宋 楊,魏連雨,馮 雷
( 1. 河北工業(yè)大學 土木工程學院,天津 300401;2. 河北工程技術高等??茖W校,河北 滄州 061000)
高填方土石混填路基夯實及檢測技術研究
宋 楊1,2,魏連雨1,馮 雷1
( 1. 河北工業(yè)大學 土木工程學院,天津 300401;2. 河北工程技術高等??茖W校,河北 滄州 061000)
利用多道瞬態(tài)瑞雷波檢測技術,對承德某二級公路試驗段土石混填路堤進行檢測,確定不同夯擊能的有效加固深度,并以加固每平米路堤的平均夯擊能作為強夯施工成本指標,優(yōu)化了原有土石混填路堤的施工方案.在此基礎上應用瑞雷波波速、彎沉和承載板試驗對優(yōu)化的施工方案進行質量檢測,提出山區(qū)超大粒徑土石混填路堤的工程經驗施工方案、工程治理措施及相應的施工質量檢測與評價技術方法,對山區(qū)公路土石混填路堤的建設具有指導意義.
路堤;土石混填;強夯處理;瑞雷波;路堤檢測
近年來隨著西部大開發(fā)的進行,道路修建重點逐步向山區(qū)轉移,山區(qū)高等級道路逐漸增多,筑路材料、施工機械和施工工藝也得到了更大的發(fā)展.同時隨著工程實踐的增多,一些新的路堤形式[1]也得到了應用.利用強夯加固施工工藝的土石混填路堤就是其中重要的一種,這種路堤形式充分利用山區(qū)自有的土石料,解決了山區(qū)公路高填方土料缺乏的問題.但現有規(guī)范[2]中對強夯加固施工要求并不明確,很多施工現場并不按要求進行試驗路實驗,僅憑經驗確定夯點位置及夯擊次數,這種隨意性的施工給工程質量埋下隱患,降低了道路使用壽命.
在土石混填路堤施工質量檢測問題上,國內外許多學者進行了研究.閏秀萍[3]用表面振動儀法和重型擊實法研究測試不同粗粒料含量下的土石混填路堤壓實質量,得出粗顆粒含量與標準干密度相關的結論.在京福高速閩清段土石混填路堤試驗段中吳志雄[4]通過高精度水準儀觀測塑性變形指標研究其余路堤壓實質量的關系,提出塑性變形增量指標.黃衛(wèi)東[5]等人采取與吳志雄類似方法研究,他們通過瑞雷波法結合灌沙發(fā)測量壓實度.
山區(qū)高填方路堤的無損檢測研究近幾年也得到快速發(fā)展,其中瑞雷波是很重要的一支.瑞雷波是一種彈性波,其傳播特性受路堤填料影響較小,測試方法簡單有效,被較為廣泛的應用于無損檢測技術中.較之于其他檢測方法,瑞雷波在檢測路堤強夯加固質量結果基礎上,還能得到加固深度及承載力數據[6].本文采用多道瞬態(tài)瑞雷波檢測技術對承德某二級公路土石混填路堤進行定量檢測,在分析檢測結果的基礎上對強夯加固施工工藝進行改進,提出了一套科學的土石混填路堤施工及檢測方案,對指導山區(qū)土石混填路堤修筑有重要意義.
通過彈性力學可知,對道路表面施加豎向激振力,就會在道路表面和內部產生縱波(P波)、剪切波(S波)以及由前兩者在道路表面耦合形成的瑞雷波(R波)3種彈性波.這3種形式的波有各自的特點,分別對應路堤體積變形和介質變化,其中S波會受到路堤填料顆粒的影響,工程通過檢測S波波速數據來分析路堤結構信息.相比于S波,瑞雷波(R波)在無損檢測中有著更大的優(yōu)勢.因為瑞雷波波動能量較大,更容易檢測,同時瑞雷波在路堤傳播中波速變化較小,通過學者們的不懈研究,逐步確立了一套通過利用實測瑞雷波波速度的方法來更方便地確定路堤的S波速度,并由此形成了基于穩(wěn)態(tài)掃頻和瞬態(tài)沖擊激振的表面波法 (簡稱 SASW 法),來評價路堤的密實程度[7-9].圖1所示為瑞雷波法現場測試原理.
圖1 瑞雷波法現場測試原理Fig.1 Rayleighwave principle field test
試驗路全長 300 m ,是一段位于承德境內的高填方土石混填路堤.路堤填料如圖2所示,含石量 60%以上,最大粒徑接近1m.路堤填料中土料以粘性土為主,石料主要為風化巖石,抗壓強度在 15MPa以下.施工工藝采用分層填筑碾壓,強夯加固.每層攤鋪厚度為 80 cm ,采用 21 t光輪壓路機進行碾壓,攤鋪5層(4m)后進行強夯加固.
2.1 有效加固深度的確定
為了保證強夯加固既能夠對路堤進行充分壓實,又能盡最大可能的利用夯擊能量,確定強夯的有效作用深度顯得尤為重要.充分研究其有效加固深度不但能夠更好的反應路堤加固效果,還能為不同路堤情況下的強夯加固處理方案提供重要 的 依 據 . 分 別 精 確 實 驗 檢 測 了 1 000 kN m 、1 600 kN m 、 2 000 kN m 不 同 強 夯 能 量 對 填 高6m的路堤產生的沖擊效果.測試表明,3種夯擊能量單點夯擊10次均能滿足最后一次夯沉量小于5 cm[8].測得夯前與 10 擊后同一位置的面波數據如圖3~圖5.
圖2 路堤土石混合料Fig.2 Soil-stonem ixtures
圖3 夯擊能為 1 000 kN m強夯前后瑞雷波波速曲線比較圖Fig.3 Rayleighwave velocity curvesof 1 000 kN m ramming energy
通過圖3~圖5可以發(fā)現,夯擊后,不同能量下的夯擊在統(tǒng)一深度內,較之前一次夯擊瑞雷波的速度都有明顯提高.同時,還可以發(fā)現,在一定深度后,前一次和后一次夯擊的瑞雷波蘇會發(fā)生重合.而這重合點就是其加固的有效深度.所以我們得知,當夯擊能為 1000 kN m時,其有效影響深度為 4m;當夯擊能為 1 600 kN m時,其有效影響深度為 6m;當夯擊能為 2 000 kN m時,其有效影響深度為 5.7m.
圖4 夯擊能為 1 600 kN m強夯前后瑞雷波波速曲線比較圖Fig.4 Rayleighwave velocity curvesof 1 600 kN m ramming energy
圖5 夯擊能為 2 000 kN m強夯前后瑞雷波波速曲線比較圖Fig.5 Rayleighwave velocity curvesof 2 000 kN m ramming energy
2.2 強夯施工方案優(yōu)化及夯點間距和夯擊次數研究
在現有的檢測方法中,除了灌沙法和灌水法,對于試驗路的土石混填路堤中接近1m的大粒徑石料,都無法得到有效的檢測數據.但灌沙灌水的方法對路堤的破壞很大,同時也十分費時費力.因此采用瑞雷波物探檢測技術,來檢測土石混填路堤的壓實質量.研究之前施工單位采用的實驗方案,發(fā)現其夯點布置過密,造成路堤表面過早硬化,形成板體結構,吸收了大量的夯擊能量,影響了強夯加固的深度.為了探尋合理的間距,通過 3 個方案[10]進行實驗對比研究.
第 1 套 方 案 確 定 中 心 間 距 3.5 m , 夯 擊 能 量 2 000 kN m ;第 2 套方案分 2 次夯擊,夯點間距 4.5m ,第 1 遍用 2 000 kN m能量夯擊,每點夯擊 8 次,第 2 遍采用 1 600 kN m夯擊能,每點夯擊5 次;第 3套方案分2 次夯擊,夯點間距 6m ,第 1 遍用 2 000 kN m能量夯擊,每點夯擊 10 次,第 2 遍采用 1 600 kN m夯擊能,每點夯擊8次.強夯加固方案示意如圖6所示.
分別檢測了這 3種方案加固后的路堤剪切波速,如表1 ~ 表4.通過分析可以發(fā)現,經過強夯加固后,波速由之前的 220 ~ 251m/s升至 232 ~ 291m/s ,密實度達到了中硬級別,滿足了荷載作用要求.為了保證施工質量,由 2.1 節(jié)有效加固深度得出的結論,必須要嚴格控制強夯加固的填筑深度,保證其在 5 m 以下,避免路堤中出現未壓實的軟弱夾層,造成今后的不均勻沉降.
圖6 強夯施工方案示意圖Fig.6 Schematic construction program compaction
表1 夯前剪切波波速表 (m/s)Tab.1 Shearwave velocity table before ramm ing
表2 方案 1 夯后剪切波波速表 (m/s)Tab.2 Shearwave velocity table after ramm ing of program 1
表3 方案 2 夯后剪切波波速表 (m/s)Tab.3 Shearwave velocity tableafter ramm ing of program 2
表4 方案 3 夯后剪切波波速表 (m/s)Tab.4 Shearwave velocity table after ramm ing ofprogram 3
通過分析數據可以發(fā)現,第 1套橫向對比普遍波速較高一些,說明其壓實質量略好于第 2、3套方案.但如果計算成本,發(fā)現第 2、3套方案更有優(yōu)勢.表5為施工參數對比表,綜合考量發(fā)現第3套方案最優(yōu).
表5 不同夯擊能施工參數對比表Tab.5 Different tamping energy construction parameters comparison
為了確定瑞雷波無損檢測效果,在上節(jié)試驗路的基礎上進行了彎沉測試和承載板測試,研究確定出一套行之有效的土石混填路堤檢測方案.
3.1 瑞雷波與彎沉測試結果分析
彎沉實驗和瑞雷波檢測實驗在試驗路上每間隔 20m2取樣采集數據,然后對數據進行反演計算,得到表層剪切波波速與彎沉值.對比分析后,試驗路 13 個測點的對比數據見表6.分析下表結果可知:1 車道均值192.9(0.01mm),代表值 240.7(0.01mm),2 車道均值 217.4(0.01mm),代表值 273.8(0.01mm),均滿足二級公路路堤彎沉要求.
3.2 瑞雷波與承載板試驗結果及分析
試驗路共選擇承載力測點 16個,并在承載力測點采集瑞雷波波速,通過反演后獲得表層剪切波波速,承載力試驗結果與剪切波波速對比表如表7所示.
表6 試驗路彎沉與剪切波波速檢測結果表Tab.6 Road testsand shearwave velocity deflection test results
表7 承載板測試結果Tab.7 Bearing plate test results
通過表7可以分析得出,由于碎石在路堤中形成一定骨架結構,土石混填路堤的承載力要比土質路堤高.所以適當的含石量對提高路堤強度有幫助,這也證明了土石混填路堤在修筑路堤中的優(yōu)勢.
通過在承德某二級公路的現場試驗研究,分別在土石混填料作為路堤填料的施工方案和工程質量檢測方面得出以下結論:
1) 提出了行之有效的現場強夯施工方案,對土石混填路堤,分層填筑.每填層厚度為 80 cm ,分別用21 t光輪壓路機碾壓 6 遍.4m(5 層) 后進行強夯加固.經無損檢測評價后滿足中硬場地土要求,該施工方案的施工參數可在土石混填路堤中推廣應用.
2)通過3種方案的比選,在滿足強夯加固要求的前提下通過實驗確定了經濟效益最好的強夯施工方案,即分 2 次夯擊,夯點間距 6m,第 1 遍用 2000 kN m能量夯擊,每點夯擊 10 次,第 2 遍采用 1600 kN m夯擊能,每點夯擊8次.
3)為確認瑞雷波無損檢測方法,在試驗段對比進行了彎沉檢測、承載板試驗檢測.試驗結果表明由于土石混合料形成了骨架-密實結構,其承載力優(yōu)于土質路堤,表現出良好的路用性能.
4)對于土石混填路堤施工質量檢測,瑞雷波顯示了較傳統(tǒng)技術更為簡便有效的優(yōu)勢,檢測結果能夠反映路堤深處的密實情況,更適合于粒徑超規(guī)范的土石混填路堤施工質量檢測.
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[責任編輯 楊 屹]
On roadbed dynam ic consolidation construction technology by soil-stonem ixtures inmountain district
SONG Yang1,2,WEILian-yu1,FENG Lei1
(1.SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin300401,China;2.HebeiEngineeringand TechnicalCollege, HebeiCangzhou 061000,China)
Based on asecond-class road testsectionof thesoil-stonem ixtures filling in Chengde,Multi-ChannelTransient Rayleighwavemethod isused to detectthebesteffective depth ofdifferent ram energy.The lamping energy of persquare meter consolidation isused as the evaluating indicator of dynam ic construction cost,the original dynam ic consolidation schemesareoptim ized.The NDT of RayleighWave speed detection,deflection testing and bearing plate testareapplied to test the construction quality of the oversized soil-stone embankmentcompaction testsection.According to the test results,the paper also proposes the construction scheme,controlmeasures and quality evaluating index of the oversized soil-stone embankment inmountain district.The conclusionshave guidance value in practice for the construction of the soil-stonem ixtures roadbed filling.
road bed;the soil-stonem ixtures;dynam ic consolidation;Rayleighwave;subgrade detecting
1007-2373(2014)05-0088-05
U416.1
A
10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.05.017
2014-03-18
國家自然科學基金(50808064);河北省交通運輸廳科技計劃(C080213)
宋楊(1982-),男(漢族),工程師,博士生.