昔格达土用作高速公路路基填料的工艺试验

周洪福，聂德新，钟华介

（1.中国地质调查局 成都地质调查中心，成都610081；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；3.成都市地质环境监测站，成都610041）

昔格达土是指广泛分布于攀西地区安宁河、金沙江、大渡河、雅砻江河谷的一套灰绿色、灰白色、浅黄色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及粉细砂岩互层，并覆盖在第三系之上的一套静水河湖相地层[1]。该套地层因其易滑特性而曾被称之为“混蛋层”，1958年才根据其典型剖面出露的实际地点盐边县红格乡昔格达村而被正式命名为“昔格达层”。

新中国成立以来，随着成昆铁路及众多水电、公路、民用建筑等重大工程的建设，工程建设者遭遇到了许多有关昔格达地层的滑坡、隧道、路基填筑等方面的工程地质问题，给工程顺利施工造成了很大困难[2]。规划中的北京－昆明高速攀枝花－西昌段要经过大量的昔格达地层，在修建攀枝花－西昌高速之前，昔格达地层从未应用于高速公路路基填料[3]。对于这种特殊的半成岩混合填料，采用什么样的方式进行填筑可以取得最佳的效果是需要重点研究的对象。为此，作者在大量现场试验的基础上，以公路建设的各种规范为标准，以达到公路施工质量规范要求为目的，利用压实度（κ）、承载比（CBR，r）、变形模量（K）和回弹模量（E）等指标，确定了昔格达地层用作高速公路路基填料的最佳松铺厚度、最佳碾压方式和最佳碾压遍数。另外，根据室内饱水CBR和非饱水CBR之间的大量试验数据，得到两者之间的相关关系，极大地节约施工之前填料强度的检测时间。这不仅对于将昔格达地层用作西攀高速公路路基填料有着重要的现实意义和巨大的经济意义，而且对于其他类似工程也有一定的借鉴作用。

1 现场工艺试验研究

图1 网格化的试验场地Fig.1 Grid test field

在现场选取长度100m的试验路段，在试验路段严格按照公路路基施工技术规范（JTJ F10－2006）的要求进行路基的填筑。为了确定最佳的施工工艺，对100m长的试验路段进行了网格化划分（图1），每个网格的面积都相同。在试验路段分别按松铺厚度20cm，25cm，30cm，35 cm，40cm和45cm填筑；每层以中线分界，分别采用16t和18t压路机对比碾压；在每一侧分成2部分，每种压实机械按先弱后强和先强后弱两种压实工艺进行对比试验。对不同碾压机械、不同碾压方式、不同松铺厚度碾压完成后的路基进行压实度、CBR、回弹模量和变形模量的现场试验，试验结果见表1－表4。在表中T18／16（r－q）表示采用1 8t和1 6t压路机先弱振后强振的压实方式；T18／16（q－r）表示采用18t和16t压路机先强振后弱振的压实方式。

表1 压实度（κ／%）检测结果Table1 Test result of compaction degree

表2 CBR（r／%）试验结果Table2 Test result of CBR

表3 回弹模量试验结果（E／MPa）Table3 Test result of resilience modulus

表4 变形模量试验结果（K／MPa）Table4 Test result of deformation modulus

1.1 最佳松铺厚度研究

1.1.1 用压实度确定最佳松铺厚度

从表1所列的压实度现场检测结果可知，总体来说，随着松铺厚度的逐渐增大，采用不同的碾压方式得到的压实度呈现一种先增大后降低的趋势。压实度平均值与松铺厚度关系曲线见图2。松铺厚度从20cm开始，平均压实度随着松铺厚度的增加而增大，当松铺厚度为30cm时，平均压实度达到最大，为94%。随后随着松铺厚度的进一步增大，平均压实度逐渐降低。因此，根据松铺厚度与平均压实度的关系曲线可以得到最佳的松铺厚度为30～35cm。

图2 松铺厚度与平均压实度关系曲线Fig.2 Relation curve between loose paving thickness and average compaction degree

1.1.2 用CBR确定最佳松铺厚度

CBR是美国加利福尼亚州承载比California Bearing Ratio的缩写，是公路路基材料的力学指标之一，是指试料贯入量达到2.5mm时，单位压力与标准碎石压入相同贯入量时标准荷载压力的比值[4－6]。在《公路路基施工技术规范》中已将其作为检测公路路基填筑质量的标准之一[7]。

不同松铺厚度、不同碾压方式得到的现场CBR试验值见表2。根据现场试验结果，在各种松铺厚度下，平均CBR值与松铺厚度的关系见图3。从图中曲线可知看出，当松铺厚度为20cm时，平均CBR值为13.0%；随着松铺厚度的增大，平均CBR也随之增大，并且在松铺厚度达到30cm以前，平均CBR值增加幅度较大；而当松铺厚度达到30cm以后，平均CBR值增加幅度较小，曲线基本平稳，变化幅度较小，平均CBR值在17.4%～18.0%之间。因此，根据图中曲线变化情况，可以得到最佳的松铺厚度在30～45cm之间。

1.1.3 用回弹模量确定最佳松铺厚度

图3 松铺厚度与平均CBR关系曲线Fig.3 Relation curve between loose paving thickness and average CBR

现场回弹模量试验由于试验面积较大，反映指标全面，是评价压实质量的一个综合指标，同时也是公路路基设计中的一个重要参数和评价路基填筑质量的一个重要指标[8]。在现场利用不同的压路机、采用不同的碾压方式获得的回弹模量见表3。根据表中试验结果，采用不同机械和不同碾压方式得到的平均回弹模量与松铺厚度的关系曲线见图4。从图中可知，平均回弹模量随着松铺厚度的增加呈现先增加、后降低的变化趋势：在松铺厚度为20cm时，平均回弹模量为75.14 MPa；而当松铺厚度增加到35cm时，平均回弹模量达到最大，为91.14MPa；当松铺厚度进一步增加到45cm时，平均回弹模量降低为71.91MPa。根据平均回弹模量与松铺厚度的关系曲线，可以得到最佳的松铺厚度为30～35cm。

图4 松铺厚度与平均回弹模量关系曲线Fig.4 Relation curve between loose paving thickness and average resilience modulus

1.1.4 用变形模量确定最佳松铺厚度

采用不同碾压机械、不同碾压方式、不同松铺厚度条件下现场试验得到的变形模量结果见表4，变形模量从16.4MPa到44.7MPa不等。在各种松铺厚度下平均变形模量与松铺厚度的关系曲线见图5：在松铺厚度＜30cm时，随着松铺厚度的增加，平均变形模量也随之增大；当松铺厚度达到30cm时，平均变形模量达到最大，为39.08 MPa；随着松铺厚度的进一步增大，平均变形模量虽然有起伏，但是总体的趋势是逐渐降低的。因此，根据平均变形模量与松铺厚度的关系曲线，可以得到最佳的松铺厚度为30cm。

图5 松铺厚度与平均变形模量关系曲线Fig.5 Relation curve between loose paving thickness and average deformation modulus

前面分别从压实度、CBR值、回弹模量和变形模量等方面对最佳松铺厚度进行了分析研究。从研究的结果来看，根据压实度确定的最佳松铺厚度是30～35cm；根据CBR值确定的最佳松铺厚度是30～45cm；根据回弹模量确定的最佳松铺厚度是30～35cm；根据变形模量确定的最佳松铺厚度是30cm。根据分析结果，需要同时满足这几种参数确定的最佳松铺厚度为30～35 cm，这与《公路路基施工技术规范》（JTJ F10－2006）要求的松铺厚度30cm是基本一致的[7]。

1.2 最佳碾压方式研究

按照《公路路基施工技术规范》（JTJ F10－2006）要求，对于高速公路以及一级公路，采用振动压路机碾压时，第一遍应不振动静压，然后先慢后快，由弱振至强振[7]。但是，对于昔格达这种特殊的土层，这种碾压方式是否合适，需要由现场试验结果予以确定。

现场在试验路段分别采用16t和18t振动压路机进行从强振到弱振以及从弱振到强振的试验，试验结果见表1－表4。从试验结果可知，在不同的松铺厚度条件下，除了从强振到弱振压实度的平均值与从弱振到强振压实度的平均值基本接近以外，对于CBR值、回弹模量、变形模量而言，从强振到弱振的平均值都比从弱振到强振的平均值大。对于18t压路机，从强振到弱振试验得到的平均CBR、回弹模量、变形模量分别为21.6%，94.08MPa和35.36MPa；而对应的从弱振到强振的平均值为15.4%，61.58MPa和26.75MPa。对于16t压路机，从强振到弱振试验得到的平均CBR、回弹模量、变形模量分别为16.2%，91.18MPa和35.61MPa；而对应的从弱振到强振的平均值为12.6%，85.55MPa和33.85MPa。

从试验结果可知，无论是16t还是18t压路机，从强振到弱振试验得到各种参数的平均值均比从弱振到强振试验得到的参数高。其原因在于昔格达填料是以粉粒为主，含有一定数量的沙粒和黏粒的混合填料，在振动压实过程中，随着振动能量的加强以及碾压遍数的增加，虽然浅部土体可能达到较好的密实状态，但在浅表部，由于高能量振动，加之攀西地区气温较高，空气干燥，水分将以气体形式逐渐从土体中排出而变得干燥，填料颗粒之间的黏结能力反而降低；所以，在浅层大约数厘米范围内出现松砂现象[9]，导致压实度降低。因此，对于昔格达土用作高速公路的路基填料来说，最佳的碾压方式应该是先强振，后弱振。这与《公路路基施工技术规范》（JTJ F10－2006）中规定的方式有所不同，也体现了昔格达土的特殊性。

1.3 最佳碾压遍数研究

合理的碾压遍数就是使填料达到规范规定的压实度的最小遍数。根据《公路路基施工技术规范》（JTJ F10－2006）的要求，昔格达土用于路基的填筑，其压实度应该≥95%（表5）。确定一个合理的碾压遍数对于减少工程开支、缩短工期具有重要意义。

根据前面已经确定了的最佳松铺厚度和最佳碾压方式，分别采用16t和18t压路机进行碾压，一共碾压9遍，不同碾压遍数条件下昔格达填料达到的压实度见表6。根据表中的数据可以得到16t和18t压路机碾压遍数与压实度关系曲线（图6和图7）。从图中曲线可以看出：对于16t和18t压路机，当碾压遍数分别达到6遍和5遍时，松铺厚度30cm和35cm两种情况下，昔格达填料的压实度均达到93%以上。因此，根据试验结果，最佳的碾压遍数为：18t压路机，碾压遍数为5遍；16t压路机，碾压遍数为6遍。

表5 土质路堤压实度标准（JTJ F10－2006）[8]Table5 Standard of compaction degree for terrane embankment

表6 不同碾压遍数情况下填料压实度（κ／%）Table6 Compaction degree of filler in the case of different compaction numbers

图6 18t压路机碾压遍数与压实度关系曲线Fig.6 Relation curve between compaction number and compaction degree of 18ton road roller

图7 16t压路机碾压遍数与压实度关系曲线Fig.7 Relation curve between compaction number and compaction degree of 16ton road roller

前面根据大量试验结果得到不同压路机的最佳松铺厚度、最佳碾压方式和最佳碾压遍数如下。

16t压路机：松铺厚度30～35cm，先强振后弱振，碾压方式为静压1遍＋强振1遍＋弱振4遍＋静压1遍，一共碾压7遍。

18t压路机：松铺厚度30～35cm，先强振后弱振，碾压方式为静压1遍＋强振1遍＋弱振3遍＋静压1遍，一共碾压6遍。

2 非饱水CBR和饱水CBR关系

按照《公路路基施工技术规范》（JTJ F10－2006）的要求[8]，对于高速公路而言，用于下路堤和上路堤填筑填料的饱水CBR分别不应低于3.0和4.0。因此，在将填料用于路堤填筑之前，应该先将填料进行饱水CBR试验，根据试验结果决定填料是否可用。而饱水CBR试验需要将试样饱水96h，试验过程所需要的时间较长，如果对每组填料进行饱水CBR试验，无疑将会耗费大量的时间和人力。而非饱水CBR试验则将现场取回的填料直接进行试验，所需时间较短。因此，如果能够分析得到昔格达这种特殊填料室内非饱水CBR和饱水CBR之间的关系，那么通过非饱水CBR值可以得到饱水CBR值，这可以节约试验时间，对高速公路的施工是有利的。

为了分析昔格达填料非饱水CBR值和饱水CBR值之间的关系，将现场碾压完成的昔格达填料每一层取6组试样，测定含水量以后进行击实试验，然后分别进行饱水前后CBR试验，试验结果见表7。其中为了对比分析结果的准确性，进行饱水前后对比试验分析的2组试样的取样位置为同一个地点，这样可以有效避免由于试样中砂岩泥岩比例不同导致的试验误差。

表7 室内饱水前后CBR试验结果Table7 Test result of indoor saturated CBR and non－saturated CBR

从表7中的试验结果可以看出，随着含水量的增大，非饱水CBR值逐渐降低，两者具有负相关关系。根据表中含水量（w水）与非饱水CBR（r非饱水）的对应关系，可以得到两者之间的关系曲线（图8）和相关方程

图8 含水量与非饱水CBR关系曲线Fig.8 Relation curve between indoor non－saturated CBR and moisture content

根据表7中非饱水CBR值与饱水CBR之间的对应关系，可以得到非饱水CBR和饱水CBR之间的关系曲线（图9）。两者之间具有线性的正相关关系，相关方程如下

从上面的相关方程可知，对于昔格达这种特殊填料，非饱水CBR和饱水CBR之间的相关性较好，相关系数达到0.966。因此，可以根据室内非饱水CBR试验结果按照上面的公式（2）计算得到饱水CBR值，从而极大地缩短昔格达填料强度的试验检测时间。

图9 室内非饱水CBR与饱水CBR关系曲线Fig.9 Relation curve between indoor saturated CBR and non－saturated CBR

3 结论

a.昔格达土作为高速公路路基填料，其最佳的松铺厚度为30～35cm。

b.由于其特殊性，昔格达土作为高速公路路基填料，其最佳的碾压方式应该是先强振，后弱振，这与规范规定的方式有所不同。

c.为了达到规范规定的压实度要求，对于16 t压路机，一共需要碾压7遍，具体方式为：静压1遍＋强振1遍＋弱振4遍＋静压1遍；对于18t压路机，一共需要碾压6遍，具体方式为：静压1遍＋强振1遍＋弱振3遍＋静压1遍。

d.根据大量的试验资料分析，昔格达填料室内饱水CBR与非饱水CBR之间具有较好的线性正相关性，可以根据室内非饱水CBR试验结果通过计算得到饱水CBR值。

[1]向贵府.西攀高速公路填方路段昔格达极软岩填料强度特征研究[D].成都：成都理工大学档案馆，2004.Xiang G F.Study on the Intensity Characteristic of Xigeda Soft Rock Embankment of Xichang－Panzhihua Express Highway[D].The Archive of Chengdu university of Technology，2004.（In Chinese）

[2]李小泉.粟子坪水电站厂基昔格达土的工程特性[J].广西水利水电，1996，24（1）：16－21.Li X Q.Engineering characteristics of foundation soil of the Liziping hydropower plant[J].Guangxi Water Resources ＆ Hydropower Engineering，1996，24（1）：16－21.（In Chinese）

[3]刘惠军.昔格达地层、工程特性与用作高速公路路路堤填料工艺研究[D].成都：成都理工大学档案馆，2004.Liu H J.A Study on the Genetic Analysis，Engineering Properties of Xigeda Strata and Technological Process Used as Filler in Express Way Roadbed[D].The Archive of Chengdu University of Technology，2004.（In Chinese）

[4]屈冉，张大伟，贺睿.路基填料强度（CBR值）研究综述[J].内蒙古农业大学学报，2008，12（4）：276－279.Qu R，Zhang D W，He R.A review on studies of roadbed stuffing strength （CBR Value）[J].Journal of Inner Mongolia Agricultural University，2008，29（4）：276－279.（In Chinese）

[5]杨广庆，高民欢，张新宇.高速公路路基填料承载比影响因素研究[J].岩土工程学报，2006，1（1）：97－100.Yang G Q，Gao M H，Zhang X Y.Study on influence factors of California Bearing Ratio（CBR）of expressway subgrade materials[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28（1）：97－100.（In Chinese）

[6]朱志铎，郝建新，黄立平.CBR试验影响因素及在工程中应注意的几个问题[J].岩土力学，2006，9（9）：1593－1596.Zhu Z D，Hao J X，Huang L P.Influential factors in CBR test and several problems to be noticed in engineering[J].Rock and Soil Mechanics，2006，27（9）：1593－1596.（In Chinese）

[7]公路路基施工技术规范（JTJ F10－2006）[S].北京：人民交通出版社，2006.Technical Specification for Construction of Highway Subgrades（JTJ F10－2006）[S].Beijing：The China Jiaotong Publishing Company，2006.（In Chinese）

[8]夏江，严平，庄一舟，等.基于遗传算法的软土地基沉降预测[J].岩土力学，2004，25（7）：1131－1134.Xia J，Yan P，Zhuang Y Z，et al.Prediction of soft soil foundations settlements based on genetic algorithm[J].Rock and Soil Mechanics，2004，25（7）：1131－1134.（In Chinese）

[9]聂影，薛尚铃，肖启华，等.昔格达地层用作攀西新基地地基填料研究[J].钢铁技术，2010，28（5）：22－26.Nie Y，Xue S L，Xiao Q H，et al.Study on groundwork filler in new base of Panzhihua－Xichang by using Xigeda stratum[J].Steel Technology，2010，28（5）：22－26.（In Chinese）