公路填石路堤的压实

杨世基1，郝中海1，吴立坚1，王亚军2

[align=center](1、交通部公路科学研究所　北京　100088；2、内蒙古交通设计研究院，内蒙古　呼和浩特　010010)

提 要：通过调查分析公路填石路堤的变形原因，结合试验路堤修筑，增加碾压功能，提高路基密度，采用冲击压实技术，改进压实工艺。提出的压实标准和检测方法，对保证修建公路工程质量有重要意义。
& O. m0 m5 z0 I关键词：填石路堤；冲击压实机；压实+ p4 `) ^9 w$ P$ f% S
Improvement on Compaction Techniques of Highway Stone Fill Embankment. f F. Y! O6 f) n8 ~
YANG Shiji
[(Research Institute of Highway,Beijing 100088,**)* X# X" G, b, m1 W* o
Abstract:The improvement of Compaction technology was carried out by investigating and anlysing the deformation reason of highway stone fill embankment,combined with increasing the rolling energy,raising the subgrade density, and using the impact compaction and test methods are significant for quality guarantee of highway engineering.0 @$ G+ l5 O+ N* I% r% `; L
Keywords: Stone fill embankment;Impact compactor;Compaction
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[b]概述[/b]　　　我国的公路国道主干线建设中，有许多路段通过丘陵、山区的石方或洪积土地带，路基修筑需要使用碎石(砾石)、块石(漂石)作为填方材料。解决好填石路堤的压实标准、质量控制和施工检测，是当前高速公路建设工程的重要课题。
! X" K/ c’ i1 L" o　　当填方路基的粒径大于2ｍｍ的颗粒含量大于70%，粒径<0.074ｍｍ的颗粒含量小于15%时，统称为石质路堤，其中5ｍｍ以上中砾(石屑)含量大于50%，>60ｍｍ及<0.074ｍｍ的含量分别小于15%时，称为砾石(碎石)路堤；60ｍｍ以上卵石(小块石)含量大于50%，>300ｍｍ及<0.074ｍｍ的含量分别小于15%时，称为漂石(块石)路堤。’ |# ?% Y) J5 h8 l5 m- ?
　　公路建设的长期实践证明，必须要求路基密实、均匀、稳定，才能保证路面处于良好的服务水平。填石路基要做到密实、均匀、稳定，难度很大。如石料缺乏良好级配不易碾压密实，而在地形复杂的斜坡沟谷地带，填石路基同一断面上填筑高度差较大，基底工作面不易形成而使填筑层过厚，大块石之间不易嵌锁紧密，使得块石间点面接触较多而容易松动等。本文在分析填石路堤产生变形原因的基础上，改进压实工艺，增加碾压功能，提高压实度，采用高能量冲击压实机碾压路基，能有效地提高路基整体强度，解决填石路堤的工后差异沉降问题。
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填石路堤差异沉降的原因分析5 H9 Y: |8 q9 t" U
　　调查发现，已建成的河北某高速公路、山西某高速公路的填石路堤均存在路面纵向裂缝，重者发生路面错台，轻的沿路线方向分布连续裂纹、裂缝，需要重新修复或处理。综合分析路基沉降变形的原因如下。- M5 D ~ D" r9 S+ L7 j8 j

1 现行规范要求填石路堤使用的压路机吨位较低，振动压实未能使石块之间嵌锁密实，路堤并未处于弹性状态，在填石路堤自重与外荷载作用下，还会产生残余变形。通过室内及现场土质路堤沉降量试验观测，压实路基在达到规范要求的压实度时，其工后沉降率为0.4%左右。当填方路堤大于6ｍ以上，压实不足或均匀性不好，碾压层厚度与填料不均匀，受填石自重压密变形时，形成拉伸与压缩应变区，均存在差异沉降，若两点的沉降量梯度大于0.6%以上时，有可能发生裂缝。; x; I, W7 D’ _

2 现行规范要求路基顶面150ｃｍ以下的压实度为90%，大于6ｍ以上的高路堤均会产生较大自重荷载，使填筑路堤压密沉降。如果将压实度由90%提高到93%，路堤在施工结束时，已经完成3.23%的工后沉降率，则6ｍ路堤在施工后已经完成工后沉降量19.4ｃｍ，发生路堤差异沉降的变形可能性减小。
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3 斜坡地形与半填半挖路基，在纵向与横向断面上即客观存在沉降的差异变形。同时沟谷或斜坡的底层基底难以压实，为形成压实层的工作面，经常增加底层的松铺厚度，使同一断面上密实度不均匀，造成差异变形沉降。
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4 对于填石路堤填料难免存在过大过多大于1/2～2/3层厚的石块，且级配不好，而振动压实的功能不足，形成较多石块的点线接触，不能使填石间达到紧密嵌挤咬合状态，易于产生不均匀沉降变形。$ o0 P- [8 Z0 v0 U6 p$ F* s
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填石路堤差异沉降的原因分析
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　　1 京沪高速公路山东泰安段碎石(煤矸石)路堤试验工程经过室内试验、现场实体工程施工测试，碎石压碎值为20%，ＣＢＲ=34%～56%，符合碎石填料要求。碎石路堤采用50ｔ振动压路机分层碾压，平均压实度 Ｋｈ=95.2%，Ｃｖ=0.023，平均代表弯沉值 ｌ0代=86.8(0.01ｍｍ)，按ＪＴＪ014 97沥青路面设计规范110页的公式Ｅ0=2430ｌ0 –0.7计算，平均代表回弹模量 Ｅ0代=106.8ＭＰａ，表明碎石路堤处于稳定高强状态。
　　2 碎石填料的粒径不同，其最大干密度也不同，应按>5ｍｍ碎石含量(ｘ)与最大干密度(ρｄ)关系式(ρｄ=0.029ｘ+1.8104，ｒ=0.94)确定。& h) c& `8 f& M, t1 `$ K3 ~$ `3 ~/ K
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　　3 使用ＢＺＪ-3Ａ表面波压实密度仪对最大粒径低于60ｍｍ的碎石路堤压实度检测，是一种快捷、适用，能满足高速公路压实度精度要求的检测方法。. }1 {8 m2 ]) }, @. X ~


块石路堤振动压实试验路的成果
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1 内蒙古结合110国道包头绕城线，选取有代表性路段进行了系统的室内与现场对比压实试验。块石填料为风化片麻岩，95%的石料粒径在40ｃｍ以下，抗压强度为51ＭＰａ，压碎值18%，路堤填高10ｍ。经19ｔ、28ｔ、50ｔ振动压路机的对比试验，以50ｔ振动压路机分层碾压6～8遍后，平均压实度 Ｋｈ=96%～97%，平均代表弯沉值 ｌ0代=59. 5(0.01ｍｍ)，平均代表回弹模量 Ｅ0代=139.1ＭＰａ，经6个月观测，路堤工后沉降量3ｍｍ，表明块石路堤处于稳定高强状态。’ P, o. b2 v3 H8 y
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2 通过对块石路堤的填料按原型料缩级配模拟进行室内振动击实试验，分析得出原型料的室内最大干密度。解决了对于填石路堤求压实度对比用的最大干密度值的室内试验方法和计算方法。( H4 L4 F9 K’ K e& ]

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3 检测方法可在施工过程中用表面标高点控制法，但在工程实施之前，应与灌砂法、灌水法相检验，以确定不同压路机碾压遍数的下沉量与对应的密实度的关系。路床顶面须用承载板法测定回弹模量或用弯沉仪、落锤式弯沉仪测定弯沉，检验路基整体强度。
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4 在施工现场使用压实计法，须确定压实计数值与现场密实度之间的相互关系，压实计能对碾压层进行快速检测，其精度尚待提高。
路基的冲击压实6 E’ ?, \& _9 |) [/ F
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冲击压实技术原理是将当前振动压实的高频率、低振幅改为高振幅、低频率，在压实作业中较大地增加了对土石方的压实功能，如25ＫＪ三边形冲击压实机的冲击功能较振动压实机增加10倍，压实影响深度达5ｍ，有效压实厚度由振动压实的0.20～0.30ｍ增加为1.00～1.50ｍ，且冲击压实机的碾压速度较振动压实机提高两倍。通过2年来在国内不同地区与不同土石方路基的试验工程实践中已经得到证实。冲击压实路基可以减少路基工后沉降，提高路基整体强度，延长路面服务期限。这对提高当前高速公路修建质量是有现实意义的。+ j- N* B1 J’ n

1 冲击压实减少路基工后沉降八达岭高速公路路基填料为风化花岗岩形成的含块石细粒土砂砾，路基填筑采用ｖｖ17040ｔ振动压路机分层(20ｃｍ一层)碾压；达到93%的压实标准，下路堤压实度90%，补压冲击碾压20遍，平均下沉量 Ｓ=5 4ｃｍ，计算有效压实深度1.5ｍ，压实度平均提高为95%。路基高度4.5ｍ，则冲击碾压完成沉降率为5. 4/450=1.2%。采用冲击碾压分层压实(压实厚度1.0ｍ一层)高填方路基高34ｍ，每层冲碾前10遍下沉量为5.5～8.5ｃｍ，11～20遍则下沉仅2.4～3.0ｃｍ，基本上与补压路基的11～20遍下沉量2.2ｃｍ相当。福建及湖南不同土石路基在原振动压实路基达到规定的路床压实度标准时，冲击碾补压20遍后，其下沉量为5～7ｃｍ范围内，有相当部分沉降量大于7ｃｍ，达8～12ｃｍ，则实测压实度均不符合标准。此外，对宣大高速公路湿陷性黄土按20ｃｍ一层振碾达到压实标准后，再用冲击压实机冲碾20遍，下沉量为3.9ｃｍ。填石路堤经50ｔ振动压实达到标准后，再冲击碾压20遍，将下沉4～5ｃｍ。当高填方路基用冲击压实机分层碾压每层20遍，其施工完成的沉降率可达4%～5%，可较好地解决高路堤的工后差异沉降问题。
2 冲击压实提高路基整体强度使用冲击压实机分层冲碾压实高路堤与补压振碾达标路床的工程，均较好地提高了路基整体强度。+ u& u( H- o; f( w, ^+ C8 ]/ Y

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云南临沧碎石路堤采用冲击压实施工，经灌砂法测定干密度，路床顶面下80ｃｍ内平均干密度 ρｄ=2.136ｇ/ｃｍ3，平均压实度 Ｋｈ=100 5%；80～150ｃｍ平均干密度 ρｄ=2 051ｇ/ｃｍ3，平均压实度 Ｋｈ=96 5%。则压实度较规定的标准提高3 5～5 5个百分点，在0～150ｃｍ内其完成的下沉量为80×(1-95/100 5)+70×(1-93/96 5)=4 38+2 54=6 92ｃｍ。. ^+ G! Q- ^* R# W( s
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八达岭花岗岩风化含块石细粒土砂砾路基，经过20遍冲击压实后，计算分析地表下1 5ｍ内，用落锤式弯沉仪(ＦＷＤ)检测，平均弹性模量值由冲碾前180ＭＰａ提高到228ＭＰａ。: [4 m+ v9 S# Y8 I9 n. x& F$ ?


福建泉州工地对路基冲击碾压补压20遍后，用黄河标准车测弯沉值，其补压前 ｌ0=220(0 01ｍｍ)，补压后 ｌ0=183(0 01ｍｍ)，按Ｅ0=2430 ｌ0-0.7式计算，冲击碾压前 Ｅ0=55 7ＭＰａ，补压后 Ｅ0=63 4ＭＰａ。
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湖南冲击压实试验段，用解放车测定冲击碾压20遍前后的弯沉值分别为141(0.01ｍｍ)与66(0.01ｍｍ)，折算为黄河标准车的弯沉值分别为218.8(0.01ｍｍ)与102.4(0.01ｍｍ)，按Ｅ0=2430 ｌ0-0.7式计算，平均 Ｅ0由冲碾前55.9ＭＰａ提高到95.1ＭＰａ。$ \( V9 b( `8 {; ]; f; ?, p3 ?1 _

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不同土石路基通过冲击补压20遍后，不但强度有所提高，而且使原来振动压实达到路床压实标准的路基下沉5～7ｃｍ，如果下沉量超过7ｃｍ，则原有压实度不足；同时冲碾20遍后，在1.5ｍ层厚范围内压实度均增加3～5个百分点，由于冲击碾是路床顶面上全面积的均匀冲碾压实，达到了全路基的直接检验与补充追加压实，在路床顶面以下1.5ｍ形成连续、均匀、密实的加固层，提高了路基路面的综合强度与稳定性。% [- n1 X7 U; n1 {% }* @9 H

5　填石路堤施工工艺的改进填石材料的特性变化很大，为使施工路堤工后沉降达到最小，应压实到理想结果。通常石料的级配越好，压实所能达到的密实度和弹性模量就越高。填石材料的沉降是由材料特性(石料类型、级配、最大石料粒径和形状)和压实处理(碾压机型、摊铺厚度和碾压遍数)决定的。石料特性和压实过程是相互联系的，必须统一考虑，特别在填方较厚或填方厚度急剧变化的地方，更应考虑二者的统一性。

碎石路堤采用50ｔ以上振动压实机分层碾压，碾压遍数按碾压下沉值等于零稳定不变时为止。由于碎石含量不同，其击实试验的最大干密度也不同，碎石填料的最大干密度需要由>5ｍｍ碎石含量与最大干密度曲线来确定。并采用灌砂法、表面波压实密度仪检测压实度是否达到规定值。$ {; p( s/ [/ F2 O’ X
　　
1 ]7 {$ e$ q6 I. X- W" T块石路堤由于块石粒径较大，经50ｔ以上振动压实机分层碾压至下沉值为零后，每层厚1.5ｍ～2.0ｍ，再用25ＫＪＴ3冲击压实机进行检验性补压20遍，如下沉量在5～7ｃｍ，表明原来的碾压合格。块石路堤直接使用25ＫＪＴ3型冲击压实机施工，效率高，速度快，三边形双轮以12ｋｍ/ｈ速度能集中产生250ｔ冲击荷载，连续压实路堤深层部位的石块。这种高振幅、低频率的冲击能量对路堤分层均匀碾压后，可使石块之间嵌锁密实，填石体承受冲击荷载所产生的沉降变形远大于填石路堤建成后自重与外荷引起的变形沉降，避免路堤出现引起路面产生裂缝的差异变形沉降。根据填石工程与施工特点，采用冲击压实配套设备压实效果最好。冲击压实的施工工艺要求如下。# h+ }2 j; j& R’ {7 e4 L’ n! ?
　
1 填石施工控制填石的粒径及级配在开采料场控制，施工单位根据现场情况采用洞室松动爆破、光面爆破或小型爆破，要求填石料符合以下指标：最大粒径<500ｍｍ，不均匀系数Ｃｕ>5(Ｃｕ=ｄ60/ｄ10)，曲率系数Ｃｃ=1～3[Ｃｃ=(ｄ30)2/(ｄ10×ｄ60)]。
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2 填石层厚控制填石路堤位于水平地形时，压实层厚度100ｃｍ；填石路堤在斜坡地带时，压实层厚度80ｃｍ。松铺系数一般为1.15～1.20。3 压实沉降值控制冲击碾压若干遍后，压实沉降值趋于稳定，同时结合落锤式弯沉仪的测定值进行分析，综合确定需要碾压的遍数及其相应的压实沉降控制值。6 D1 K’ M- I$ L. f! E A
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填石施工石方填筑的关键是要达到要求的级配分布。这就需要采用末端法。这种方法保证使最大的石块居于每层的底部，而较细的颗粒则居于顶部。它能确保最佳的嵌锁和压实力的传递。同时，提供一个不会致使压实碾轮及橡胶轮胎的牵引机在行进过程中受损的地面也是必要的。该方法需要在填筑层末端的顶部用卡车倾卸，然后用推土机从末端将填料推入下层，使其与正在填筑的层推成相同高度。" e$ d$ a& A’ S8 h5 A% u’ e
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填石路堤的压实标准规定采用50ｔ以上振动压路机或冲击压实机碾压，可以提高填石路堤的压实标准，具体规定如表1。表1路堤顶面以下深度(ｃｍ)重型击实压实度(%)0～15095150以下93将原压实度标准在80ｃｍ以下至150ｃｍ，由93%增至95%，150ｃｍ以下由90%增至93%，可以较大地减少路堤工后沉降。按下式计算Ｓ=ｈ×(1-Ｋｈ/Ｋ′ｈ)式中，Ｓ———下沉量，ｃｍ；ｈ———路堤高，ｃｍ；Ｋｈ———原标准的压实度，%；Ｋ′ｈ———提高后的压实度，%。- s( l0 ?! p: d! } m
当采用冲击压实机分层碾压，则压实度还可提高3～4个百分点，以增加3个百分点计，10ｍ路堤冲击碾压后增加的下沉量为31.2ｃｍ。若仅在路床顶面冲击补压20遍，增加的平均下沉量为6ｃｍ。这样填石路堤碾压已经完成的工后沉降量已大大超过原来标准存在的工后沉降量，从而避免了路基差异变形沉降的发生。( d8 ^1 l8 t5 r# m8 O# R
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对于碎石路堤，压实标准的最大干密度采用重型击实试验，按>5ｍｍ碎石含量与最大干密度曲线来确定。& G/ D1 {6 F4 o1 K
对于块石路堤，按公路土工试验规程Ｔ0133表面振动压实仪法确定块石填料的最大干密度。
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7　填石路堤的检测方法# n" C( t2 A. x& L
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A 碎石路堤的检测方法除按常规的灌砂法进行检测外，采用表面波压实密度仪对于最大粒径低于60ｍｍ的碎石路堤压实度检测是一种快捷、适用并能满足高速公路路基压实度精度要求的检测方法。此外，当碎石填料可以用探杆打入时，采用核子密度仪检测压实度是可行的。对于碎石路堤使用压实计检测也能收到一定效果，但要做好压实计的标定工作。
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B 块石路堤的检测方法由于块石路堤填料粒径较大，采用挖坑灌砂法或表面波密实度仪测定压实度的效果不太好，采用压实计测定进行标定后，当碾压至地表无下沉值时，碾压体接近弹性状态，使用压实计测定的效果较好。0 A8 t+ [ K; |) v7 X
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对于50ｔ振动压实机分层碾压块石填料无压沉值时，可以作为碾压遍数的控制指标。当振碾完成后，可以采用25ＫＪＴ3型双轮冲击压实机进行20遍检验性补压，如果其下沉量在5～7ｃｍ范围内，原来振碾压实合格。同时补压后增加施工期路堤的下沉量，并且对原来振压不均匀或碾压不足，均通过检验性补压得到完善，保证了路基的整体稳定性。2 o& m2 G/ j) G/ X( m" H) i
本项研究在吸取国内外最新压实技术的基础上，充分调查分析了国内已建填石路堤变形沉降破坏的原因，引进南非国首创的高能量冲击压实机，系统开发冲击压实技术在不同土石路基实体工程上的应用。在提高填石路堤压实度标准的基础上，提出重点使用25ＫＪＴ3型冲击压实机，配合选用50ｔ以上振动压路机的填石路堤施工工艺、压实标准与检测方法，从根本上防止了填石路堤的沉降变形，保证了填石路堤与路面连续施工的可靠性，并通过对振碾达标路基的冲击补压作业，延长了保持路面平整度的服务期限，大大提高了高速公路路基路面的修建质量。
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[align=left]参考文献：[1]　公路路基施工技术规范(ＪＴＪ033 95) 人民交通出版社，1996 10. u; d( `: }$ V& Z9 k! ^" o
　　[2]　公路土工试验规程(ＪＴＪ051 93) 人民交通出版社，1995 03
　　[3]　公路填石路堤压实标准与检测方法(研究报告) 交通部公路科学研究所，1998 12

好，写得不错，支持一下

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:default6: 谢谢

想问下：当填方路基的粒径大于2ｍｍ的颗粒含量大于70%，粒径<0.074ｍｍ的颗粒含量小于15%时，统称为石质路堤。这个是哪里来的？？？

原帖由 hyx960124 于 2009-9-17 14:34:00 发表 想问下：当填方路基的粒径大于2ｍｍ的颗粒含量大于70%，粒径<0.074ｍｍ的颗粒含量小于15%时，统称为石质路堤。这个是哪里来的？？？

哪本规范写了这句话呢？