(江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司， 江蘇 南京 210000)

低山丘陵區(qū)碎石土資源豐富，大量的碎石土在公路工程中得到了利用[1]。然而碎石土由于其自身材料的復(fù)雜性，隨著碎石土性質(zhì)及含石量的不同，其壓實成型后物理結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性亦不同[2-5]。同時，碎石土顆粒的組成沒有級配規(guī)律，室內(nèi)最大干密度無法確定，傳統(tǒng)的壓實度檢測方法已經(jīng)不再適用。這成為了碎石土路基質(zhì)量控制的熱點與難點，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量的研究[6-8]。眾所周知，路基密實度是影響路基強度的重要因素，室內(nèi)標準密度是控制路基現(xiàn)場密實度的關(guān)鍵指標，而室內(nèi)標準密度與室內(nèi)成型方式密切相關(guān)?，F(xiàn)有的室內(nèi)重型擊實成型擊實功偏小，不能較好模擬當代重型振動壓路機的壓實功，尤其對于碎石土路基。現(xiàn)有振動壓實方法在半剛性基層材料中得到了大量的應(yīng)用，然而在碎石土路基中應(yīng)用卻很少見[9]。因此，本文基于室內(nèi)振動擊實法，開展了不同含石量碎石土振動成型方式和碎石土路基成型后的壓實質(zhì)量檢測方法的研究。

1 振動成型法振動參數(shù)的選擇

1.1 試驗材料及振動擊實儀

試驗材料取自江蘇省茅山區(qū)域常合高速連接線工程用碎石土，其物理技術(shù)指標見表1，顆粒組成如圖1所示。對碎石土進行篩分，由于粗顆粒和細顆粒的粒徑分界為5 mm，大于5 mm的土為粗粒土，小于5 mm的土為細粒土；另一方面，粒徑大于40 mm的石料無法進行相關(guān)試驗，因此本次試驗以小于5 mm和5～40 mm 2種土樣進行配合比試驗。其中5～40 mm顆粒含量成為含石量。

室內(nèi)振動成型法使用的振動壓實儀型號為DZ-08，功率為4 kW。振動壓實儀主要由3個部分構(gòu)成：控制平臺、轉(zhuǎn)動裝置和振動系統(tǒng)。控制平臺用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置工作頻率、控制振動時間以及振動系統(tǒng)升降；轉(zhuǎn)動裝置主要由電機和分動箱組成；振動系統(tǒng)是振動壓實儀最重要的部分，主要由機架、振動實體和振動錘組成。試驗參照擊實試驗的測定方法，按2層加料的方法進行振動壓實成型，在分層加料時，每次加料前應(yīng)把上層的料刮毛，以免分層。同時，為保證擊實試件最大干密度和最佳含水率的準確性，試件成型后對其進行整稱、整體烘干。

表1 物理技術(shù)指標天然含水率/%液限/%塑性指數(shù)膨脹性1433.219.6非膨脹土CBR/%回彈模量/MPa天然含石率/%壓碎值/%>8>8047.38.8

圖1 級配曲線

1.2 不同含石量碎石土振動參數(shù)確定

1.2.1振動時間

固定振動頻率為30 Hz時，對含石量為30%、50%、70%的碎石土分別在振動時間60、90、120、150 s的條件下進行擊實試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，不同含石量的碎石土擊實曲線具有類似規(guī)律，最大干密度隨著振動時間的增加先提高再減小，最佳含水率隨著振動時間的增加先減小后增加，在振動時間為120 s時，最大干密度出現(xiàn)峰值，最佳含水率出現(xiàn)谷值。主要因為振動時間不足使碎石土無法振動密實，而振動時間過多會導(dǎo)致碎石土“反彈”，影響擊實效果。因此，在振動時間為120 s時，振動擊實具有較好的擊實效果。此外，在含石量30%～70%時，碎石土最佳振動擊實時間受含石量影響較小。

圖2 不同振動時間時碎石土擊實數(shù)據(jù)關(guān)系

1.2.2振動頻率

在確定不同含石量碎石土最佳振動時間后，通過改變振動擊實儀的頻率來研究不同振動頻率對不同含石量碎石土擊實特性的影響。設(shè)定最佳振動時間為120 s，分別以振動頻率20、30、40 Hz進行室內(nèi)擊實試驗，試驗結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，振動頻率的改變對碎石土最大干密度的影響較大，而且不同含石量碎石土最大干密度隨振動頻率變化的規(guī)律也不同。當碎石土含石量30%時，隨著振動頻率的增大，碎石土的最大干密度先增加后減小，最佳含水率隨著振動頻率的增大先減小后增加。主要由于30%含石量的碎石土處于多土類和中間類的分界值，較低的振動頻率使得其振動達不到最佳的擊實功，導(dǎo)致最大干密度較小，而較大的擊實功造成“過擊”，導(dǎo)致了最大干密度變小。

當碎石土含石量為50%和70%時，其最大干密度的變化趨勢一致，均為隨著振動頻率的增大，最大干密度逐漸增加，未出現(xiàn)“峰值”。但是在試驗中發(fā)現(xiàn)振動頻率為40 Hz時，振動儀器出現(xiàn)了較大的“跳動”，振幅較大，并不處于穩(wěn)定的狀態(tài)，因此，在30 Hz穩(wěn)定的擊實狀態(tài)下，最大干密度值較為合理。而混合料最佳含水率值由于儀器的不穩(wěn)定，其值也出現(xiàn)了偏差。因此，在振動頻率為30Hz時，振動擊實具有較好的擊實效果。

圖3 不同振動頻率時碎石土擊實數(shù)據(jù)關(guān)系

2 碎石土室內(nèi)成型方式對比研究

對于碎石土而言，重型擊實法已不能對其進行有效的壓實，但考慮到重型擊實法會對碎石有破碎作用，可進一步增強其密實性，因此，開展了重型擊實和振動擊實效果的對比研究。按照振動擊實法確定的振動頻率和振動時間，分別是30 Hz和120s，對不同含石量的碎石土分別進行振動擊實試驗和重型擊實試驗，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯?振動成型下的碎石土最大干密度均大于重型擊實下的最大干密度，而對于最佳含水率則相反。

圖4 不同擊實方式下碎石土擊實數(shù)據(jù)關(guān)系

圖5為不同碎石含量碎石土振動擊實法和重型擊實法最大干密度之比，從圖可以看出，隨著碎石土含量的不同，振動擊實法最大干密度的提升幅度不同。當碎石含量在30%時，重型擊實下?lián)羲榈乃槭^少，密實度提升幅度較小，導(dǎo)致2種方式得到的最大干密度插值幅度相對較大;而當碎石含量在50%時，碎石間的嵌擠能力增大，重型擊實下可以擊碎更多的碎石，從而較大幅度地提升碎石土的密實性，導(dǎo)致2種擊實方法下得出的最大干密度差距相對較小，但仍不如振動擊實法。當碎石含量在70%時，較多的碎石在重型擊實下被擊碎，大幅提升了碎石土的密實性，但是由于碎石含量較多，重型擊實的擊實功不足，而振動擊實的效果更好，仍存在一定差距。因此，當碎石土含石量在30%～70%時，室內(nèi)振動擊實法具有一定的優(yōu)越性，其不隨著碎石含量的改變而改變。

圖5 碎石土的2種擊實方法下最大干密度之比

3 不同含石量碎石土最大干密度關(guān)系確定

碎石土路基由于現(xiàn)場碎石含量不一，導(dǎo)致最大干密度不確定，進而導(dǎo)致傳統(tǒng)的壓實度檢測方法(灌砂法)不適用。因此，為確定碎石土的最大干密度，開展了不同含石量碎石土最大干密度和最佳含水率關(guān)系的研究，為優(yōu)化灌砂法提供參考。室內(nèi)分別對20%、30%、40%、50%、60%、70% 共6種含量的碎石土進行振動擊實，數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，隨著含石量的增加，碎石土的最大干密度逐漸增大，而含水率逐漸減少。由于石料的表觀密度大于土的密度，因此石料越多密度越大;而土的吸水率大于石料，因此含石量越大，最佳含水率越小，均呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

根據(jù)統(tǒng)計學(xué)的方法對其進行線性回歸，得到的含石量與最大干密度相互關(guān)系的回歸預(yù)測方程和相關(guān)系數(shù)如圖6所示。含石量與最大干密度的回歸預(yù)測方程與實際測定數(shù)據(jù)存在線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2=0.997 3。其預(yù)測公式為：

y=0.003 1x+1.990 6

(1)

表2 不同含石量的碎石土最大干密度與最佳含水率含石量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%含石量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%202.05011.5502.1439.6302.08911.1602.1778.7402.11610.4702.2107.6

式中：y表示最大干密度，g·cm-3；x表示含石率,%。

可以看出，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)達0.997 3，相關(guān)性較好，含石量與最大干密度具有較好的一致性。

圖6 含石量與最大干密度的關(guān)系

4 碎石土路基壓實質(zhì)量控制方法

4.1 施工工藝及質(zhì)量控制方法

依托常合高速公路茅山互通至金壇濱湖新城連接線工程，開展碎石土路基壓實質(zhì)量控制方法研究。通過劃分網(wǎng)格、運料、調(diào)整上料厚度、找平、碾壓等形成一系列的路基施工流程。其中，上料后剔除大于2/3層厚的碎石。碾壓時先穩(wěn)壓，后振動碾壓，先用振動壓路機靜壓1遍，第2遍、第3遍弱振，以后強振，共振壓6遍。壓路機的行駛速度由慢到快，最大時速不得超過4 km/h。

在碎石土路基鋪筑過程中，主要采用輪跡法、輔助沉降法和優(yōu)化灌砂法聯(lián)合對路基質(zhì)量進行控制。路基碾壓過程中，發(fā)現(xiàn)2次碾壓的輪跡無相對高差時，可初步判斷碎石土路基填筑壓實度已基本達到要求，在路基碾壓第3次開始，采用直徑為200 mm的大灌砂筒，對碾壓后的碎石土路基進行優(yōu)化灌砂法壓實度檢測。同時，在碎石土路基上進行布點，選擇有代表性的段落，每隔一段距離在路基左、中、右布設(shè)3個點。采用水準儀進行測量，得出各處路基的絕對高程，以后每碾壓1次，分別記錄各樁號各點的標高，然后計算每次碾壓后的沉降量，來觀察路基壓實的情況。

4.2 檢測結(jié)果分析

4.2.1不同碾壓遍數(shù)與壓實度關(guān)系

通過現(xiàn)場灌砂法對不同碾壓次數(shù)后的碎石土路基進行壓實度檢測，將粒徑大于40 mm的碎石繼續(xù)放入試坑內(nèi)，試坑其余挖出的土石料收集后進行室內(nèi)試驗，得出含石量和含水率?，F(xiàn)場干密度變化情況如圖7所示。隨著碾壓遍數(shù)的增加，碎石土現(xiàn)場干密度逐漸提高，整體呈現(xiàn)先增大后衰減趨勢，在碾壓6遍時，干密度的增大趨勢明顯減少了?？梢姰斈雺罕閿?shù)到達一定程度之后干密度將不再增加。

圖7 碾壓遍數(shù)與干密度關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)場取回碎石土的含石量，結(jié)合室內(nèi)試驗的含石量與最大干密度的關(guān)系，通過插值法帶入擬合曲線公式(1)，計算出最大干密度值，從而得到不同碾壓遍數(shù)與壓實度的關(guān)系，如圖8所示。碎石土路基的壓實度隨著碾壓遍數(shù)的增加而不斷升高，與干密度曲線類似。同時，從圖中看出，碾壓遍數(shù)從第3遍到第5遍時，壓實度隨著碾壓次數(shù)的增加而急劇增加，這個階段稱之為“發(fā)展期”，發(fā)展期內(nèi)，碎石和土相互嵌擠作用，隨著碾壓遍數(shù)的增加，強度不斷增大，路基不斷被壓實，形成骨架密實型的結(jié)構(gòu)；當碾壓到第6遍時，壓實曲線發(fā)展變的相對平緩，這個階段稱之為“緩和期”，在這期間，隨著碾壓次數(shù)的增加，已經(jīng)通過嵌擠作用形成骨架密實型的碎石土很難再通過顆粒間的相互作用來增加路基的壓實度，壓實度曲線變得平緩，若再增加碾壓次數(shù)，壓實度變化較小，趨向平緩。因此，碎石土作為路基填料進行路基鋪設(shè)，振動碾壓應(yīng)以6次為宜。

圖8 不同碾壓遍數(shù)與壓實度關(guān)系

4.2.2不同碾壓遍數(shù)與沉降量關(guān)系

對各層區(qū)路基布點的左、中、右3個位置進行沉降量觀測，各層區(qū)具有類似規(guī)律，以94區(qū)-1為例，其2處不同位置的碾壓遍數(shù)與分級沉降量之間的關(guān)系如圖9所示，隨著碾壓遍數(shù)的增加，碎石土表面的沉降量開始增加較快，后來逐漸變緩，碾壓到第5遍時，沉降量變的很小，若再次碾壓沉降量或不變，或降低很小，由此可知，碎石土路基碾壓5遍以后，壓實量已經(jīng)較為充足，第6遍后，壓實量接近飽和，若再次增加壓實次數(shù)，沉降量或?qū)⒉蛔?，或?qū)⒁鹁植柯∑鹪斐陕坊Ц摺?/p>

圖9 分級沉降量與碾壓遍數(shù)關(guān)系

由圖10累計沉降量與碾壓遍數(shù)的關(guān)系可見:各處路基均隨著碾壓遍數(shù)的增加，碎石土表面的沉降量開始增加較快，后來逐漸變緩，漸漸趨于水平。在碾壓1～5次之間，累計沉降量趨勢線增加較快，也可以稱此階段為“發(fā)展期”，碾壓至第6次時，趨勢線明顯變緩，甚至不會再出現(xiàn)相應(yīng)的沉降，稱此階段為“緩和期”。因此，從累計沉降量與碾壓遍數(shù)的關(guān)系來看，碾壓6次較為適宜，與壓實度的檢測分析結(jié)果吻合。

圖10 累計沉降量與碾壓遍數(shù)關(guān)系

4.3 質(zhì)量控制方法分析

通過大量的檢測數(shù)據(jù)和結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輔助沉降法得出的數(shù)據(jù)結(jié)果與優(yōu)化的灌砂法得出的壓實度數(shù)據(jù)結(jié)果對于路基質(zhì)量反映具有一致性。同樣以94區(qū)-1為例，其各數(shù)據(jù)檢測結(jié)果如圖11所示。從沉降量曲線看，隨著碾壓遍數(shù)的增加，碎石土在振動壓路機的作用下表面的沉降量開始增加較快，后來逐漸變緩，碾壓到第5遍沉降量變得很小，再次碾壓第6遍時，沉降量趨于平緩，變化較小。從碾壓遍數(shù)與壓實度的關(guān)系也可以看出，壓實度隨著碾壓遍數(shù)的增加逐漸增大，到第5遍后趨于平緩，碾壓至第6遍增長幅度較小。同樣，這種關(guān)系在所有碎石土鋪筑層位均有所反映。由于含石量-最大干密度曲線確定的碎石土壓實質(zhì)量檢測方法檢測過程較為繁瑣，給施工帶了不便。因此，現(xiàn)場檢測時，為加快施工進度，提高施工效率，在施工材料、機械設(shè)備、施工工藝滿足要求的前提下，可采用輔助沉降法作為控制碎石土路基施工質(zhì)量的方法，控制標準以2次碾壓沉降量不超過1 mm為宜。

圖11 94區(qū)-1沉降量與壓實度曲線的關(guān)系

5 結(jié)語

1) 根據(jù)碎石土級配不均、難以保證壓實的特點，提出了室內(nèi)采用振動成型的擊實方法，并確定了最佳的振動參數(shù)：振動頻率為30 Hz，振動時間為120 s。同時，對比重型擊實法表明，振動擊實法在確定碎石土最大干密度參數(shù)中具有一定的優(yōu)越性，其不隨碎石含量的改變而改變。

2) 針對碎石土路基不同位置碎石含量不同，傳統(tǒng)灌砂法不適用的問題，提出了含石量-最大干密度曲線法，確定了不同含石量的碎石土最大干密度，為路基壓實質(zhì)量檢測提供計算參考。

3) 在碎石土路基鋪筑過程中，主要采用輪跡法、輔助沉降法和優(yōu)化灌砂法聯(lián)合對路基質(zhì)量進行控制。從大量檢測數(shù)據(jù)分析表明，輔助沉降法得出的沉降量數(shù)據(jù)結(jié)果與優(yōu)化的灌砂法得出的壓實度數(shù)據(jù)結(jié)果對于路基質(zhì)量反映具有較好一致性。因此，為提高施工效率，在施工工藝不變的情況下，可采用輔助沉降法對碎石土路基壓實質(zhì)量進行控制。