大粒径碎石路基施工控制技术的研究

大粒径碎石路基施工控制技术的研究

大粒径碎石路基施工控制技术的研究研究报告（简本）引言交通部西部交通建设科技项目“大粒径碎石路基施工控制技术的研究”由长安大学承担，项目负责人为沙爱民教授。项目合同编号为：200131881243。研究工作从2001年8月开始，于2005年1月结束。随着我国公路建设向西部山区的纵深发展，路基高填深挖现象将变得普遍。如何处理深挖路堑和隧道施工所产生的大量废弃的大粒径碎石成为山区公路必须面对的工程问题，而现有公路部门的路基施工控制技术研究多建立在细粒土基础上。针对大粒径碎石路基的施工组织与控制技术以及施工质量的检测和评定方法，目前缺少完善的技术手段和统一明确的技术要求。西部地区的公路建设迫切需要解决大粒径碎石路基的施工控制技术。因此开展“大粒径碎石路基施工控制技术的研究”项目的研究是及时和必要的。本项目在大量调研、收集国内外施工实践经验，系统整理现有文献数据资料的基础上，选择有代表性填料的大粒径碎石路基施工路段作为现场试验段，通过系统的室内和现场试验，明确了碎石填料的工程特性，全面深入地研究摊铺工艺、机械选型、松铺厚度、碾压组合、质量检测方法以及含水量影响等若干关键技术问题，提出大粒径碎石路基施工工艺技术、质量检测方法和评定标准，并通过路基的沉降观测来验证施工工艺、检测方法以及评定指标的科学性和合理性。一、大粒径碎石填料的工程特性研究1.1大粒径碎石填料的分类方法当填方路基的填料中粒径大于60mm的颗粒含量大于50%，粒径＜0.074mm的颗粒含量小于10%时，将其定义为大粒径碎石路基。依据石料的岩性，主要按照填料的强度，同时结合其风化程度将碎石填料分为坚硬类石料、次坚硬类石料、软质岩类石料和极软类石料。与此填料相对应的大粒径碎石路基也分为坚硬类岩石大粒径碎石路基、次坚硬类岩石大粒径碎石路基和软质岩类大粒径碎石路基。1.2大粒径碎石填料的压实特性大粒径碎石路基填料粒径较大，空隙较大，渗透性强，其压实过程是石料颗粒在压实功能的作用下，克服颗粒间阻力，相互靠近密实，减小孔隙体积的过程，且压实1n大粒径碎石路基施工控制技术的研究研究报告（简本）过程中伴有颗粒破碎现象。大粒径碎石路基的强度、刚度和水稳定性主要取决于填料颗粒之间相互嵌锁挤紧的程度。1.3大粒径碎石填料的粒径组成试验研究表明，几个重要粒径的颗粒含量在总体上主导形成了路基的结构类型，从而决定了碎石填料的压实特性。通过现场压实试验和理论分析，认为大粒径碎石填料的粒径组成应主要通过填料的最大粒径、不均匀系数以及几个重要粒径的含量来加以控制，并提出了针对不同岩性填料的大粒径碎石路基压实施工的较为合理、可行的粒径组成要求。大粒径碎石路基碎石填料大粒径碎石路基的沉降变形观测1.4大粒径碎石填料的破碎性针对大粒径碎石路基填料特有的破碎性，就破碎现象的产生机理、影响因素以及填料破碎性对路基稳定性的影响作用等关键问题进行分析后得出，大粒径碎石路基填料在碾压过程中被压碎是必然的，而且破碎现象对路基施工质量既有减少孔隙比的有利方面，也有破坏路基稳定结构的不利方面。破碎率与路基沉降率的关系181614（12沉10％）降8率64201216202428323640444852破碎率（％）碎石填料的破碎现象碎石填料破碎率与路基沉降率关系2n大粒径碎石路基施工控制技术的研究研究报告（简本）1.5大粒径碎石填料的变形特性在依托工程上开展沉降观测试验，通过对地基和填筑体压缩层在施工期和工后沉降变形的观测，验证了本项目采用的施工工艺和质量检测方法能够有效保证大粒径碎石路基的稳定性。通过收集整理堆石坝沉降数据和其他大粒径碎石路基沉降数据，结合本试验路段的沉降数据分析表明，大粒径碎石路基沉降变形主要发生在施工期，施工时必须采用良好的施工工艺和质量检测方法才能够保证大粒径碎石路基的稳定性。二、大粒径碎石路基压实机械选型技术研究2.1大粒径碎石路基填料的工程特性对压实方式的要求对于大粒径碎石路基的压实应该首先选用振动压实机械，在压实施工过程中合理选用振动压路机是保证大粒径碎石路基施工质量的前提，不宜单纯使用静力压路机。2.2大粒径碎石路基压实机械选型现场试验提出了大粒径碎石路基的压实机械选用原则：选用工作质量大，激振力大，振动频率合适，高振幅的机型，最好选用拖式振动压路机，具体选用标准建议如下：①若选用中型及重型单钢轮压路机，整机质量应在18吨以上，振动频率在30～35Hz之间，振幅在1.8mm以上；②选择拖式振动压路机的工作质量应在18吨以上，振幅在1.5mm以上；③选用冲击式压路机，应选用静压实能在25KJ以上的，但要控制压实遍数，以免冲击压实过度，影响压实质量。]拖式凸块振动压路机压实路基填石路基专用压路机3n大粒径碎石路基施工控制技术的研究研究报告（简本）2.3专用压实机械现场试验针对大粒径碎石路基压实特性，项目组开发了专用压路机，其具有以下优势：（1）激振力较同等吨位的自行式压路机要大的很多。（2）特有的垂直与水平两个方向的振动方式，不仅可以在垂直方向使石料在振动中发生位移，挤密，而且在水平方向进行揉搓作用，更易于形成稳定的结构状态。（3）振动轮上的凹槽有利于压路机对碎石填料的压实嵌挤作用。2.4大粒径碎石路基的冲击压实现场试验结合大粒径碎石路基的工程特点，对大粒径碎石路基的冲击压实提出了较为具体的施工工艺技术要求。三、大粒径碎石路基施工工艺研究3.1大粒径碎石路基的地基处理要求提出了大粒径碎石路基土质地基和石质地基的地基承载力、排水设施以及地基坡度处理等技术要求。3.2大粒径碎石路基的摊铺及整平技术大粒径碎石路基的摊铺应采用渐进式摊铺方法。大粒径碎石路基填料整平工艺的关键是保证使较大的石块居于每层的底部，较细的颗粒居于顶部，并填充其间的孔隙，以确保最佳的嵌锁和压力传递。碎石填料的最大粒径应随路基填筑深度的降低而逐渐减小，同时考虑到压碎性的双重影响，对于强度不同的石料，最大粒径控制值也应不同，提出了大粒径碎石路基填料的最大粒径、不均匀系数、松铺厚度以及松铺系数建议值。大粒径碎石路基摊铺工艺大粒径碎石路基压实工艺4n大粒径碎石路基施工控制技术的研究研究报告（简本）3.3大粒径碎石路基的压实工艺大粒径碎石路基压实施工的碾压组合原则应是：优先选择拖式振动压路机进行碾压组合，而不应单一选用自行式压路机；优先选用吨位及激振力较大的压路机；碾压组合的压路机数量越少越好。建议大粒径碎石路基的压实宜使用：18T拖式凸块振动压路机与18T自行式振动压路机的组合。在没有18T拖式凸块振动压路机的情况下，也可考虑使用18T拖式光轮振动压路机与18T自行式振动压路机的组合。大粒径碎石路基正式施工时的碾压遍数应结合填料具体的工程性质和现场压实机械情况通过试验路段来确定，提出了大粒径碎石路基的碾压遍数建议值。层厚与沉降率的关系201816沉1412降10率8%6420404550556065707580859095100105110层厚（cm）大粒径碎石路基松铺层厚与沉降率的关系不同层厚条件下砂岩路基碾压遍数与沉降率的变化图1457cm121058cm沉降860cm率6%70cm4271cm072cm2遍4遍6遍8遍10遍12遍14遍16遍碾压遍数大粒径碎石路基碾压遍数与沉降率的关系3.4大粒径碎石路基的含水量问题对于坚硬类岩石的大粒径碎石路基，路基含水量对压实效果的影响较小，可不作含水量的特殊要求；当坚硬类大粒径碎石填料中混有粘性细颗粒土时，应结合现场实5n大粒径碎石路基施工控制技术的研究研究报告（简本）际，可考虑增加洒水工序；对于较软弱岩石的大粒径碎石路基，在施工中应考虑洒水。3.5大粒径碎石路基边坡施工技术建议大粒径碎石路基边坡施工采用先填筑后码砌的施工方式，并具体提出了大粒径碎石路基边坡施工的石料技术要求、施工工艺要求以及施工质量控制要求。四、大粒径碎石路基质量检测方法与评定标准研究4.1大粒径碎石路基施工质量的沉降检测方法沉降率是指路基压实层经过压实以后的表面沉降量与压实层松铺厚度的比值，它反映了路基填筑体在压实作用下的整体压缩变化程度。在理论上，沉降率与干密度孔隙比有着良好的关系。（1）沉降率与干密度、孔隙比之间关系的现场试验研究通过现场试验，应用数理统计的方法，验证了沉降率与干密度、孔隙比之间具有良好的关系，说明在实际工程中沉降率能够很好地反映出孔隙比和干密度。（2）沉降率与干密度、孔隙比之间关系的室内比较试验通过室内振动压实试验测定了大粒径碎石填料的最大干密度，得出了现场试坑填料的压实度，其都达到了95％以上，这说明所采用的施工工艺能够有效保证路基压实达到要求，所采用的质量检测方法也能有效反映压实状况。大粒径碎石路基压实质量沉降检测一大粒径碎石路基压实质量沉降检测二4.2大粒径碎石路基施工质量的弯沉检测方法将落锤式弯沉仪应用到大粒径碎石路基的质量检测中，在实践上证明了落锤式弯沉仪用于大粒径碎石路基弯沉检测的可行性；针对大粒径碎石路基的压实特点具6n大粒径碎石路基施工控制技术的研究研究报告（简本）体规范了弯沉检测的技术要求与应用程序；弯沉值反算的路基模量与路基沉降率的对比关系研究表明，用沉降率指标来控制检测压实质量可以保证大粒径碎石路基的承载能力满足公路使用要求。4.3大粒径碎石路基施工质量的密度检测方法通过灌水法试验，检测了路基的压实密度，分析了压实后的填料粒径组成情况，研究明确了不同的施工工艺以及技术参数对大粒径碎石路基压实质量的影响作用，提出了大粒径碎石路基灌水法试验的技术要求。大粒径碎石路基压实质量密度检测大粒径碎石路基压实质量弯沉检测石灰岩类石灰岩沉降率与弯沉值的关系层厚与弯沉值的关系140090012008001000700弯600800弯沉500沉值600400值3004002002001000040506070809056789101112131415层厚（cm）沉降率（％）大粒径碎石路基沉降率与弯沉值的关系大粒径碎石路基层厚与弯沉值的关系4.4大粒径碎石路基施工质量检测方法的确定在施工过程中应采用沉降率方法检测路基压实质量，同时，在碾压过程中辅以碾压遍数的监控可达到较好的施工效率。竣工验收或质量评定阶段，在采用沉降率或沉降差检测的基础上，可增加弯沉7n大粒径碎石路基施工控制技术的研究研究报告（简本）检测，同时亦可获得路基模量参数值。在需要获得真实路基密度或存在争议的情况下，可增加密度检测。4.5大粒径碎石路基施工质量的评定标准4.5.1沉降差质量检测法通过汇总现场沉降差数据（样本值来源于不同岩性的填料，不同的碾压机械、不同的摊铺层厚以及不同检测机型等情况下的现场试验数据），采用数理统计的方法归纳出沉降差的标准初值，并进一步考虑普通水准仪和精密水准仪的差异，确定沉降差的管理标准值。施工单位在大粒径碎石路基的实际施工中应结合具体的工程现状，开展试验路段来确定具体的沉降差实际管理标准值。4.5.2沉降率质量检测法提出沉降率管理标准值为S0＝μ－2σ。保守情况下μ－2σ应取大值，则需要μ取得较大值，σ取得较小值。通过单侧置信估计得到沉降率管理标准值。五、主要研究成果和创新点（1）系统研究了大粒径碎石填料的工程特性。提出了大粒径碎石填料的分类方法；提出大粒径碎石路基填料的粒径组成很大程度上决定着路基的压实质量，并推荐了针对不同岩性填料的大粒径碎石路基有利于压实的粒径组成要求；探究明确了填料破碎现象的产生机理、影响因素以及填料破碎性对路基稳定性的影响作用。（2）针对碎石填料工程特性，首次研发了具有垂直和水平双向振动压实功能的大粒径碎石路基专用压实机械，经实体工程验证，具有明显的压实效果。（3）系统提出了大粒径碎石路基的施工工艺与技术要求，编制了大粒径碎石路基施工技术指南。通过试验路段的现场研究，提出了大粒径碎石路基的地基处理要求，并在对大粒径碎石路基填料最大粒径、松铺厚度、粒径组成、压实机械以及碾压遍数等影响压实效果因素综合分析的基础上，深入研究了大粒径碎石路基填料的摊铺与整平技术、压实机械选型技术、压实工艺以及边坡施工技术等施工工艺中的关键问题。（4）深入研究了沉降率、干密度和空隙比之间的关系。在理论模型分析基础上，通过室内表面振动压实试验和现场试验，证明了在实际施工中沉降率和干密度、空8n大粒径碎石路基施工控制技术的研究研究报告（简本）隙比之间具有良好的相关性，沉降率能够真实反映大粒径碎石路基的密实状态。（5）针对大粒径碎石路基施工质量的沉降检测、弯沉检测和密度检测等多种检测方法进行现场试验，提出了较为系统的以沉降差检测和沉降率检测为主的施工质量检测方法及其技术要求、操作规范和质量评定标准。（6）将落锤式弯沉仪用于大粒径碎石路基的施工质量检测，从路基的弯沉值角度验证了沉降率作为路基压实质量检测指标的可行性。（7）采用沉降板、分层沉降观测仪等设备长期系统观测了大粒径碎石路基的变形特性，验证了所提出的施工工艺、质量检测方法及评定标准的有效性。经国内外文献检索，未发现与本项目研究成果和创新点相同的文献资料报道，本项目的研究技术居国际先进水平。六、成果应用情况及效益分析6.1成果应用情况（1）《大粒径碎石路基施工技术指南》的应用情况本项目编制的《大粒径碎石路基施工技术指南》，经甘肃省刘白高速公路等多条填石路基施工路段的应用和验证，成功地指导了大粒径碎石路基的施工，解决了山区地区大粒径碎石路基建设中的技术难题，降低了工程造价，产生了巨大的经济效益，并为以后的推广应用创造了条件，积累了丰富经验。（2）大粒径碎石路基压实质量沉降检测法的应用情况本项目提出的大粒径碎石路基压实质量的沉降检测法，经依托工程的试验、使用和工后沉降验证，表明了检测方法的可行性、科学性和准确性。项目组通过各种9n大粒径碎石路基施工控制技术的研究研究报告（简本）渠道介绍和宣传研究成果，在中国公路学会道路工程分会2004年学术会议上进行了交流。《公路工程质量检验评定标准》JTGF80/1—2004采用该方法作为填石路基的检测方法。（3）填石路基专用压路机的应用情况本项目研究开发的填石路基专用压路机经依托工程的现场试验研究表明，专用压路机具有良好的压实效果和施工效率。该项发明获得2002年～2003年度陕西省专利奖一等奖。目前填石路基专用压路机已经投放市场，为全国山岭地区的填石路基施工建设事业作出巨大贡献。6.2效益分析本项目的经济效益主要表现在充分利用大粒径碎石代替常规土填筑路基所产生的节约效益，应用本项目研究成果的四条高速公路上的八个填石路基施工路段所产生的经济效益为8667万元。社会效益表现在避免了大量的挖方弃方占用农田耕地，减小了公路沿线环境治理费用和路基施工造成的水土流失问题，提高了西部山岭区公路修筑技术水平，促进了高等级公路在西部山岭地区的建设，提高了人民生活水平，改善了山岭地区生活环境。6.3推广应用前景大粒径碎石路基填筑技术的应用，充分利用公路挖方材料，从而能够大量节约公路建设资金，并保护沿线环境，极为符合全国经济建设有效、健康的发展目标，有着重大的经济和社会意义。本项目研究成果将有利于进一步完善和提高我国公路路基施工技术，提高公路修筑技术水平，满足西部山岭区公路建设过程中对填石路基施工控制方法和评定标准的迫切需求，为山岭区公路建设中的填石路基施工控制提供依据和指导，具有极为广阔的应用前景。本项目的实施成果将满足目前山岭重丘区公路修筑的迫切需要，解决大粒径碎石路基施工控制技术问题；符合公路建设充分利用资源、降低工程造价的原则；有助于完善公路路基施工技术规范，促进高等级公路在西部地区的建设，推动西部经济大开发战略的实施。10