潮湿多雨地区路基填土压实标准探讨——干密度、饱和度指标在“镇镇有干线”合福铁路闽清北站公路工程中的应用

■陈秀强

（1.福建省交通科学技术研究所，福州　350004；2.福建省公路、水运工程重点实验室，福州　350004）

潮湿多雨地区路基填土压实标准探讨
——干密度、饱和度指标在“镇镇有干线”合福铁路闽清北站公路工程中的应用

■陈秀强1,2

（1.福建省交通科学技术研究所，福州350004；2.福建省公路、水运工程重点实验室，福州350004）

以闽清北站公路工程为依托，通过室内试验，找到土的“最佳”状态，提出施工现场控制指标，再进行试验路填筑试验，寻找出最佳、最合理的碾压方式，使得现场路基填筑检测指标如干密度、饱和度能满足室内试验结果提出的控制指标要求，确保其达到“最佳”状态。节约了大量的建设资金、减少了土地使用、保护了环境，意义重大。并提出潮湿多雨地区路基填土压实质量可用干密度、饱和度两指标控制。

公路工程潮湿多雨直接填筑控制指标

1　引言

潮湿多雨地区是指公路一级区划Ⅳ、Ⅴ范围内二级区划中的中湿区和过湿区。区内主要特点是年降水量大，平均在1000mm以上，潮湿系数大于2。潮湿多雨地区工程用多土为高液限土或液限接近50%的普通土，天然含水率大，液限高，塑性指数大，水稳定性差，土颗粒微观势能严重不平衡，极易受自然降水、地下水或地表水影响，甚至强烈从大气中吸收水分，吸水后的路基发生膨胀，密度减小，强度急剧下降，在行车荷载和土自重作用下，发生不均匀沉降、开裂、横向位移等病害。正是这种极差的水稳定性，《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）规定高液限土属特殊土质，不得直接用于路基填筑。

对高液限土或液限接近高液限的土水稳定性差，极难晾晒至标准击实试验所得的最佳含水率。传统的处理方法一是弃方，二是添加或水泥、或石灰、或土壤外加剂等加以改进利用。两种方法处理的费用都很大，且不利于环保，对生态破坏严重。

弃方换填带来两个问题：①需寻找新的弃土场来堆填废弃的土体，②寻找新的可用的土来换填。显然造成土地资源的极大浪费，同时费用也将是高昂的。不计土地征迁费用、防护及排水工程费用，只计挖、运、填施工费用，每方按30元/方计算，换填100万方土的施工费用将是3000万元。

传统的改良方法，如掺水泥、石灰或土壤外加剂等进行改良，让土体达至较好的水稳定性，提高其路用性能指标，花费巨大。以改良100万方土为例，忽略改良工艺试验研究、现场拌和设备费用等，仅以掺5%石灰计算其改良材料费用详见表1。

表1　　石灰改良100万方土材料费用表

由表1可见，仅改良材料费用就十分的巨大。此外，由于添加剂量非常小，要在巨大的土体中拌匀它，极其不易。改良工艺本身就极其复杂，需焖料、掺量研究试验、搅拌均匀、考虑与土体化学反应、作用时间等，还需添加大型路拌机等设备，耗费巨大。

无论是弃方换填，还是掺加外加剂改良都给环境带来极大的破坏。采用换填将会大面积破坏自然本来的生态面貌，若挖、填处理不善，另将带来滑坡危险，危及环境。采用改良的方法，增加水泥、石灰、土壤外加剂，在不同程度上改变了自然界的原本面貌，在施工过程中带来的灰尘、化学物质或多或少地恶化了当地环境。

若能挖掘土的本身“潜能”，摸透其路用性能及保持其高性能的机理，通过改进施工工艺，直接填筑，则能节省大量的建设资金，并且保护环境，树立节约型交通之典范。

2　工程概况

合福铁路闽清北站公路工程K0+100及K0+500两山头土样均为细粒土，天然含水率高、颗粒细小、细颗粒含量大，具有不同程度的胶体特性。土中含有的矿物成分带有较多的负电荷，亲水性强，造成土粒结合水膜厚度较大，因而渗透系数较低。由于颗粒粒径较小，毛细水上升高度较大，但速度较慢。闽清县地处湿润多雨区，K0+ 100及K0+500两山头土样天然含水率分别为34.4%、31.2%，土样极难晾晒至击实试验得出的最优含水率。按常规的填筑方法填筑，压实度极难达到规范要求。

受闽清县交通建设发展有限公司委托，根据福建省交通厅节约型课题《福建高液限土填筑路基成套技术研究》（2007）研究成果及课题鉴定意见和福建省自然科学基金计划资助项目《潮湿多雨地区路基填土压实特性与填筑质量控制标准研究》研究成果，对“镇镇有干线”合福铁路闽清北站公路工程路基填筑进行专题试验研究。通过室内试验和试验路铺筑，获取土样的合理含水率、击实功和施工工艺，使其满足规范强度要求，直接用于92区路基填筑，从而降低工程造价，并达到节约土地、环保的目的。

K0+100、K0+500土样的明显特征是颗粒细小、细颗粒含量大，具有不同程度的胶体特性。土中含有的矿物成分带有较多的负电荷，亲水性强，造成土粒结合水膜厚度较大，因而渗透系数较低。由于颗粒粒径较小，毛细水上升高度较大，但速度较慢。

土样的天然含水率大于塑限，通过室内击实试验得到的最佳含水率较低，远远小于塑限含水率。按最优含水率来指导压实作业，一方面填料难于晾晒；另一方面此时碾压后空气体积率仍然较大。由于土样保水能力强，塑限含水率高，容易造成表层因失水而干裂，且碾压后会出现起皮、干裂等表观质量问题。常规重型击实条件下最大干密度对应的饱和度Sr较小，吸水势能较大，存在较强的膨胀趋势，一旦吸水，其强度急剧下降，出现所谓的水稳定性差现象，从而影响了该种土的正常使用。如果在较高含水率的情况下进行碾压，由于土样粘粒含量大，透水性差，在松铺层内易出现表面压实，而内部土体存在大量孔隙的现象，即出现所谓的弹簧土，传统压实度值K与强度指标CBR值均不易达到 《公路路基施工技术规范》（JTG F10-2006）的要求。

3　技术路线与试验方案

通过试验发现，土样通常存在一种最佳状态，在该状态下，其颗粒排列最优（击实功最佳），含水率最佳，稳定强度（浸水CBR值）较大（可满足规范的最小强度要求），胀缩量较小。

工程应用则是根据上述原理，通过合理控制含水率，进行一系列的击实和CBR试验，找到土样满足公路路基设计要求的高稳定强度、低胀缩量的最佳状态（该状态下其水稳性能得到很好地改善），并在施工中以合适的施工工艺加以严格控制实施，保证它的最佳状态和长期路用性能。

（1）室内试验

①原状土分析

通过土样的基本性质指标，分析寻找其最佳状态。基本指标包括：液塑限、土粒比重、天然含水率、天然稠度、颗粒分析、分类、定名、最大干密度、最佳含水率、承载比、相应密实度、膨胀率、吸水量等。

②最佳状态寻找

根据天然含水率和重型击实下的最优含水率，估计拟用的含水率范围，拟定不同的击实功及其对应的含水率列表，按湿土、3层击实法进行制件，测其干密度、浸水四昼夜后的CBR值和膨胀量，绘制相应曲线，找到满足CBR≥3.0%和膨胀量较小的“合理”含水率范围及其对应的击实功。

所谓“合理”含水率，是指在该含水率下，既能找到对应的击实功使之满足CBR强度要求，又便于现场施工。

③制定室内控制标准

根据含水率ω及其干密度ρd，按计算对应的饱和度，初步拟定采用干密度和饱和度双重指标控制现场施工。

（2）试验路填筑

试验路填筑时，根据现场条件，开辟若干块试验地，通过调整含水率、碾压遍数等指标寻找最佳施工工艺，并结合室内试验结果，确定可行的质量控制指标。

4　试验研究（以K0+100土样为例）

4.1土的基本物理指标

K0+100土样基本物理指标详见表2。

表2　K0+100土样基本物理指标

4.2土的强度、干密度、饱和度、膨胀量与含水率、击实功关系

结合试验路填筑效果，根据土的天然含水率及标准击实结果，拟定土的可用含水率范围为23%～30%，结合试验晾晒结果，实际拟定23.0%、25.0%、28.1%、30.8%四个控制含水率，分别采用3×28、3×42、3×63和3×98四种击实功，按湿法制作试件，测定干密度，泡水4昼夜后测其CBR值、膨胀量等指标，结果如表3。

表3　不同含水率、击实功下试验结果

绘制该土强度、干密度、饱和度、膨胀量与含水率、击实功的关系曲线如图1～图4。其中图（a）各曲线代表同一含水率、不同击实功所对应的强度、膨胀量、干密度、饱和度；图（b）各曲线代表同一击实功、不同含水率所对应的强度、膨胀量、干密度、饱和度。

4.3室内试验数据分析

（1）该土样最优含水率为16.5%。根据试验结果可知，土体含水率在23.0%～30.8%范围内，3×28击实功作用下，土体CBR强度大于3%，膨胀量小于5%，饱和度大于70%，土体强度和水稳定性均处在可接受范围。考虑含水率过低现场晾晒困难，且土体吸水势能大，易导致土体吸水后性质变差；而含水率过高，碾压过程容易出现弹簧现象，综合分析，初步确定该土样合理含水率范围为23%～28%。

（2）含水率小于等于25.0%，强度随击实功的增大先增大后减小，由此说明，在合理含水率范围内，击实功不能太小，击实功不足将不利于土样的压实，强度达不到要求；当土体含水率大于等于28.1%时，土体强度随击实功的增大而减小，即当土体含水率较高时，并非碾压遍数越多得到的土体强度越高。详见图1（a）。对不同含水率的试验土样采用相同的击实功进行击实，如图1（b）所示，强度随含水率的增大而减小。

（3）含水率小于等于25.0%，相同含水率的土样，干密度随击实功的增大而增大；含水率大于等于28.1%，相同含水率的土样，干密度随击实功的增大先增大后减小。详见图2（a）。同种击实功作用下，大体上土体干密度随含水率的增加而减小（见图2（b））。因此为保证干密度满足要求，土体含水率不能过高。

（4）含水率小于等于25.0%，相同含水率的土样，饱和度随击实功的增大而增大；含水率大于等于28.1%，相同含水率的土样，饱和度随击实功的增大先增大后减小。如图3（a）所示，这与干密度变化规律一致。同种击实功作用下，土体饱和度随含水率的降低而降低（图3（b））。随着含水率的降低，土体饱和度快速降低，由于土体饱和度过低，将形成较强的吸水势能，一旦吸水将对土体强度和稳定性产生不利影响，因此在实际填筑过程中，需控制好含水率，确保不超出合理含水率范围。

（5）在合理含水率范围内，相同含水率的土样，膨胀量随击实功的减小而增大（见图4（a）），各设计击实功对应的膨胀量均小于5%。同种击实功作用下（图4（b）），土体膨胀量随含水率的减小而增大。因此实际填筑过程中，含水率不能过低，碾压遍数不能过少，否则因为膨胀量过大，水稳定性不能满足要求。

（6）室内试验结果表明，在合理含水率范围内，只有采用合理的击实功，才能获取较大的干密度、饱和度，以及较佳的水稳定性，从而保证土样有较高的强度，这也是“福建高液限土填筑路基成套技术研究”课题中提出现场施工采用干密度与饱和度双重指标控制施工质量的原因所在。

根据强度与干密度之间的关系（图5），强度与饱和度之间的关系（图6），土样CBR强度与干密度、CBR强度与饱和度之间均存在对应关系，因而采用干密度、饱和度联合对路基填筑质量进行控制，可以确保强度满足要求。

（7）在合理含水率范围内，相同含水率的土样，压实度随击实功的减小而减小，见图7（a）。同种击实功作用下，大体上土体压实度随含水率的增加而减小（图7（b））。说明要达到一定的压实度，击实功不能过小，含水率不能过高。

（8）综合而言，在初步拟定的合理含水率即23%～28%范围内。将3×28击实功各含水率对应干密度、压实度、饱和度列于表4，绘制干密度、压实度、饱和度和含水率关系曲线，并拟合如图8～图10。

根据拟合曲线确立含水率23%～28%对应的干密度、压实度和饱和度要求值，制定室内试验标准如表5。待试验路填筑，现场试验后，根据实际情况与检测结果调整含水率及其对应的控制指标。

表4　CBR大于3.0%干密度（压实度）和饱和度要求值

表5　干密度（压实度）和饱和度室内试验控制标准

（9）关于压实度，常规土在最佳含水率时用重型击实获取最大干密度，从而达到最大强度，规范要求压实度就是指在最佳含水率情况下土被压实的程度。实际上，土为三相体，土被压实的过程就是空气排出、孔隙减小的过程，在这个过程中，孔隙中空气所占的体积越来越小，水所占的比例越来越大，即饱和度逐渐变大，直至完全饱和，达到理想压实状态，该状态对应的密度可称之“理论干密度”，用此密度计算控制密度的压实度如表5，从中可以看出，尽管相对最大干密度而言，控制密度的相对压实度不大，但当含水率超过24%，相对“理论干密度”的压实度则超过92%。这时的土具有较好的水稳性能。当然，含水率较大，尽管相对“理论干密度”的压实度较大，但由于土体具有较高的饱和度，孔隙中空气所占的比例较小，再难压缩，反而因为体积含水率过大而使土体的整体强度下降。

4.4试验路铺筑及结果分析

（1）试验路填筑

对试验土样进行堆晒时，控制松铺厚度为20～25cm，待表层土晾晒较干后用推土机大致推平，并用旋耕机及时翻晒，测取含水率达到设计要求时用20t压路机进行碾压。采用的碾压工艺为静压1遍+小振6遍+静压1遍。碾压完毕进行灌砂试验，测取干密度与含水率，并计算饱和度和压实度。

（2）试验结果分析

从现场碾压和检测资料（详见表6），得到如下结论：

表6　试验路填筑检测结果

①根据已有的研究成果及工程经验，含水率成为碾压是否成功的最关键因素。含水率过高时进行碾压，由于土体透水性差，容易出现表面压实，而内部土体存在大量空隙的现象，即出现所谓的弹簧土。考虑到含水率过低现场晾晒困难，晾晒时间长影响工期；且土体吸水势能大，易导致土体吸水后性质变差，试验路含水率控制在23%以上。

②碾压功是能否压实的重要因素。目前压路机常见的碾压方式包括静压、小振和大振等三种方式。以往的实践经验表明，大振的效果差，故本次试验段不再应用大振碾压。带振动的碾压可使一部分的下层水分泌出到表面，一定程度上让上下土层均匀。采用静压1遍+小振6遍+静压1遍对路基进行碾压，得到的干密度能满足室内试验控制指标（表5）。为使土层表面更光滑、密实，充分利用泌出的水分浸润比较干燥的表层，并将总静压2遍分解为初压平面静压1遍与终压光面静压1遍。

③从试验资料来看，各含水率段与最终成活路基的干密度和饱和度可以满足室内试验拟定的标准。

4.5施工控制标准及说明

综合考虑室内试验及现场填筑试验结果，确定其施工控制标准如下：

正当两人剑拔弩张之时，几个人跑过来喊：婚礼要开始了！陈晓拿下蒋大伟的手，整整领带：我不和你一般见识。告诉你，她现在想做什么与我没关系！她欠的车钱也与我没关系！陈晓说完，在几个人的簇拥下走了，头也没回。蒋大伟呆呆地站在那里，一动没动。郑馨冲过来，爆发地：卑鄙！无耻！我不想再见到他了！我不活了！我现在就去跳桥！现在就去死！郑馨哭着向外面跑去，蒋大伟追了上去。郑馨跑到酒店门口，蒋大伟一把抓住了她。周围人感觉到什么，围拢过来，蒋大伟忙将郑馨塞进车里，关上了车门。

（1）松铺厚度：≤25cm；

（2）含水率：24%～28%；

（3）碾压工艺：静压1遍+小振6遍+静压1遍；

（3）干密度和饱和度控制标准如表7。

表7　干密度和饱和度控制标准

5　施工操作规程建议及注意事项

5.1施工操作规程建议

建议按如下规程进行填筑：

（1）开辟4～5个工作面用于填筑，安排1块上土，2块翻晒，1块碾压，1块检测。做到程序、规模化生产。

（3）严格按规定方式进行碾压，保证碾压遍数，同时，碾压速度宜选择低速。

（4）按现行规范要求的频率，采用灌砂法测定现场干密度ρd，烘干法测定含水率ω，根据土粒比重Gs和公式 计算饱和度Sr，将该干密度、饱和度与要求值相比较，两者都达到要求值为合格。

（5）对碾压不够或局部含水率过大地方，必须进行补压，必要时翻晒后补压，直至含水率、干密度与饱和度都达到要求。

5.2注意事项

（1）由于土颗粒小，水分蒸发不易，且不均匀，因此，很难降低含水率，同一碾压层含水率往往相差较大，因此需勤翻晒。宜配备高效的翻晒机械（如四轮农用旋耕机）来加速降低含水率，保持土壤含水率的均匀，缩短施工周期，保证碾压效果。

（2）尽量连续施工，压完一层经检验合格后马上进行下一层的摊铺，以防本层土晒干后开裂，路基施工完毕应采取必要措施防止路基被晒裂。

（3）施工期间应设置边沟，准备必要的防水物质以防雨水浸泡路基，路基边坡也应采取必要的防护措施。多雨的季节应添加必要的防水材料遮盖现场。

（4）雨后路基若有泥浆，应铲除干净方可进行下层土填筑。

（5）填筑过程中每层必须使用平地机整平，保证压实后的路基顶面平整，现场做好路拱，路拱不得小于4%。半填半挖段朝外倾斜填筑，不能积水。

（6）这两种土不宜用于高填方地段，不得用于94、95区，挖方路段以下80cm上路床应用规范要求填筑材料填筑和换填。对于地下水位较高、潮湿地段，应设置排水层和隔水层后才能填筑，以防止地下毛细水上升。

（7）施工中若出现软弹现象，应适当减少运土车重量，或使用推土机送土。

6　结语

潮湿多雨地区存在大量的高液限土与液限接近50%的普通土，它们普遍存在以下规律：

（1）存在一合理含水率范围，在该范围内，强度较大，易达到规范要求强度，且膨胀量较小。对应最大浸水CBR值的含水率称为最合理含水率，最合理含水率与液限有良好的线性关系。

（2）在合理含水率范围内，CBR值随击实功增大而增大，且对应最合理含水率时，该趋势最为明显，若击实功不足或偏小，其CRB值减小趋势明显，甚至达不到要求的强度。因此，填筑时不仅要控制含水率在最合理含水率范围内，而且需通过较大的碾压功才能压实路基土，保证其强度要求。

（3）在合理含水率范围内，击实功越大，干密度越大，CBR值越大，若击实功不足，密度达不到一定的值，相应的CBR值则达不到要求。

（4）一定的饱和度是保证土有较高强度的必要条件，但饱和度超过一定值时浸水CBR强度锐减。保证峰值强度的饱和度对应的含水率与合理含水率范围一致。在合理含水率范围内，饱和度能反映土体被压实的程度，因此，可以与干密度一道，作为潮湿多雨地区路基填土施工现场控制指标之一。

不弃方换填、不改良，利用土的最佳状态来填筑路基不仅节约土地、减少水土流失、环保，而且经济效益显著，是社会可持续发展重要技术之一。潮湿多雨地区路基填土质量可用干密度、饱和度指标控制。

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