高速公路土石混填路堤现场压实试验研究

第39卷，第2期公路工程Vo1．39，No．22014年4月HighwayEngineeringApr．，2014高速公路土石混填路堤现场压实试验研究胡其志，袁海峰，潘诚文，徐学文(1．湖北工业大学，湖北武汉430068；2．湖北省路桥集团有限公司，湖北武汉430056)[摘要】结合某高速公路工程，对土石混填路堤展开现场压实试验，研究在不同碾压遍数和不同填铺厚度下土石混填路堤的竖向沉降、水平位移、基底竖向应力等的变化规律。结果认为：路堤的累积沉降量随碾压遍数的增加表现出先呈快速增长后逐渐稳定的特征，并且在相同铺填厚度下的差异沉降量随碾压遍数的增加而逐渐减小；水平位移和基底竖向应力也表现出与累积沉降量相似的变化规律，但水平位移量明显比沉降量小很多。通过对试验结果的分析，获得了最佳松铺厚度、碾压遍数等压实工艺参数，为该高速公路路堤施工提供了合理的指导。[关键词】土石混填路堤；现场试验；现场监测；压实质量[中图分类号]u4l6．03[文献标识码]A[文章编号]1674～0610(2014)02—0045—04StudyonFieldCompactionTestofExpresswayEmbankmentFilledWithEarth．R0ckMixturesHUQizhi，YUANHaifeng，PANChengwen，XUXuewen(1．HubeiUniversityofTechnology，Wuhan，Hubei430068，China；2．HubeiRoad＆BridgeCon—structionGroupCorporation，Wuhan，Hubei430056，China)[Abstract]Basedonaexpresswayengineering，carryoutafieldcompactiontesttotheembankmentfilledwithearth—rockmixtures，researchthevariationabouttheverticalsettlement，thehorizontaldisplace-ment，thebasalverticalstress，andthedegreeofcompactionunderthedifferentcompactionstimesanddifferentpavedthickness．Theresultsindicatethatwiththeincreaseofcompactionstimes,thecumulativesettlementoftheembankmentshowarapidgrowthinfirstandthengraduallystabilizedcharacteristics，andunderthesamepavedthickness，thediferencesettlementdecreasegraduallywiththeincreaseofcompactiontimes；Thehorizontaldisplacementandbasalverticalstressalsoshowthesamechangeruleasthecumulativesettlement，butthehorizontaldisplacementisobviouslymuchsmallerthanthesettle-ment．Accordingtotheanalysisofthetestresults，obtainedthecompactionparameters，suchasbestfill—ingthickness，compactiontimesandSOon．TheparametersprovidesareasonableguidetOtheconstrue-tionforthehighwayembankment．[Keywords]embankmentfilledwithearth-rockmixtures；fieldtest；fieldmonitoring；compactionquality堤存在一些问题，比如实际工程中所使用的土石填1概述料经常出现组成复杂，含石量大、含水量不均匀、级随着我国公路交通网的不断发展，高速公路的配不良等缺点，不仅给施工造成了极大的困难，而且建设也逐渐向山岭丘陵地区延伸，作为山岭丘陵地影响了路堤的压实效果，甚至造成不均匀沉降、塌陷区修建高速公路的主要路堤填筑模式，土石混填路等工程事故发生，因此根据实际条件选取合适堤以其取料方便、抗剪强度高、压缩性小、承载力高的施工工艺参数，并对土石混填路堤的压实质量进等优点⋯，在我国高速公路建设中已得到了广泛的行合理的评价显得尤为重要。国内外许多学者分别应用。但是在施工过程中，人们也发现土石混填路从理论分析、室内试验引、现场试验‘等[收稿日期】2013—06—04【基金项目】湖北省教育厅重点项目(D201l1406)【作者简介】胡其志(1969一)，男，湖北红安人，博士、教授。主要从事路基工程、环境岩土工程等方面的教学及科研工作。 公路工程39卷角度对土石混填路堤的施工工艺参数、压实质量影响因素和压实质量评价指标等方面展开了研究，但、由于试验的条件和控制的变量等都不尽相同，因此咖缸关于土石混填路堤的研究尚没有形成系统，有关土封蛊石混填路堤的研究还待进一步加深。论文以某高速公路工程为依托，开展土石混填垛H’路堤现场压实试验，在3种不同填铺厚度的土石混÷填路堤上设置3个监测断面，通过对压实前后各监测断面沉降量、水平位移量、基底竖向应力的变化情况来反映路堤的压实效果，探讨含水量、铺填厚度以图1试验用土石混合料的级配曲线Figure1Gradingcni-veoftrialearth—rockmixture及碾压遍数等因素对压实效果的影响，分析各监测变量在压实过程中的变化规律，并通过试验结果建为8．2％，最大干密度为2．16g／cm。立了一组适合于该工程的施工工艺参数，为该路堤2．3试验方案工程施工提供合理的指导。在进行试验前，需要对路基原地面进行场地清理、排除积水、填平夯实等处理，以确保路基具有足2现场试验概况够的强度和压实度，以免对后续填筑试验产生影响。2．1试验段工程概况另外，由于试验所用的土石混合料不可避免的存在现场压实试验选取某高速公路桩号为K8+400一些大粒径的石块，为了满足填石料不宜大于填铺～K8+∞70∞0舳的路∞段如为柏试如验加段m，O该●路段路堤的最大填厚度2／3的要求，需要对大粒径石块进行二次破碎筑高度为7m，设计路基宽度为26m，路基边坡为或剔除处理，在获得级配满足要求的土石混合料后，1：1．5。由该高速公路地质勘察报告可以看出，该还要采取晾晒的方法使其含水量接近最佳含水量。地层覆盖层主要为第四系全新统冲洪积粘土、淤泥；本次现场试验分别在K8+400～K8+500、K8下伏基岩为白垩一第三系砾岩和砂岩，呈中风化状。+500～K8+600、K8+600～K8+700路段铺设厚针对该试验段的地质情况，采取水泥粉喷桩联合土度分别为40、60、80cm的土石混合料，并采用工格栅的方法对该路段的软土路基进行了处理。YZJ16型振动压路机对各个厚度的土石混合料分别2．2试验用土石混合料的基本物理性质碾压1O遍，碾压时先静压一遍，然后再采取振动碾路堤填料采用由附近山体开挖获得的土石混合压的方式，碾压速度控制在3km／h左右。料，该填料主要以强风化的碎石土、中风化的粉砂为了准确反映不同铺设厚度和不同碾压遍数对岩、砂砾岩和弱风化的砾岩组成。为了对该土石混各试验段压实效果的影响，分别在不同铺填厚度试合料的基本物理性质有一个比较全面的了解，通过验段上将K8+450、K8+550、K8+6503个断面设现场取样分别进行了基本物性试验和颗分试验，基置为监测断面，并在每个监测断面上布置沉降观测本物理性质见表1，筛分试验结果见图1。点、位移边桩以及土压力盒等对碾压过程进行跟踪表l试验用土石混合料的基本物理性质参数表监测，各监测断面测点布置见图2。通过在各监测Table1Physicalcharacterindieeoftrialearth·rockmixture断面上埋设的观测点及测试元件监测路堤沉降量、坡脚水平位移量及基底竖向应力的变化，再根据桩从表l可以看出：该土石混合料粒径分布均同时满足C>5，l≤C≤3的条件。从图1可以看出，各个级别的粒径分布连续，粒径级配曲线过渡平滑。综合来说用于该试验段的土石混合料级配良好。另外，还对用于本试验的土石混合料进行了击图2各监测断面观测点及测试元件布置图Figure2Themonitoringsectionobservationpointandtestele·实试验。通过计算不同含水量下土石混合料击实试mentlayoutdiagram验后的干密度，得出了该土石混合料的最佳含水量 第2期胡其志，等：高速公路土石混填路堤现场压实试验研究47各指标的变化情况反映土石混填路堤的压实效果。系。其中K8+450监测断面在碾压6遍前沉降量本试验的监测频率为每碾压一遍即对各监测指的平均增长速率为目7g．、2咖9世ra蜉m／酶遍，K8+550监测断面目g、咖逝赔《m加∞∞∞∞舳加掩H8标量测一次，其中路堤沉降量采用布置在路堤表面在碾压7遍前沉降量的平均增长速率为8．04mm／的观测点高程差值获得，其他监测指标可以根据读遍，K8+650监测断面在碾压8遍前沉降量的平均数直接得出。增长速率为8．35mm／遍。从各监测断面的沉降变化速率可以看出铺填厚度越大，土石混填路堤的沉3试验结果及分析降发展越快，并且需要达到稳定的碾压遍数也越大；3．1沉降及分级沉降第二阶段为逐渐稳定阶段，即随着碾压遍数的增加将各沉降观测点相邻两次碾压前后观测到的高沉降量变化很小，并逐渐趋于稳定，而且铺填厚度越程进行相减可以计算出每次碾压造成的土石混填路大，最终累积沉降量也越大。堤的分级沉降量，将分级沉降量进行累加就可以得②从图4可以看出K8+450监测断面在碾压出各观测点的累积沉降量，为了研究不同铺填厚度遍数超过6遍时，分级沉降量就没有超过1nlm，K8和不同碾压遍数下土石混填路堤的沉降规律，将各+550监测断面在碾压遍数超过7遍时，分级沉降监测断面上3个控制点的分级沉降量和累积沉降量量就没有超过2mm，K8+650监测断面在碾压遍数取平均值，并绘制了各监测断面的累积沉降量和各超过7遍时，分级沉降量的也没有超过2mm。这说监测断面的分级沉降量随碾压遍数的变化曲线，分明随着碾压遍数的增加，不同铺填厚度下的土石混别如图3、图4所示。填路堤的分级沉降量均逐渐减小，并且当沉降达稳碾压遍数／遍定时，分级沉降量的变化也都稳定在一定范围内变0123456789l011化，并有最终向0mm发展的趋势。③另外，从当碾压遍数为7遍时K8+450监测断面的分级沉降量为0．64mm，K8+550和K8+650的分级沉降量都是2mm，由此可以看出，虽然分级沉降量总体来说随铺填厚度的增大而增大，但是两者并非完全成正比。为了研究同一横断面不同位置的土石混填路堤图3不同铺填厚度下碾压遍数与累积沉降量关系曲线差异沉降的变化规律，取K8+550监测断面进行分Figure3Relationbetweencompactiontimesandcumulative析，图5为K8+550监测断面不同位置处各点的差settlementunderdifferentthicknessfills异沉降变化曲线。由图5可以看出在碾压遍数较小的情况下，路堤中心的沉降明显大于路堤两侧的沉降，且左右两侧的沉降较为接近，其中两侧与路堤中心差异沉降最大达12mm，但随着碾压遍数的增加，同一横断面上各点的沉降差异逐渐减小，直至最终各点沉降量基本趋于一致。造成上述现象的原因可第1遍碾压逼散／遇第2遍宣第3遍图4不同铺填厚度下碾压遍数与分级沉降量关系曲线昌第4遍、第5遍Figure4Relationbetweencompactiontimesandclassification嘲第6遍settlementunderdifferentthicknessfills逝第7遍第8遍由图3、图4可以看出：蹦}第9遍第l0避①各监测断面的沉降量随碾压遍数的变化大概可以分为2个阶段：第一阶段为快速增长阶段，图5K8+550监测断面差异沉降变化曲线即沉降量随碾压遍数的增加基本呈线性增长，随铺Figure5ThecurveofK8+550monitoringsectiondifferential填厚度的增加也逐渐增加，但并不呈明显的线性关settlement 48公路工程39卷能是由于在碾压的初始阶段，土石混合料内部结构的不均匀性易造成其内部瘟力在传递的过程中不仅有竖向传递而且还有横向扩散，受横向扩散作用的影响，应力在同一横截面上传递的过程中逐渐减弱，造成距路堤中心越远受到的竖向应力越小，因此沉降量也就越小。但是随着碾压遍数的增加，土石混合料的密实度逐渐增大，其内部结构不均匀性也逐渐减小，使同一横截面各点所受的竖向应力大小基本一致，因此各点的沉降也就逐渐趋于一致。图7不同铺填厚度下碾压遍数与竖向应力关系曲线3．2水平位移Figure7Relationbetweencompactiontimesandthevegical为了研究土石混填路堤在压实过程中水平位移stressunderdifferentthicknessfills的发展规律，将不同铺填厚度下3个监测断面的水就基本达到稳定，K8+550监测断面的竖向应力碾平位移量随碾压遍数的变化关系用图6所示曲线反压7遍时基本达到稳定，而K8+650监测断面的竖映出来。向应力碾压8遍时才基本达到稳定，这说明随着铺填厚度的增加，土石混填路堤达到稳定所需的外力越大。这是因为铺填厚度越小，土石混填路堤的空隙率越小，在外力作用下越易压实。反之，铺填厚度Bd厦瑚"n¨987643越大，空隙率也就越大，土石混合料之间越易形成架空结构，压实也就越困难，所需碾压遍数也就越大。4结论①通过对现场压实试验的结果分析可以得出，慑盐遏效／遏在采用16t振动压路机碾压的条件下，适合于本工图6不同铺填厚度下碾压遍数与水平位移量关系曲线程的施工工艺参数为：最佳含水量8．2％、铺填厚度Figure6Relationbetweencompactiontimesandthehorizon—taldisplacementunderdifferentthicknessfills60cm、7～8遍碾压。②土石混填路堤的累积沉降量随着碾压遍数由图6可以看出：水平位移的发展规律与累积的增加呈先基本线性增加而后逐渐趋于稳定的趋沉降量的发展规律基本相同，即路堤的水平位移量势，随铺填厚度的增加而增加；分级沉降量随碾压遍随着铺填厚度的增加而增加，随着碾压遍数的增加数的增加呈逐渐减小直至最终趋于0的趋势；并且呈先增加后逐渐趋于稳定的趋势，水平位移的发生铺填厚度越大，分级沉降量也越大，但两者之问并非可能也是由于应力横向扩散作用造成土石混填路堤完全成正比。的侧向变形而引起的。但是相比竖向沉降，土石混③随着碾压遍数的增加，土石混合料级配越来填路堤的水平位移量很小，其中水平位移量最大的越好，内部空隙率也逐渐减小，使同一截面上各点的K8+650监测断面也只有11．92trim。这说明了土受力状态逐渐趋于均匀，各点的不均匀沉降也随之石混填路堤不仅具有良好的稳定性，而且具有良好逐渐减小。另外在土石混合料被压实的过程中，应的自立性。力的横向扩散作用逐渐减弱，水平位移量也会逐渐3．3基底竖向应力减小，这说明了土石混填路堤具有良好的稳定性和为了研究不同铺填厚度下碾压遍数与竖向应力自立性。的关系，将埋设于各监测断面路堤基底的土压力盒④土石混填路堤的基底竖向应力也随着碾压测得的竖向应力随碾压遍数的变化规律用图7所示遍数的增加呈先不断增加而后逐渐趋于稳定的规曲线反映出来。律。并且铺填厚度越大，土石混填路堤达稳定状态由图7可看出：3个监测断面的竖向应力随碾所需的碾压遍数就越多。压遍数的增加都经历了从逐渐增大至逐步稳定的过(下转第53页)程，其中K8+450监测断面的竖向应力碾压6遍时 第2期周奇，等：峡谷底斜拉桥抗风性能改善试验研究53大跨度桥梁有必要考察比《规范》建议的更大风攻角范围内颤振稳定性。③进行峡谷底大跨度桥梁颤振稳定性能改善措施研究时，应考虑斜风的不利影响，尽可能选取对颤振临界风速提高较多的气动措施，保证大桥有足够的颤振稳定性安全储备。④采用颤振性能改善措施后，必须进行涡振性风速／(m‘s)能检验，以避免气动措施对涡振产生不利影响。图5施工状态扭转涡振振幅根方差一风速曲线Figure5To~ionalVIVRMSVS．windspeedforbridgecon-[参考文献]structionperiod[1]RaupaehMR，FinninganJJ．Theinfluenceoftopographyon在日常生活常遇风速范围内，发生概率较大且对行meteorologicalvariablesandsurface—atmosphereinteraction车舒适度和桥梁疲劳有影响。然而，施加风嘴后各[J]．JournalofHydrology，1997：182—213．种状态下均未发生明显的涡激共振现象。综上所[2]MillerCA，DavenportAG．Guidelinesforthecalculationofwindspeed—upsincomplexterrain[J]．JournalofWindEn—述，施加风嘴后不但明显提高了原方案断面的颤振gineefingandIndustrialAerodynamics，1998：189—197．临界风速，确保了足够的颤振稳定性安全储备，同时[3]CarpenterP，LockeN．Investigationofwindspeedsovermul·还改善了原方案断面的涡激共振性能。tipletwo—dimensionalhills[J]．JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics，1999：109—120．5结语[4]JTG／TD60一Ol一2004，公路桥梁抗风设计规范[S]．通过节段模型测振试验对某典型峡谷底大跨度[5]郭震山，朱乐东．迫龙沟大桥抗风性能研究(一)地形模型桥址风参数研究[Z]．2013，04．桥梁的颤振性能和涡振性能进行了检验，并通过试[6]宋锦忠，林志兴，徐建英．桥梁抗风气动措施的研究及应用验方法进行了颤振稳定性能改善气动措施选取以及[J]．同济大学学报(自然科学版)，2002，30(05)：618—621．颤振性能改善后涡振性能的检验，得到的主要结论[7]张伟，葛耀君．导流板对大跨桥梁风振响应影响的流场机理如下：[J]．中国公路学报，2009，22(O3)：52—57．①峡谷底大跨度桥梁的设计基准高度可参照[8]孟晓亮，郭震山．风嘴角度对封闭和半封闭箱梁涡振及颤振性能的影响[J]．工程力学，201l，28(s1)：184—189．桥面高度确定，但考虑峡谷地形复杂性，有必要进行[9]ZhuL．D．，Buffetingresponseoflongspancable～supported地形风洞试验确定桥位处风攻角和风偏角的大小。bridgesunderskewwinds[Z]．HongKong，China：TheHong②迫龙沟大桥颤振试验表明，在风攻角一3。≤KongPolytechnicUniversity，2002．o／≤3。范围内的颤振稳定性满足要求，但5。风攻角[1O]朱乐东．桥梁涡激共振试验节段模型质量系统模拟与振幅修下颤振稳定性不满足要求。由此可见，对于峡谷底正方法[J]．工程力学，2005，22(5)：204—208，176．(上接第48页)InternationalJournalofRockMechaniesandMiningScience，1985，22(6)：182—189．[参考文献][7]李广信．堆石料的湿化试验和数学模型[J]．岩土工程学报，[1]高春玉．土石混合料路用性能的实验研究[D]．成都：四JIl大1990，12(5)：198—205．学，2004．[8]孔祥臣，王加龙，刘晓佳．土石混合料振动击实特性实验研究[2]肖泽林．常张高速公路土石混填路基压实特性研究[J]．公路[J]．地下空间与工程学报，2007，3(1)：55—61．工程，2011，36(6)：67—69．[9]周敢．土石混合料现场直剪试验研究[J]．中外公路，2011，31[3]柴贺军，陈谦应，孔祥臣，等．土石混填路基修筑技术研究综述(5)：235—239．[J]．岩土力学，2004，25(6)：1005—1010．[10]TORREYVH，DONAGHERT．Compactioncontrolofearth-[4]刘丽萍，折学森．土石混合料压实特性实验研究[J]．岩石力学rockmixtures：anewapproach[J]．ASTMgeoteehniealtes-与工程学报，2006，25(1)：206—210．ringjournal，1994，17(3)：371—386．[5]刘丽萍，王东耀．土石混合料压实质量控制方法[J]．长安大学[11]秦尚林，陈善雄，宋焕宇．巨粒土高填路堤现场填筑试验研究学报(自然科学版)。2006，26(1)：35—37．[J]．岩石力学与工程学报。2008，27(10)：2101—2107．[6]T．Schlege1．ApplicationofaHewsubgrademodulustheoryto[I2】刘保林．西汉高速公路土石混填路基施工控制技术研究calculationforflexiblefoundationsingranularmaterials【J]．[D]．西安：长安大学，2007．