高填方路基壓實(shí)度控制對策研究
摘要：填土是工程施工中工程量大、投資多、影響工程質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但其重要性又往往被施工人員所忽略。不注意總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和施工方法的路基施工，常導(dǎo)致路基沉陷、失穩(wěn)或擋土墻滑移等諸多問題。同時，由于土源不同、性質(zhì)有差異，很難從根本上找到一種具體通用的施工方法。由此研究土的壓實(shí)機(jī)理，根據(jù)土的壓實(shí)特性，特別是動荷載下的特性，尋求一種土方壓實(shí)方法，對于提高工程質(zhì)量、節(jié)約成本具有至關(guān)重要的意義。
關(guān)鍵詞：填土路基深陷擊實(shí)試驗(yàn)
1研究土方壓實(shí)的意義
填土層不同于天然土層，土體經(jīng)過挖掘、搬運(yùn)，原狀結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到破壞，含水量也已變化，在堆填時土團(tuán)之間必然留下許多大孔隙，使未經(jīng)壓實(shí)的填土強(qiáng)度低、壓縮性大而且不均勻，遇水易發(fā)生塌陷、崩解等。特別是道路路堤若填土不實(shí)，在車輛動荷載的反復(fù)作用下，會出現(xiàn)不均勻或過大的沉陷、坍落甚至失穩(wěn)，從而惡化運(yùn)營條件，增加維修工作量。為此，在路基工程中，必須對其按一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓實(shí)。
不同土的基本性質(zhì)復(fù)雜多變，對外界因素作用反應(yīng)也就各不相同。就土的壓實(shí)而言，同一壓實(shí)功對于不同狀態(tài)土的壓實(shí)效果可以完全不同，而為了達(dá)到同樣的壓實(shí)效果又可能會付出相當(dāng)大的不合技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求的代價。能否經(jīng)濟(jì)、合理、有效地進(jìn)行土方壓實(shí)，將直接影響工程進(jìn)度、成本和質(zhì)量。
2土的壓實(shí)機(jī)理
壓實(shí)機(jī)械對路基土的碾壓實(shí)際上是改變其三相組成比例，使土顆粒重新排列，壓實(shí)變密，增加單位體積內(nèi)固體顆粒百分含量，減少孔隙率，短時間內(nèi)得到新的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。包括增強(qiáng)粗粒土之間的摩擦和咬合，以及增加細(xì)粒土之間的分子引力改善土的性質(zhì)，最終使強(qiáng)度增加，穩(wěn)定性提高。通過碾壓使土體達(dá)到：
(1)連接的土粒重新排列靠近,密度增加,粘聚力增大。
(2)經(jīng)壓實(shí)使土粒外表水膜更薄增加內(nèi)聚力，提高土體抗剪強(qiáng)度。
(3)通過壓實(shí)將土體中連通孔隙的空氣擠出，減小孔隙率，增大密度，提高土體的水穩(wěn)定性，減少因凍脹引起的不均勻變形。
大量試驗(yàn)和實(shí)踐表明，土基壓實(shí)后，路基的彈性模量、塑性變形、滲透量、毛細(xì)水作用以及隔溫性能均有明顯改善。
3土壓實(shí)效果的主要影響因素
影響壓實(shí)效果的主要因素有內(nèi)因和外因兩個方面。內(nèi)在因素是土的含水量和土的性質(zhì)，外在因素是壓實(shí)設(shè)備、壓實(shí)時間與速度、土層厚度、壓實(shí)時的自然條件和人為因素等。概括起來，土的壓實(shí)度與壓實(shí)功能、壓實(shí)方法以及土的含水量有關(guān)。
土壤的顆粒大小和組成成份對壓實(shí)度有較大的影響。土或類似土的材料是否易于壓實(shí)取決于土的粒徑、顆粒表面特性以及級配。粒徑較大的中粒土比表面積小，顆粒之間的粘結(jié)力弱，易于在外力作用下產(chǎn)生位移而容易壓實(shí)；粉土、粘土顆粒小，比表面積大，顆粒間薄膜水互相吸附作用較強(qiáng)，自由水排出困難，壓實(shí)阻力大而難于壓實(shí)。接近立方體、棱柱體的易于壓實(shí)；薄片、長條多的難壓實(shí)。顆粒表面有一定粗糙度的雖然阻抗力要大些，但在碾壓過程中產(chǎn)生位移后能穩(wěn)定在新的位置，而表面光滑接近圓形的顆粒，雖易于移動，但不易穩(wěn)定，常難于壓實(shí)。而土粒級配是否良好，決定了土體能否被壓實(shí)到理想密度，級配良好的土，可以用較少的壓實(shí)功壓到要求的密實(shí)度，級配差或不含級配的土，盡管投入相當(dāng)大的壓實(shí)功，仍會留下很大的空隙。因此在填料選擇時應(yīng)優(yōu)選用天然級配較好的中、粗粒土，砂性土，盡量避免使用粉土、粘土，光滑無棱又顆粒均勻等難于壓實(shí)的材料。
3.1土質(zhì)的影響
土質(zhì)對壓實(shí)效果的影響很大，一般規(guī)律是:土質(zhì)不同,最大干密度和最佳含水量的數(shù)值也不一樣，而且分散性越高的土，其最佳含水量值也越高，最大干密度值越低；砂性土壓實(shí)效果優(yōu)于粘性土，其機(jī)理在于土粒越細(xì)，表面積越大，土粒表面水膜所需的濕度也越大，加之粘土中親水性膠體物質(zhì)含量較高所致。
3.2含水量的影響
壓實(shí)的作用是使土塊變形和結(jié)構(gòu)調(diào)整以致密實(shí)。目前，關(guān)于含水量對土體壓實(shí)的理論較多，比較流行的解釋是：在松散土含水量較少時，由于顆粒間引力(可能還包括了毛細(xì)管壓力)使土保持著比較疏松的狀態(tài)或凝聚結(jié)構(gòu)，土中孔隙大都相互連通，水少而氣多，在一定的外部壓實(shí)功能下，雖然土空隙中氣體易被擠出，密度可以增大，但由于水膜潤滑作用不明顯，以及外部功能還不足以克服土粒間引力，土粒相對移動很不顯著，因此壓實(shí)效果較差；含水量逐漸增大時，水膜變厚、土粒潤滑、土塊變軟，引力減弱，施以外部壓實(shí)則土粒移動而擠密，壓實(shí)效果漸佳；在接近最佳含水量時，土中孔隙更少連通或不連通，孔隙中的水和氣趨于封閉狀態(tài)，壓實(shí)時土內(nèi)產(chǎn)生的孔隙水壓力和孔隙氣壓力減低了擊實(shí)功的作用，但這時最有利于土粒受擊實(shí)時發(fā)生相對移動使土體密實(shí)，以致能壓實(shí)到最大干密度，或者說，在最佳含水量時，土的密度達(dá)到了該壓實(shí)功能下的極限值，干密度不再提高；當(dāng)含水量繼續(xù)增加，孔隙中出現(xiàn)了自由水，壓實(shí)時孔隙水不易排出，形成較大的孔隙壓力，阻止了土粒的靠攏，所以壓實(shí)效果反而下降[2-3]。
3.3壓實(shí)功的影響
壓實(shí)功指施工時壓實(shí)機(jī)具的品種、質(zhì)量、碾壓次數(shù)或試驗(yàn)儀器落錘高度、作用時間等,其對壓實(shí)效果的影響是除含水量以外的另一重要因素。
3.4其他因素的影響
�。�1）填方用土拌和的均勻程度對壓實(shí)度的影響：由于土場中砂的分布以及土塊大小不可能完全均勻一致，土質(zhì)的均勻程度達(dá)不到試驗(yàn)取樣的混合程度，在施工中也就不能保證填方土像試樣那樣土質(zhì)均勻、含水量一致。因此，在碾壓功能一定的條件下，壓實(shí)效果也就不會一樣。
�。�2）壓實(shí)厚度對壓實(shí)效果具有明顯影響不同，壓實(shí)機(jī)具有效壓實(shí)深度不同。在相同壓實(shí)條件下(土質(zhì)、含水量與壓實(shí)功能不變)，土層不同深度的密度隨深度遞減，因此，填方土基壓實(shí)時，每次攤鋪合理的土層厚度是保證壓實(shí)效果的重要因素之一。
�。�3）填方施工每層的平整度對壓實(shí)度的影響在碾壓施工操作中，表面平整度會導(dǎo)致機(jī)械壓實(shí)時各部位壓實(shí)度不均勻，使一些部位的壓實(shí)度可能低于要求。
4控制土基壓實(shí)的方法和措施
�。�1）控制指標(biāo)
擊實(shí)試驗(yàn)是室內(nèi)研究土的壓實(shí)特性的基本方法[6]，可為現(xiàn)場施工提供控制壓實(shí)質(zhì)量的重要參數(shù)，如最佳含水量、最大干密度、液限、塑限、塑性指數(shù)等。但工程上的填方壓實(shí)條件與室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)條件是有差別的。例如現(xiàn)場填筑時的碾壓機(jī)械與擊實(shí)試驗(yàn)的自由落錘的工作情況不同，前者大都是碾壓，而后者則是沖壓�，F(xiàn)場填筑中土在填方中的變形條件與擊實(shí)試驗(yàn)時土在剛性擊實(shí)筒中的也不一樣，前者可產(chǎn)生一定的側(cè)向變形，而后者則有側(cè)限。為便于壓實(shí)質(zhì)量的控制，只能采用壓實(shí)系數(shù)，即以壓實(shí)度表征。
�。�2）方法和措施
1）土質(zhì)選擇與改善措施
考慮填方用土的原則：在充分考慮本工程范圍內(nèi)的棄借土方平衡和合理運(yùn)距后，如無特殊要求時,宜選擇砂性土、粘性土為填方用材料。在雨季施工，最好選用砂性土或摻砂的方法改善土質(zhì)。在開挖深度范圍內(nèi)取土樣，通過試驗(yàn),確定補(bǔ)砂比例和補(bǔ)砂量，均勻攤鋪，原地?fù)桨杈鶆颉?/p>
2）含水量控制
填方路基碾壓時能否控制土的含水量接近最佳含水量是碾壓達(dá)到壓實(shí)度要求的關(guān)鍵。北京地區(qū)大多數(shù)土場的土，實(shí)際含水量一般都大于最佳含水量，因此往往需要采取以下措施：①土場拌和。②現(xiàn)場拌和。③)含水量必須根據(jù)土質(zhì)、實(shí)際含水量、土場情況以及工期、施工季節(jié)等因素確定。④在雨季施工,必須做到快，同時做好排水；下雨之前,應(yīng)及時碾壓,以防水分下滲。
�。�3）填方土層厚、拌和均勻度及平整度的控制
填土段的攤鋪厚度、均勻度及平整度是實(shí)現(xiàn)碾壓功能對每個點(diǎn)都做相同功的基礎(chǔ)，因此在施工中應(yīng)做到：(1)每層虛鋪厚度平整,土與水拌和均勻,為均勻壓實(shí)創(chuàng)造條件。(2)按高程控制平整度,確保不超厚。
(3)橫斷面坡度要符合要求,并以略凸為好。(4)以平地機(jī)和壓路機(jī)平整壓實(shí),以消除虛實(shí)差異。
（4）碾壓設(shè)備的選擇與壓實(shí)要求
1）現(xiàn)行規(guī)范[7]及標(biāo)書中大都規(guī)定填土每層厚度不超過20cm，而且路基頂面以下0～80cm壓實(shí)度≥96%。由上可知，增加壓實(shí)功能可以提高土基強(qiáng)度，但功能增加到一定程度,效果提高較為緩慢，一旦功能過大破壞了土的結(jié)構(gòu)，效果適得其反。當(dāng)土的含水量過大時，若繼續(xù)增大壓實(shí)功能，必將出現(xiàn)“彈簧現(xiàn)象”，壓實(shí)效果很差,造成返工浪費(fèi)。所以，合理選擇壓實(shí)功能亦是控制壓實(shí)效果的極其重要的措施,否則難以達(dá)到壓實(shí)要求。
2）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，在要求壓實(shí)度為96%、94%、93%、區(qū)域選擇合適的碾壓方式，合理選擇碾壓機(jī)具也是控制壓實(shí)效果的重要方面。
3）應(yīng)選擇合理的施工工序；壓實(shí)過程中，還要經(jīng)常檢查土基含水量和密度，以達(dá)到符合規(guī)定的壓實(shí)度要求。最后以外觀無明顯輪跡時終止碾壓。
5結(jié)束語
近幾年來公路的發(fā)展較快，但有些工程竣工通車后，在較短的時間內(nèi)有的路段尤其是高填方路段即出現(xiàn)了不均勻和不同程度的沉降，該種現(xiàn)象表現(xiàn)為填方越高，沉降幅度越大，嚴(yán)重路段甚至造成交通中斷。沉降的原因是多種的，但可以歸納為2大類：地基承載力不足引起的路基下沉；路基壓實(shí)度滿足不了自重應(yīng)力的作用，產(chǎn)生了壓縮性沉降�！ �
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