土石填料性质对连续压实VCV值的影响

罗士杰， 黄 俊

(西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031)

随着国家经济的发展和建设以及全国大面积高速公路网建设的延伸，越来越多的公路建设面临的地形从以平原微丘区为主转向以山岭重丘区为主。

工程单位出于经济效益和环境效益的综合考虑，在填料选择方面，多是就地选取深挖路堑和隧道施工产生的弃碴作为填料。这样的优点是一方面有效解决了如征用场地堆放挖方弃方材料、大量弃方占用农田耕地、破坏沿线环境等问题，另一方面也减小了填料运距和运输力量、降低了施工成本、缩短了工期。但是，这种填料具有土石混合、含石量高、大粒径多的显著特点，关于土的工程分类的相关规定[1]，多数情况下属于巨粒土的范畴。然而，目前我国公路路基相关技术标准、规范的制定仍主要建立在细粒土填料的基础之上，对于含大量巨粒土的土石混合材料路基并不完全适用。尤其是不同的路基填料对于路基压实工艺的影响也完全不同。

本文基于太行山高速邢台段路基工程特点，高填方路基填料来源深挖路堑和隧道施工产生的弃碴以及河滩料，对比k8工点和渡口互通工点填料的差异以及压实施工过程分析得出两者之间的相关性。

1 土石填料的性质及强度

k8试验段的地层主要为太古界赞皇群石城组全-中风化花岗片麻岩，该地层地表出露，揭露层内，呈褐黄色，中粗粒结构，弱片麻状构造，节理裂隙发育，岩芯多呈碎块状。该地层的承载力基本容许值为[fa0]=450kPa，摩阻力标准值为qik=150kPa。

渡口互通试验段属于重丘区，地势起伏较大，地层主要为第四系下更新统冰积形成的粉质黏土、碎石、块石等，上覆更新统坡洪积粉质黏土，局部地表见黄土状粉质黏土。粉质黏土呈黄褐色，可塑，土质不均，切面稍光滑，干强度及韧性中等，局部含姜石，该地层的承载力基本容许值为[fa0]=160kPa，摩阻力标准值为qik=30kPa 。

碎石和块石主要是以砂岩、灰岩为主。

对于岩石来说最重要的力学性质之一的单轴抗压强度，这个是确定地层承载力、进行岩石分类的必需参数，实验中多采用单轴抗压强度试验进行测定。单轴抗压强度试验对试件的尺寸、精度要求严格，试验过程繁琐、耗时且成本较高，因此对该试验段的石料只进行了点荷载试验，通过公式换算出其单轴抗压强度。

1.1 点荷载仪器

点荷载试验使用的仪器为STDZ-3型点荷载仪，主要分为加荷系统和液晶显示仪两个部分, 其中, 加荷系统又包括液压千斤顶、承压框架和上下两个压头。对试样施加集中荷载，直至试样破坏，然后通过计算求出试样的点荷载强度值[2]。

1.2 试验样本

尽量多的选取两个工点不规则的但便于试验的样本，选取k8工点试验段选取了强风化-全风化花岗片麻岩共计102块，有效的为62块；中风化-强风化花岗片麻岩共计85块，有效的为85块；弱风化-中风化花岗片麻岩共计90块，有效的为90块；河滩料中石英砂岩共计95块，有效的为95块，开挖隧道产生的弃渣中的砂岩共计113块，有效的为109块；弃渣中的灰岩共计58块，有效的为55块。部分试验样本见图1。

图1 试验部分样本

1.3 数据处理

点荷载试验强度的计算，采用国际岩石力学学会于1985年修订的建议方法。按照式(1)计算未修正点荷载强度指标：

(1)

式中：Is为未修正点荷载强度指标，MPa；P为屈服荷载，N；De为等效岩芯直径，mm。

对于径向测试，等效岩芯直径De即为岩芯直径D；对于不规则岩块的轴向测试，等效岩芯直径De计算应采用：

(2)

式中：W为两加荷点的最小截面宽度，mm。

计算岩石点荷载强度，在没有尺寸修正时，岩石点荷载强度的计算公式为:

(3)

式中:Is为未经修正的岩石点荷载强度，MPa；P为破坏载荷，N。

当等效岩芯直径不为50 mm，且实验数据较少时岩石点荷载实验强度指数按以下公式进行修正：

Is(50)=F·Is

(4)

(5)

式中:Is(50)为修正后的点荷载强度指数，MPa；F为修正系数；m为修正指数，可取0. 40 ～ 0. 45，本文m取值为0. 45。

用点荷载强度计算单轴抗压强度，GB/T 50218-2014《工程岩体分级标准》[3]中推荐的强度换算公式为：

(6)

式中:Rc为岩石饱和单轴抗压强度，MPa。

1.4 试验结果分析

如图2所示，选取的6种不同的试验填料通过点荷载实验，通过上面公式进而计算得出的单轴抗压强度均基本满足正态分布规律，k8工点的填料中的岩石单轴抗压强度随风化程度的降低而显著增加，大量的强风化组中的试样在试验时碎裂，无法呈现出劈裂破坏的特性，呈现出劈裂破坏特性的试样，其单轴抗压强度均值仅有7.57 MPa，而渡口互通工点石英砂岩试样在天然含水率单轴抗压强度为68.49 MPa，砂岩试样的天然含水率单轴抗压强度均值为48.02 MPa，灰岩试样的天然含水率单轴抗压强度均值为58.48 MPa，均属于硬岩范围内，强度明显高的多。

(a)弱-中风化

(b)中-强风化

(c)石英砂岩

(d)隧道弃渣

(e)灰岩

2 两个工点连续振动压实VCV值的对比

路基填筑碾压过程中，根据土体与振动压路机相互动态作用原理，通过连续量测振动压路机震动轮竖向振动响应信号，简历检测评定与反馈控制体系[4],实现对整个碾压面压实质量的实时动态监测与控制[5]。

由于路基结构形成的特点，为了达到实时连续检测路基结构抗力的目的，以压路机振动轮的动态响应(加速度)来识别路基抗力是一条很好的途径，可以免去复杂的计算，同时又不要求具体的压路机相关参数，只要求吨位和振动参数一定且性能稳定即可，因此采用压实机具动态响应具有较好的实时性。

根据研究结果表明，在振动系统参数一定的条件下，压路机振动轮加速度响应与路基系统反作用力之间存在着线性对应关系[5]。因此可以选取振动轮的加速度作为抗力指标信息——即连续压实检验控制指标[6-8]。为方便表述，可将经过适当信号处理后的振动轮加速度定义为振动压实值VCV。

在k8工点进行了16组试验，在渡口互通工点进行了12组试验，由于现场的情况和施工的条件限制，每一组来回碾压的遍数没法保证完全一样，但保证每一组都是至少在3遍以上(来回一个轮迹算一遍)，并且结合不同的压路机，不同的填铺厚度，对VCV值的变化进行整理。k8工点VCV值基本如图3所示，渡口工点VCV值如图4所示。

从VCV值可以很好的看出，k8工点的轨迹基本处于平稳，不同遍数情况下都在550左右，很好地说明地基抗力对其的影响趋于稳定，侧面反映出填料层松铺的比较均匀(图5)，可以明显看出填筑路面压实的比较平整，整个压实的过程，压路机基本都把大块的中风化的花岗片麻岩碾压成了碎屑状，进而整过整个路面压实的更加均匀。

(a)01轮压实稳定性曲线

(b)02轮压实稳定性曲线图3 k8工点VCV值

(a)01轮压实稳定性曲线

(b)02轮压实稳定性曲线图4 渡口互通工点VCV值

图5 k8工点连续压实试验过程

渡口互通工点连续压实VCV值相对比较波动，而且明显比k8工点要小很多，这就很好能看出这面的压实过程较为不均匀，很能说明和这面填料有很大关系。如图6所示，在压路机碾压的过程中无法使大粒径块石较好的碎裂为较小的颗粒，导致级配的严重不良，进而影响路基填筑时细颗粒向粗颗粒空隙间的填充和路基的均匀性，使路基出现局部的不均匀沉降。并且由于隧道开挖弃方中的砂岩和灰岩受到爆破扰动较大，因此其岩块内部会出现较多的微裂隙与微裂缝，这些微裂隙与微裂缝虽然肉眼不可见，在振动压路机的作用下会成为岩块内部的薄弱处和应力集中处，同时部分砂岩和灰岩内部具有泥质软弱夹层，因而相较于石英砂岩，这两种岩块更容易破碎为较小的块体或填粒，用以填充更大颗粒间的空隙。石英砂岩具有很高的抗压强度，在压路机的作用下石英砂岩有部分被压碎，但其破碎率较低。并且两种填料中三种块石的充填土都是黏性土，因而难以填充块石之间的空隙。进而在压路机碾压过程中呈现出路面不均匀的状况，同时也导致其VCV值相对较低。并且由于渡口工点的硬岩粒径较大，因而其松铺厚度也比k8工点厚度大，其厚度肯定也会对压实的过程产生影响。

图6 渡口互通工点连续压实试验过程

3 结论及改进建议

综上所述得出以下结论及改进建议：

(1)对于高填方路基而言，不同土石填料的路基确实会影响连续振动压实度，其中填料的强度指标是一个很好的评判标准，是一个很重要的影响因素。

(2)由于土石填料中，土的性质和岩石的性质，以及两者混合在一起后共有性质都对压路机压实过程产生很大的作用，当填料中岩石强度较低，易碎，那更容易与无黏性土结合在一起，形成更好的压实度，相反如果岩石粒径较大，不容易破碎，那与黏性土之间不容易结合，造成压实不够均匀。

(3)在施工中，我们要对路基的填料进行分类，保证其振动压实值能在一个相对较高的值，这样便于对路基是否压实了有一个很好的判断，并可以很好地指导压路机的工作。

由于连续压实试验过程受现场施工情况影响，不能完全控制碾压速度，完全相同的压路机，以及现场每一次的松铺厚度，并且也不能保证试验路径的长度宽度完全一致，可能会对振动压实值有一定的误差，进而进行对比有些许问题，后期室内实验可以进行改进。