崔 毓

(中國水電建設(shè)集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 100048)

1 工程概況

沈吉高速公路隸屬于琿烏高速公路沈陽至吉林段聯(lián)絡(luò)線，建成后將成為連接遼寧省與吉林省的交通主干道。沈吉高速公路四合同段位于遼寧省清原縣周邊地區(qū)，全長12 km，土方挖填基本平衡，利用方占全標(biāo)段填方總量的92%，在挖方施工中，部分挖方地段表層覆蓋低液限粘土或強(qiáng)風(fēng)化巖層，下部為泥粉砂巖和泥巖，泥巖由于礦物成分含量強(qiáng)度變化較大，干燥狀態(tài)下強(qiáng)度比較高，但在大氣環(huán)境影響下，巖塊可崩解成土，甚至泥化，強(qiáng)度明顯降低，填料性能較差。因此，選用泥巖作為路基填料容易造成路基塌陷、路面斷裂等不良狀況，高速公路施工中常將泥巖作為棄方處理，但沈吉高速公路若將挖方段的泥巖棄置不用，不僅將增加巨額工程費(fèi)用，且因整個(gè)沈吉四標(biāo)段地處清原縣縣城周邊，棄方征地難度極大，征地動(dòng)遷部門也無力解決此問題。因此從研究泥巖的礦物成分、結(jié)構(gòu)形式、碎解特征等方面，并結(jié)合路基試驗(yàn)段探討泥巖路堤填筑技術(shù)、施工工藝及其質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)及檢測方法，以解決泥巖作為路用填筑材料，尋找泥質(zhì)粉砂巖、泥巖作為路基填料的實(shí)用性和可操作性，成為整個(gè)沈吉項(xiàng)目部路基填筑的重中之重，且將研究成果直接應(yīng)用到沈吉高速公路的路基施工中去，對降低工程造價(jià)和保證工期等均具有重要的意義。

2 泥巖力學(xué)特性及崩解試驗(yàn)

2.1 巖石物理力學(xué)特性

泥巖隸屬于沉積巖的一種，礦物成分復(fù)雜，主要由粘土礦物(如水云母、高嶺石、蒙脫石等)組成，其次為碎屑礦物(石英、長石、云母等)、后生礦物(如綠簾石、綠泥石等)以及鐵錳質(zhì)和有機(jī)質(zhì)。泥巖質(zhì)地松軟，固結(jié)程度較頁巖弱，重結(jié)晶不明顯。常見類型有:鈣質(zhì)泥巖，鐵質(zhì)泥巖，硅質(zhì)泥巖。

由于泥巖普遍存在兩種典型結(jié)構(gòu)即粒狀碎屑結(jié)構(gòu)和泥狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)巖石學(xué)分類可分為碎屑巖類與粘土巖類，前者主要包括泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖、砂巖、礫巖及長石砂巖等;后者主要包括頁巖、砂質(zhì)泥巖及砂質(zhì)巖等。泥巖具有浸水崩解的性質(zhì)，即所謂的崩解特性。

泥巖的浸水崩解現(xiàn)象為一種物理風(fēng)化作用。泥巖比表面積大，親水性較強(qiáng)，浸水時(shí)水分向巖石孔隙中運(yùn)動(dòng)而引起膨脹、軟化和最終破碎。泥巖的沉積構(gòu)造也將影響其崩解特性，層面和層理形成弱面，水較易沿弱面產(chǎn)生軟化帶，并被吸入到該結(jié)構(gòu)空隙形成粒間水而導(dǎo)致巖體膨脹。巖石中的裂隙在反復(fù)干濕過程中也為巖石的崩解提供了條件。其崩解時(shí)間隨干濕頻率及巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)的不同而不同。

確定不同情況下泥巖的崩解程度而分別采用不同的施工工法，進(jìn)行對比施工，尋找適合的施工工藝及檢測方法，將是整個(gè)泥巖施工關(guān)鍵的第一步。

2.2 泥巖崩解試驗(yàn)方法

沈吉四標(biāo)中心試驗(yàn)室依據(jù)泥巖開挖段落開挖一天后大氣中自然崩解程度的不同分別取樣，進(jìn)行自然水體中的崩解試驗(yàn)。

烘干后的試樣放入清水容器中，24 h后觀察試樣崩解情況。

1)少量崩解:浸水后試樣少量崩解，多發(fā)生在棱角及泥巖裂隙處。崩解出的碎樣重量占總重量的1%～9%;取樣地點(diǎn)在K37+980～K38+200段落。2)塊狀崩解:浸水后試樣崩解成小塊狀;取樣地點(diǎn)在K37+980～K38+200段落。3)粒狀崩解:浸水后試樣崩解成顆粒狀;取樣地點(diǎn)在AK0+560～AK0+780段落。4)渣狀崩解:浸水后試樣崩解成顆粒狀與泥狀;取樣地點(diǎn)在K38+680～K38+900段落。

3 泥巖填筑試驗(yàn)方案

3.1 方案制定

利用泥巖填筑路基時(shí)必須解決的問題:

1)解決泥巖、泥質(zhì)砂巖遇水崩解，粒徑變小，造成路基強(qiáng)度降低及失穩(wěn)的現(xiàn)象;2)減少路基填料空隙率，有效限制泥巖顆粒崩解后路基沉陷發(fā)生;3)采取措施，防止雨水侵入，泥巖崩解，引起路基的下沉滑移;針對以上問題，制定了兩種施工方案，進(jìn)行路基試驗(yàn)段施工。

方案1:采用沖擊碾、壓路機(jī)、刮平機(jī)、推土機(jī)配合作業(yè)，對2)～4)型崩解程度泥巖進(jìn)行試驗(yàn)段施工，總結(jié)機(jī)械設(shè)備配合模式、壓實(shí)效果、碾壓遍數(shù)、碾壓速度及填料的松鋪厚度等數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)泥巖填筑路基施工。

方案2:采用強(qiáng)夯設(shè)備、壓路機(jī)、刮平機(jī)、推土機(jī)配合作業(yè)，對1)，2)型崩解程度泥巖進(jìn)行試驗(yàn)段施工，檢測壓實(shí)效果，指導(dǎo)泥巖填筑路基施工。

3.2 施工工藝

3.2.1 方案1的施工工藝

1)施工準(zhǔn)備工作:a.對開挖出泥巖進(jìn)行場外灑水，預(yù)崩解處理，縮小其粒徑。并施工寬度1 m的路基粘性包邊土方，便于碾壓，同時(shí)防止水分進(jìn)入路基，形成泥巖二次崩解。在包邊土內(nèi)側(cè)填筑一定寬度的泥巖，其工藝同正常路基填方施工。b.試驗(yàn)段選擇沈吉四標(biāo)段K34+800～K35+000段落，對試驗(yàn)段進(jìn)行路基沉降差測點(diǎn)布設(shè)，如圖1所示。

2)施工程序:①運(yùn)輸堆料→②攤鋪→③測點(diǎn)布置→④測量原始高程h→⑤沖擊碾壓→⑥振動(dòng)碾初壓→⑦測量高程h1→⑧強(qiáng)振振動(dòng)碾壓(每2遍一循環(huán))→⑨測量高程h2→⑩數(shù)據(jù)檢測→合格進(jìn)行轉(zhuǎn)序及下層施工→不合格則重復(fù)步驟⑧，⑨，⑩，其中檢測合格后高程hi－h(huán)的值用于計(jì)算松鋪系數(shù)，高程hi－h(huán)i－1的值用于檢測相對沉降量。

圖1 試驗(yàn)段路基沉降差測點(diǎn)布設(shè)圖

a.松鋪厚度為50 cm進(jìn)行試驗(yàn)路段的數(shù)據(jù)收集，共填筑2層。

b.在已整平的路基基層上，設(shè)置料堆方格網(wǎng)點(diǎn)，本試驗(yàn)段路基每層實(shí)際方量為4 000 m3，以每車運(yùn)輸方量23 m3計(jì)算，共需要174車，分為174個(gè)堆料小方格，每小格平均6.5 m×6.5 m見方，以此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行填料的攤鋪。

c.測點(diǎn)布置，在填料粗平后，根據(jù)測點(diǎn)布置圖進(jìn)行測點(diǎn)布置，并測量原始高程數(shù)據(jù)h。

d.碾壓:填料攤鋪完畢后，利用推土機(jī)進(jìn)行路基粗平，粗平后進(jìn)行路基整平初壓1遍～3遍，整平后采用沖擊碾對整個(gè)試驗(yàn)段沖擊碾壓6遍～12遍，沖擊后對測點(diǎn)進(jìn)行復(fù)位，對不清晰測點(diǎn)重新標(biāo)示。然后用振動(dòng)壓路機(jī)對試驗(yàn)段進(jìn)行正式振動(dòng)碾壓，碾壓時(shí)應(yīng)先壓兩側(cè)后壓中間，壓實(shí)路線對于輪碾縱向相互平行，反復(fù)碾壓。行與行之間應(yīng)重疊40 cm～50 cm;前后相鄰區(qū)段應(yīng)重疊1.0 m ～1.5 m。

e.檢測:正式碾壓2遍后，測量人員進(jìn)行點(diǎn)位的跟蹤測量，用水準(zhǔn)儀測量初壓后的高程h1，然后振動(dòng)壓路機(jī)強(qiáng)振碾壓2遍，測量測點(diǎn)高程h2，計(jì)算前后兩次沉降差h2－h(huán)1的值是否滿足沉降差規(guī)范要求，如不滿足規(guī)范要求，繼續(xù)振動(dòng)碾壓，每2遍一個(gè)循環(huán)，直到前后兩次振壓后相對沉降差小于5 mm，均方差小于3 mm，表面無明顯輪跡為止，將此時(shí)碾壓次數(shù)作為該松鋪厚度的最小碾壓遍數(shù)，最后再測路基平均高程hi，計(jì)算最后碾壓遍數(shù)的松鋪系數(shù)。

f.松鋪系數(shù)按以下公式計(jì)算:

k=h/hi。

其中，k為松鋪系數(shù);h為松鋪厚度;hi為壓實(shí)厚度。計(jì)算出的松鋪系數(shù)用于指導(dǎo)該崩解程度的泥巖路基施工。

3.2.2 方案2的施工工藝

1)工藝原理。填料以1)，2)型崩解填料為主，并輔以少量填隙料，利用強(qiáng)夯夯擊能量所產(chǎn)生的動(dòng)力在土中傳播，使巖石破碎成更小顆粒，土體迅速壓縮，從而使路基土形成較密實(shí)的結(jié)構(gòu)。

2)施工準(zhǔn)備工作。對路基范圍進(jìn)行包邊土施工，填料進(jìn)行灑水預(yù)崩解，同時(shí)控制填料虛鋪厚度為1 m，進(jìn)行測量點(diǎn)位布設(shè)。

3)施工程序。路基上料后進(jìn)行推土機(jī)粗平，粗平后標(biāo)示夯點(diǎn)，強(qiáng)夯夯點(diǎn)三角形布置，排列整齊，強(qiáng)夯施工應(yīng)間隔跳夯，單擊最后兩擊夯沉量不大于50 mm，點(diǎn)夯后以1 000 kN·m夯擊能滿夯，夯擊完成后以推土機(jī)整平，進(jìn)行測點(diǎn)布置，并采用壓路機(jī)進(jìn)行路基壓實(shí)施工。記錄各壓實(shí)遍數(shù)相應(yīng)的沉降量，前后兩次振壓后相對沉降差小于5 mm，均方差小于3 mm時(shí)，停止施工，進(jìn)行路基檢測。

4 試驗(yàn)檢測方法

4.1 相對沉降差法

相對沉降差法作為泥巖填筑的壓實(shí)度檢測的主要控制指標(biāo)，由現(xiàn)場技術(shù)人員實(shí)測，當(dāng)前后兩次振壓后相對沉降差小于5 mm，均方差小于3 mm時(shí)停止施工，相對沉降差法為泥巖填筑施工的主要控制手段。

4.2 固體體積率

固體體積率定義是固體體積與所測試坑體體積比值的百分率。對不同崩解程度的泥巖路基填筑均應(yīng)進(jìn)行固體體積率檢測，并作為路基檢測壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的輔助資料存檔。

4.3 檢測結(jié)果比較

對方案1及方案2分別進(jìn)行檢測結(jié)果比較，結(jié)果如表1，表2所示。

表1 方案1固體體積率檢測(正式碾壓振壓6遍)

表2 方案2固體體積率檢測(正式碾壓振壓6遍)

由現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，采用方案1的試驗(yàn)段正式碾壓4遍后，基本滿足路基壓實(shí)要求，碾壓6遍后固體體積率變化不大，現(xiàn)場以正式碾壓6遍為最終碾壓控制遍數(shù)。

由現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，采用方案2的試驗(yàn)段正式碾壓6遍后，滿足路基壓實(shí)要求，現(xiàn)場控制以正式碾壓6遍為最終控制參數(shù)。

5 結(jié)語

經(jīng)過現(xiàn)場路基試驗(yàn)段施工，方案1與方案2均可以有效的解決泥巖崩解形成的路基病害，同時(shí)滿足路基壓實(shí)要求。但方案2適宜于填料粒徑大的小段落施工，方案1適宜于崩解程度大的較長段落路基填筑施工，相對而言方案1便于施工推廣。泥巖填筑試驗(yàn)段的施工解決了泥巖作為路用填筑材料的實(shí)用性和可操作性，且研究成果直接應(yīng)用到沈吉高速公路中去，為沈吉高速公路泥巖填筑的大面積推廣奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)得到了業(yè)主單位、監(jiān)理單位的一致認(rèn)可，并在降低工程造價(jià)和保證工期等方面均具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。