不同配重压路机对路基压实度与碾压遍数关系的影响

季 征,刘绍平

(1.安徽省交通控股集团有限公司,安徽 合肥 230088;2.长沙理工大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410114)

0 引 言

我国公路建设发展迅猛,国家对公路建设的投资也越来越大,公路工程的质量也越来越受到国家的重视。路基作为道路的基础,是路基路面结构的重要组成部分,对路面结构的强度和刚度起着决定性的作用。如果路基出现强度不够的问题,公路路面的相关病害也会逐渐显露出来,不但公路质量得不到保证并且会对行车安全造成一定的影响,缩短公路正常使用年限,进而削减公路的实际运营收益。在现今的道路工程领域,压路机可以分为振动式和静压式压路机,分别应用于路基和路面的压实工作,并通过一种振动冲击波的形式影响路基的压实质量,从而达到预期的压实度。

国内学者对于道路工程施工过程中的碾压工艺的研究已经取得一定成果,李可等[1]应用冲击碾压技术处理路基土,并对弯沉值、回弹模量值、压实度检测值进行分析,并分析得出了冲击碾压最佳遍数。单东旭[2]通过冲击压路机压实次数对路基压实的效果进行分析,总结得出随着对路基碾压次数的增加,所影响的路基深度范围由上到下逐渐减小,随着对路基碾压次数的增多,沉降量的变化呈先变大后减小,并渐渐趋向稳定状态的规律。沈红霞[3]详细阐述了冲击压路机的工作方式及使用原则,并逐步分析了冲击压路机压实次数对路基压实度的影响。研究表明,随着压路机对路基压实次数逐渐增加,其影响深度自上而下依次减弱;沉降量随着压实次数的增加先逐渐增大后逐渐减小,最后趋于一种相对稳定的状态。许海亮等[4]对贵州某高速公路路堤进行现场路基压实试验,根据碾压次数对压实度的影响,确定最佳碾压施工工法,结果表明:压实度随碾压次数的增加而增大,压实度随振动频率的加快而增大。戴丽等[5]针对黄土路基特殊的结构特点,准备在填方路基两侧10 m范围采用振动压实的方式,并在挖方区采用冲击碾压方式来进行施工。总结分析出了冲击碾压对路基的性能影响,并最终获得了最佳碾压次数的施工方案。邢亮等[6]计算了单位土体通过击实达到最大干密度所需能量值,然后通过压路机的振动理论,计算得出了压路机经过一次碾压后单位土体所需的能量,并得出了压路机碾压至预期压实度的碾压次数。李江[7]针对路基施工压实过程中压路机碾压遍数难以确定的问题,设立了压路机碾压遍数控制模型,并发明了相应的仪器设备。王越[8]总结得出随着压路机碾压遍数增加,砂性土路基的沉降量和压实度逐渐增大,而压实前后弯沉值变化率呈先增大后减小的趋势,其中碾压遍数达到10次时路基压实度达到最佳值,而当碾压次数超过20次时可能会使路基达到过度压实的状态,从而使路基达到失稳的状态,为了保证经济成本的最小化和施工效率的最大化,取碾压遍数达到10次时为最佳值。王昌衡等[9]表明理论计算的碾压次数与实际施工相一致,从而证实路基振动碾压次数的新方法是可行的,为施工单位确定压路机的振动碾压次数提供了一定参考。曾念贵[10]对高液限黄土的松铺、碾压等施工技术进行了探究,并得到了压实度与松铺厚度、碾压遍数的相关关系及简化公式。压实参数的选择为实际工程中高液限黄土路基填筑给出了施工指导,并为同类工程提供了借鉴依据。宋修广等[11]通过设置路基不同的填筑厚度和碾压遍数进行现场冲击碾压试验,检测路基压实度等,并对比分析了3种不同虚铺厚度粉土路基的冲击压实效果。结果表明:表层土体压实度达到或超过93%后,压实度增长曲线出现拐点,继续实施冲击碾压对提高土体压实效果影响不明显,难以使得层底土体压实度达到96%;从而得到最适宜冲击碾压遍数为20次,最佳碾压速度为10～12 km/h。时欢等[12]分析了压实度是路基施工过程中重要的检测指标,而且碾压的方式以及碾压的遍数都会对路基压实度产生一定的影响。廖卫斌[13]分析了冲击碾压施工对不同深度土体的孔隙率和压缩模量的影响效果及土体沉降量随碾压遍数的变化趋势,总结了碾压遍数对不同深度土体压实度的影响。王冬妮[14]结合工程实际,对冲击碾压技术在公路路基施工中的应用进行了方法总结与分析,包括施工准备、填方平整、碾压施工等内容。研究表明,在冲击碾压施工环节,应结合现场实际情况,确定碾压速率和碾压遍数,确保路基的压实度达到要求。

通过对沪陕高速公路合肥至大顾店段拼接路基3个标段的8个断面进行不同配重压路机的压实度与碾压遍数关系测试,分析不同配重压路机对路基的压实度与碾压遍数之间关系的影响。

1 工程概况

项目现有高速为双向四车道(互通、服务区、特大桥等局部为六车道),设计速度为120 km/h,路基宽度28 m。本项目全线为双向四车道扩建为双向八车道,无加宽段,采用两侧直接拼宽方式,拼宽后路基宽为7×2+28=42 m。设计速度120 km/h,主线全线无超高。

项目处于江淮分水岭,属于淮河水系,微水系为东淝河水系。东淝河是淮河右岸的一级支流,位于长江、淮河分水岭的北例,源出江、淮分水岭北侧,东与池河、窑河流域为界,西邻淠河流域,北抵淮河,东淝河全长152 km,流域面积4 200 km2。洪水位的变化对建设工程基本无影响。地下水主要为松散岩类孔隙水和红层孔隙裂隙水。松散岩类孔隙水主要接受大气降水的补给,其次为地表水和农田灌溉入渗补给,径流方向受地形地貌的控制,大致与地面坡向基本一致,总体趋势由南向北径流。红层孔隙裂隙水主要接受大气降水的补给,雨水多沿基岩表面裂隙、溶隙下渗,一部分沿潜水面运移到溪沟中,并以下降泉方式排泄;一部分则沿断裂运移到深部储水构造中或侧向补给孔隙水。地下水对本工程影响总体较小,局部地下水位较高路段设置纵横向渗沟进行排水。

所在地区地势总体特征为高低起伏交替出现,呈波状,分布标高30.38～68.00 m,最低点位于项目东部东溉河支流处的河漫滩,最高点位于项目区中西部汲东渠旁的岗地。沿线主要分布低液限黏土,特殊土主要为膨胀土和软土。

试验用土取自沪陕高速公路合肥至大顾店段改扩建工程施工现场。项目起点位于G40沪陕高速公路合肥至大顾店段与S17蚌合高速交叉口处,终于大顾店枢纽互通。该地区属我国南北气候过渡带,气候温和、湿润,四季分明,雨量适中,日照充足,年平均气温15.2 ℃,年平均降水量为1 071.45 mm,年平均蒸发量1 538.5 mm,年平均相对湿度76%。

2 试验方案

2.1 灌砂法测压实度

为了测试路基土的压实度,参考了以往的研究[15],最终选择用灌砂法来测压实度,其测试步骤如下。

(1)按灌砂法试验中挖坑的步骤挖好试坑,称取试坑内土样质量mw,测定试坑土样含水率w(%);

(2)向内灌砂筒注满标准砂,称取标准砂的质量m1,精确至1 g;

(3)将灌砂筒倒置于挖好的试坑上,打开阀门,使砂注入试坑。当砂注满试坑时关闭阀门,之后计算注满试坑所用的标准砂质量m2,精确至1 g;

(4)试样的湿密度ρw为

(1)

式中:ρs为标准砂密度。

(5)试样的干密度ρd为

(2)

(6)试坑压实度为

(3)

式中:K为压实度;ρdmax为室内试验获得的填土最大干密度。

2.2 试验步骤

路基碾压时,先静压一遍,再振动压实数遍,然后根据压实度检测结果确定振动压实的遍数。为进一步考察压路机重量对达到目标压实度所需碾压遍数的影响,在1标测试段落选用28 t(增加配重)重型振动压路机进行振动压实,在2、3标测试段落选用22 t常规振动压路机进行振动压实。

2.3 测试点位的选择

在3个标段共选取4个试验路段进行测试,在每个试验路段中选取2个断面作为测试断面,如表1和图1所示;考虑到测试条件的统一性,压实度现场测试均在选定断面的93区顶、94区顶及96区顶处进行。每个测试断面设置3个测点,分别位于左距路线中桩3 m、路线中桩、右距路线中桩3 m处。

图1 测点示意图

表1 测试点位分布表

3 试验结果及分析

根据所选的测试点位,共计完成72个测试点的测试工作,并对93区、94区和96区的测试结果进行分析。

3.1 93区碾压测试结果分析

由图2～5可看出,现场测试断面压实度随着碾压遍数的增加而增大,其中28 t重型振动比22 t常规振动的压实度变化速率更加快;最终可以得出28 t重型压路机振动碾压4遍后压实度可超93%,22 t常规压路机振动碾压5～6遍后压实度可超93%。

图2 1标28 t重型振动碾压测试结果K659+840～K659+946(左幅)

图3 2标22 t常规振动碾压测试结果K670+160～K670+270(右幅)

图4 3标22 t常规振动碾压测试结果K677+100～K670+200(左幅)

图5 3标22 t常规振动碾压测试结果K677+535～K677+775(右幅)

3.2 94区碾压测试结果分析

如图6～9所示,现场测试断面压实度随着碾压遍数的增加而增大,其中28 t重型振动比22 t常规振动的压实度变化速率更加快,最终可以得出28 t重型压路机振动碾压6遍后压实度可超94%,22 t常规压路机振动碾压7～8遍后压实度可超94%。

图6 1标28 t重型振动碾压测试结果K659+840～K659+946(左幅)

图7 2标22 t常规振动碾压测试结果K670+160～K670+270(右幅)

图8 3标22 t常规振动碾压测试结果K677+100～K670+200(左幅)

图9 3标22 t常规振动碾压测试结果K677+535～K677+775(右幅)

3.3 96区碾压测试结果分析

如图10～13所示,现场测试断面压实度随着碾压遍数的增加而增大,其中28 t重型振动比22 t常规振动的压实度变化速率更加快;最终可以得出28 t重型压路机振动碾压8遍后压实度可超96%,22 t常规压路机振动碾压9～11遍后压实度可超96%。

图10 1标28 t重型振动碾压测试结果K659+840～K659+946(左幅)

图11 2标22 t常规振动碾压测试结果K670+160～K670+270(右幅)

图12 3标22 t常规振动碾压测试结果K677+100～K670+200(左幅)

图13 3标22 t常规振动碾压测试结果K677+535～K677+775(右幅)

4 结 论

在公路路基施工过程中影响压实度的因素有很多,比如碾压遍数等会对路基压实会产生一定程度的影响,压路机在实际碾压过程中的质量控制水平直接决定着公路路基压实效果。而在实际施工过程中,压路机对路基的碾压遍数越多并不代表压实质量就越好,如果单方面的强调碾压遍数,可能不会得到较好的压实结果。通过对3个标段的8个断面进行不同配重压路机的压实度与碾压遍数关系测试,得出以下结论。

(1)路基压实度与碾压遍数存在一定的相关关系,压实度随碾压遍数的增加而增大,且不同配重的压路机要达到相同的压实度所需的碾压遍数也有所不同。

(2)压实度随振动压实遍数的增加而增长,但增长幅度普遍随振动压实遍数的增加而减缓。压实度与振动压实遍数的关系可采用多项式K=An2+Bn+C的形式描述,回归精度可靠。