宽。现场试验选择两种型号的振动压路机进行施工工艺组合。其中，采用单光轮振动压路机（中大 ）进行振动碾压，其激振频率选择图颗粒级配曲线 、和 ，相 应 的 激 振 力 分 别 为 、和 。为避免破坏路基表层，采用轻型压路机（徐工 ）进行静压施工。两种压路机的主要参数如表所示。表压路机主要参数参数中大 徐工 工作质量 激振频率 振幅 激振力 轴距 施工过程主要包括个步骤：填料运输、上料、平整、压实、刮平、静压。填筑前，在路基两侧每隔 插入一定长度的钢筋以便于控制松铺厚度为 。试验路段由横截面的中线分为两个部分：和 。压实过程中，每一次碾压代表“往返”两次压实，每两条相邻的压实条带重叠振动轮宽度一半以上。表给出了试验路段两部分不同的工艺组合，试验区域 采用“静压、振动碾 压、振 动 碾 压、振 动 碾 压、振动碾压、振动碾压、静压”的工艺组 合，试 验区 域 采用“静压、振动碾压、振动碾压、振动碾压、振动碾压、振动碾压、静压”的工艺组合，以比较和优化施工技术。其中，第遍碾压后为保证压实质量和优化工艺效果，试验区域第遍采用 振动碾压。碾压过程中，同步采集路基内部动土压力和碾压轮振动加速度。碾压过后进行压实质量检测，包括压实度（）、动态变形模量（）、弯沉（）和压实密度值（）。公路 年第期 年第期张荣华等：大厚度粗粒土路基智能压实质量控制标准研究表试验路段工艺组合试验区域下列碾压遍数时工艺参数 静压 刮平 静压 静压 刮平 静压 室内标定试验为测量竖向土压力，在路基的不同深度埋设了动态土压力传感器。土压力传感器预先通过压力机和标准砂（）进行标定，包括次完整的加载卸载过程，结果如图所示。由于传感器与介质之间接触面逐渐硬化，第一个周期的滞回曲线明显偏离后次，因此选取后个加载周期的荷载数据进行线性拟合，以进一步计算土压力。图土压力传感器标定结果为确定不同下落高度时标定罐中标准砂的密度，在室内进行了不同落距的相关标定试验。每次试验前将干燥标准砂（）提升至相同的预设高度，使其自由下落填充试筒，以此计算当前下落高度时标准砂的密度。标定结果如图所示。标准砂密度可通过以下拟合公式计算：（）图标准砂标定试验结果式中：为试验坑的深度，；为深度时标准砂的密度，。现场试验结果及分析 土压力试验区域 、中各埋设层土压力传感器，埋设 深 度 距 离 碾 压 面 分 别 为 、。埋设过程中，采用室内标定试验相同的标准砂（），以保持应变介质的一致性。传感器及其数据线埋设后，在路基表面标记应力测量区域，其宽度与压路机的振动轮等宽，从而引导压路机 振 动 轮 中 心 通 过 上 述 传 感 器。采 样 频 率 为 ，保证每个周期的振动波形状被完整采集。为了消除数据采集仪交流频率对压力数据的影响，首先进行低通滤波，取截止频率为 。对原始土压力数据进行低通滤波处理后，按照室内压力标定系数计算实际的土压力。图为典型土压力时程曲线。随着压路机靠近，土压力以固定频率波动增长，该频率等于压路机的激振频率。当振动轮和后轴依次到达其正上方时，取最大峰值计算该碾压遍数下的最大竖向土压力。以距离碾压面 处的动土压力为例，对于试验区域 ，碾压激振力从第一遍 静压提高到第二、三遍 振动压实时动土压力从 增大至 、，随后第四、五、六遍 振动压实时动土压力降低为 、，最后一遍 静压收面时动土压力为 。对于试验区域 ，碾压激振力从第一遍 静压提高到第二、三遍 振动压实时动土压力从 增大 至 、，随 后 第 四、五 遍 振 动 压实 时动土压力降低为 、，第六遍 振动压实时动土压力提高至 ，最后一遍 静压收面时动土压力为 。可见，除了碾压吨位影响土压力的大小外，同等碾压吨位下的碾压遍数也会导致动土压力的变化。路基其他深度处的动土压力也呈现出类似的规律。另外，动土压力在靠近路基表面的浅层区域迅速衰减，在前厚度范围内衰减 以上。随着深度的增加，竖向应力值逐渐收敛。图土压力时程曲线 压实度试验采用灌砂法分层检测最上层（范围）、中间层（范围）、最下层（范围）路基压实度，通过分层开挖、填砂、清孔等步骤，根据室内标定试验，计算得到路基各层压实度。计算公式如下式所示：，（，）（）式中：为第层土体质量，；，为第层填充的标准砂质量，；，为第层对应室内标定试验标准砂的密度，；，为土体最大干密度；取，。图为压实度随碾压遍数增加的试验结果。对于试验区域 ，第遍碾压后的最上层（公路 年第期 年第期张荣华等：大厚度粗粒土路基智能压实质量控制标准研究范围）、中间层（范围）和最下层（范 围）压 实 度 分 别 为 、和 ，最 终 分 别 达 到 、和 。对于试验区域 ，最终压实度分别达到 、和 。两个试验区域均达到设计规范不低于 压实度的要求。图压实度试验结果对于试验区域 ，各遍碾压后层压实度自高而低顺序均为中间层、最上层、最下层，中间层与最下层的差值在第遍碾压后达到最大值 ，随后逐渐减小至最终值 。各层压实度均随碾压遍数增加而增加，同时增量随碾压遍数增加而减少。对于试验区域 ，最上层压实度在第遍碾压后基本未增加，最下层压实度大幅增加且超过最上层。该现象可解释为第遍采用 高激振力，对底层压实度提升效果显著，但对表层土体会造成剪切破坏，致使最上层压实度未能提升。除此之外，各层压实度呈现与 相同的规律。可见，两种工艺组合全深度路基压实度均能满足要求。考虑到施工能耗，推荐试验路段 “静压、振动碾压、振动碾压、振动碾压、振动碾压、振动碾压、静压”的工艺组合。如果是按照上路堤不低于 压实度的要求，则推荐试验路段 “静压、振动碾压、振动碾压、振动碾压、振动碾压、振动碾压、静压”的工艺组合。动态变形模量、弯沉为确定大厚度路基智能压实的质量控制指标，引入铁路路基施工检测采用的动态变形模量（）指标，依据 高速铁路路基工程施工技术规程（）进行相关测试及数据处理。沿路基每 选取动态变形模量测点，均位于两试验区域的中线处，试验结果如图所示。试验区域 在第遍碾压后动态变形模量为 ，最终达到 。试验区域 在第遍碾压后动态变形模量为 ，最终达到 。两个试验区域均达到 的设计要求。对于试验区域 ，在第遍 振动碾压后动态变形模量增幅明显降低，并在第遍静压后恢复增速，可解释为强振对路基表面的剪切破坏，与图中的最上层压实度变化规律相符。在现场试验时，采用落锤式弯沉仪（）进行弯沉检测，并按照 公路路基路面现场测试规程（）进行数据处理，结果如图所示。对于试验区域 ，第遍 碾 压 后 弯 沉 为 （），最 终 达 到 （）。对于试验区域 ，第遍碾压后弯沉为 （），最终达到 （）。二者均满足 （）的设计要求，且随碾压遍数增加弯沉降低。图动态变形模量试验结果图、图分别为动态变形模量（）、弯沉（）与压实度（）的关联性分析结果。其是将每遍碾压过后各层压实度的平均值作为参考指标，分别将动态变形模量和弯沉值的实测点作为关联指标。可见，动态变形模量、弯沉值与压实度的线性拟合优度分别