粘性土路基填方压实机理及施工技术研究

王 健

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁 辽阳 111000）

1 引言

随着我国道路建设的不断发展，路基作为衔接地基与路面的重要纽带，其质量直接影响公路质量和使用寿命。 在“绿水青山就是金山银山” 的国家环保政策下，既保证工程质量又合理利用工程范围内非常规填料，对降低施工成本和保护自然环境具有重大意义。 对于广泛分布有粘性土的路基施工过程中缺乏优质填料的地区。 如果在施工过程中不能采取正确的处理措施，往往会造成路面不均匀沉降、 路面开裂、 路基坍塌等严重的工程病害。 因此，粘性土等细粒土路基的施工已成为我国大部分地区亟待解决的问题。 根据国内外有关研究证明，当土体处于最佳含水量时进行碾压，对土体产生的压实效果最好，且最省工，但是还需考虑路基能否长期保持优良性能，避免公路运营过程中所产生的病害是粘性土所需要深入研究的课题［1］。 本文将粘性土的各种特性进行试验及分析，并对粘性土的压实机理和施工技术进行研究，系统解决粘性土填筑施工问题。

2 工程概况

某高速公路路基施工项目全长95.2km。 该高速公路全程采用双向四车道的设计标准，路基宽度为26m，高速公路设计时速达到100km/h。 本工程项目分为5 个土建标段，2 个路面标段建设。本文选取了该项目上的粘性土路段进行试验，试验段填方量在8600m3左右，长度为200m。

3 工程实践

3.1 粘性土的工程性质

（1） 粘性土颗粒分析

对试验段所取土样进行试验，其结果为：液限20.8%、 塑限14.7%、 塑性指数5.9，说明试验中的土样为粘性土。 试样有机质含量合格，颗粒分析符合规范要求，各项指标都能达到细粒土的技术要求。按照我国现行规范规定是可以直接使用该类粘性土作为路基填料来填筑路基。 将试验段的粘性土取回实验室，进行筛分试验，汇总结果如表1 所示。

表1 筛分试验汇总表

续表

（2） 击实试验

将足够质量的粘性土取回实验室，将其均匀摊铺分层放在烘干箱进行烘干，为确保试料充分烘干，在烘干时用刮刀进行翻料。 取5000g 烘干的试料，依次加一定量的水并搅拌均匀，使其含水率分别达到0%、 2%、 4%、 8%、 10%、 12%、14%、 16%、 18%、 20%。 将其放入双层塑料袋中进行闷料。 分别将闷好的试料均勾拌合后装入击实桶中，严格按照 《公路土工试验规程》 中关于重型击实的规定击实方法进行电动击实试验，试验结果如表2 和图1 所示。

表2 粘性土电动击实试验结果

图1 击实试验曲线

根据电动击实试验结果，分析表2 和图1 可知，该粘性土的最大干密度为1.58g/cm3，最佳含水率为13.9%。

（3） CBR 试验

CBR 试验和击实试验制备土样的方法主要根据 《公路土工试验规程》（JTJE40-2007） 的操作步骤来进行，本试验采用重型、 中型和轻型击实功，整理试验数据如表3 所示，得到土样CBR与含水率之间的关系如图2 所示。

图2 土样CBR 与含水率之间的关系

表3 试验段土样CBR 试验数据

分析表3 和图2 的试验数据可知：（1） 达到最佳含水率时，土样CBR 值的大小排列为重型击实功＞中型击实功＞轻型击实功，且三种击实功作用下，土体CBR 的最大值并没出现在最佳含水率附近。（2） 三种击实功条件下的土体CBR 值均呈现先增后减的趋势，轻型击实所得CBR 值在达到最大后减小趋势最为平缓。 说明当土体含水率超过最佳含水率时，重、 中型击实并不能明显提高土体的CBR 值，相反会出现因击实功过大而产生的“弹簧” 现象，这会导致土体CBR 值有所降低，这就说明，在含水率过大的情况下，轻型击实相较于其他两种击实功更加适用。

3.2 粘性土路基碾压试验方法

（1） 碾压施工工艺

碾压前由试验室现场取样，测出路基天然含水量，施工中控制在最佳含水量的±1%。 采用TY200 推土机粗平和PY-160 平地机精平，使路基含水量和松浦厚度达到规定要求，整个过程用灌砂法进行检测。 碾压时遵循 “先轻后重、 先慢后快、 先两边后中间” 的原则，静压两遍，再强振2-3 遍，最后弱振1 遍，振动压路机碾压速度不超过4km/h，碾压前后轮迹重叠不大于0.5m［2］。

（2） 压实设备介绍

试验段的碾压选择的是YZ32 大激振力压路机，该设备具有凭借自身重量大以及工作时产生的大激振力，不但可以对摊铺较厚的路基填土产生一个较厚的压实效果，而且还可以对先填筑的路基压实层起到一个补强作用。 YZ32 压路机主要参数如表4 所示。

表4 YZ20 压路机的主要参数

表5 各工况碾压遍数及压实度情况

当路基填土为粉质黏土，压路机碾压速度为2-4km/h，松铺厚度为70cm，32t 压路机选择静压1 遍、 振 动6 遍、 静 压1 遍，压 实 度 可 达90%； 松铺厚度为60cm 时，按照工况2 碾压方式（前后弱振4 遍，强振4 遍），压实度可达97%； 当松铺厚度达到40cm 时，按照工况3 碾压方式（前后弱振2 遍，强振6 遍），压实度可达93%； 当松铺厚度为30cm 时，按照工况4 碾压方式（前后弱振4 遍，强振3 遍） 4，压实度可达92%。

3.3 粘性土路基的压实沉降观测

（1） 干密度的测定

由3.1 可知，该黏性土样的最佳含水率为13.9%，最大干密度为1.58g/cm3。 采用灌砂法对土质路基进行压实度检测。 对于各类松铺厚度的试验段，先分别用取土铲收集上部压实层土样用以检测湿土的湿密度、 含水率及干密度，然后用灌砂筒小心灌入标准砂至顶面齐平，记录人员记下此时孔内砂的质量和孔体积，当灌砂筒检测完上部压实层时，再挖出孔内砂，继续对下部压实层进行挖坑，挖深与第一次灌砂时齐平，并对挖坑面进行整平，再继续下一层的挖孔灌砂［3］。 之后对各个压实层的压实效果进行分析，得出YZ32 压路机在不同路基填土松铺厚度下干密度的变化情况，具体关系如图3 所示。

图3 碾压n 遍后粘性土不同松铺厚度的干密度

由图3 可知，在第一遍的强振碾压和第四遍的强振碾压中，YZ32 压路机在松铺厚度为60cm时土体干密度都相较于其他松铺厚度要大。 由此表明，YZ32 压路机填土松铺厚度为60cm 时，压实效果最好。

（2） 压实沉降率

先分别静压一遍，然后用水准仪检测各个标点的沉降差。 但是沉降差不能反映不同松铺厚度下的压实效果，需计算得到沉降率，即路基填土松铺厚度经过压实机械碾压n 遍后所产生的总沉降量与对松铺厚度的比值［4］。 试验计算得到的沉降差如表6 所示。

表6 粘性土试验路段沉降率记录表

从图4 可以看出，当碾压遍数增大时，压实层的沉降率增加，但松铺厚度最大时并不能获得最大的沉降率，这是因为沉降率可以间接表征压实效果，当沉降率越大时压实效果越好，松铺厚度为60cm 时，压实层的压实效果最好。

图4 碾压n 遍后压实层沉降率的变化

4 结语

以某公路工程项目为依托，总结了粘性土的物理力学特性，并研究分析粘性土路基的压实机理和施工技术得出以下结论：

（1） 随着含水量的增加，土颗粒间的结合水膜变厚，导致颗粒表面附着间距增大而造成粘滞性有所降低； 同时水在颗粒间起到润滑作用使土颗粒之间的内摩阻力逐渐降低。 这就会使干密度缓慢增长，而在达到最大干密度时对应的含水率就是最佳含水率。

（2） 三种击实功作用下，土体CBR 值先增后减且最大值不在最佳含水率附近，而当处于最佳含水率时，重型击实功的CBR 值大于另外两种。 当土体含水率超过最佳含水率时，重、 中型击实会因击实功过大而产生的 “弹簧” 现象，从而降低土体的CBR 值。 由此表明，轻型击实比较适用于含水率过大的土体。

（3） 通过以上试验可知，与普通型压路机相比，大振动压路机的压实效果更好，且使用大振动压路机时，上部压实效果较下部压实效果好。使用大振动压路机时，其松铺厚度在60cm 以下沉降率最大，压实效果最好。

（4） 大激振压路机的碾压更贴近公路路基工作状态下的承压工况，通过大激振压路机碾压的路基长期稳定性能更好。