高填方土石混填路基夯實(shí)及檢測(cè)技術(shù)研究

宋 楊，魏連雨，馮 雷

（ 1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2. 河北工程技術(shù)高等專(zhuān)科學(xué)校，河北 滄州 061000）

高填方土石混填路基夯實(shí)及檢測(cè)技術(shù)研究

宋 楊1,2，魏連雨1，馮 雷1

（ 1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2. 河北工程技術(shù)高等專(zhuān)科學(xué)校，河北 滄州 061000）

利用多道瞬態(tài)瑞雷波檢測(cè)技術(shù)，對(duì)承德某二級(jí)公路試驗(yàn)段土石混填路堤進(jìn)行檢測(cè)，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(qiáng)夯施工成本指標(biāo)，優(yōu)化了原有土石混填路堤的施工方案．在此基礎(chǔ)上應(yīng)用瑞雷波波速、彎沉和承載板試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化的施工方案進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，提出山區(qū)超大粒徑土石混填路堤的工程經(jīng)驗(yàn)施工方案、工程治理措施及相應(yīng)的施工質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)方法，對(duì)山區(qū)公路土石混填路堤的建設(shè)具有指導(dǎo)意義．

路堤；土石混填；強(qiáng)夯處理；瑞雷波；路堤檢測(cè)

0 引言

近年來(lái)隨著西部大開(kāi)發(fā)的進(jìn)行，道路修建重點(diǎn)逐步向山區(qū)轉(zhuǎn)移，山區(qū)高等級(jí)道路逐漸增多，筑路材料、施工機(jī)械和施工工藝也得到了更大的發(fā)展．同時(shí)隨著工程實(shí)踐的增多，一些新的路堤形式[1]也得到了應(yīng)用．利用強(qiáng)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(wèn)題．但現(xiàn)有規(guī)范[2]中對(duì)強(qiáng)夯加固施工要求并不明確，很多施工現(xiàn)場(chǎng)并不按要求進(jìn)行試驗(yàn)路實(shí)驗(yàn)，僅憑經(jīng)驗(yàn)確定夯點(diǎn)位置及夯擊次數(shù)，這種隨意性的施工給工程質(zhì)量埋下隱患，降低了道路使用壽命．

在土石混填路堤施工質(zhì)量檢測(cè)問(wèn)題上，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了研究．閏秀萍[3]用表面振動(dòng)儀法和重型擊實(shí)法研究測(cè)試不同粗粒料含量下的土石混填路堤壓實(shí)質(zhì)量，得出粗顆粒含量與標(biāo)準(zhǔn)干密度相關(guān)的結(jié)論．在京福高速閩清段土石混填路堤試驗(yàn)段中吳志雄[4]通過(guò)高精度水準(zhǔn)儀觀測(cè)塑性變形指標(biāo)研究其余路堤壓實(shí)質(zhì)量的關(guān)系，提出塑性變形增量指標(biāo)．黃衛(wèi)東[5]等人采取與吳志雄類(lèi)似方法研究，他們通過(guò)瑞雷波法結(jié)合灌沙發(fā)測(cè)量壓實(shí)度．

山區(qū)高填方路堤的無(wú)損檢測(cè)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(cè)試方法簡(jiǎn)單有效，被較為廣泛的應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中．較之于其他檢測(cè)方法，瑞雷波在檢測(cè)路堤強(qiáng)夯加固質(zhì)量結(jié)果基礎(chǔ)上，還能得到加固深度及承載力數(shù)據(jù)[6]．本文采用多道瞬態(tài)瑞雷波檢測(cè)技術(shù)對(duì)承德某二級(jí)公路土石混填路堤進(jìn)行定量檢測(cè)，在分析檢測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)強(qiáng)夯加固施工工藝進(jìn)行改進(jìn)，提出了一套科學(xué)的土石混填路堤施工及檢測(cè)方案，對(duì)指導(dǎo)山區(qū)土石混填路堤修筑有重要意義．

1 土石混填路堤瑞雷波無(wú)損檢測(cè)原理

通過(guò)彈性力學(xué)可知，對(duì)道路表面施加豎向激振力，就會(huì)在道路表面和內(nèi)部產(chǎn)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(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)路堤體積變形和介質(zhì)變化，其中S波會(huì)受到路堤填料顆粒的影響，工程通過(guò)檢測(cè)S波波速數(shù)據(jù)來(lái)分析路堤結(jié)構(gòu)信息．相比于S波，瑞雷波（R波）在無(wú)損檢測(cè)中有著更大的優(yōu)勢(shì)．因?yàn)槿鹄撞ú▌?dòng)能量較大，更容易檢測(cè)，同時(shí)瑞雷波在路堤傳播中波速變化較小，通過(guò)學(xué)者們的不懈研究，逐步確立了一套通過(guò)利用實(shí)測(cè)瑞雷波波速度的方法來(lái)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(jiǎn)稱(chēng) SASW 法），來(lái)評(píng)價(jià)路堤的密實(shí)程度[7-9]．圖1所示為瑞雷波法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試原理．

圖1 瑞雷波法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試原理Fig.1 Rayleighwave principle field test

2 土石混填路堤強(qiáng)夯施工方案優(yōu)化

試驗(yàn)路全長(zhǎng) 300 m ，是一段位于承德境內(nèi)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(fēng)化巖石，抗壓強(qiáng)度在 15MPa以下．施工工藝采用分層填筑碾壓，強(qiáng)夯加固．每層攤鋪厚度為 80 cm ，采用 21 t光輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，攤鋪5層（4m）后進(jìn)行強(qiáng)夯加固．

2.1 有效加固深度的確定

為了保證強(qiáng)夯加固既能夠?qū)β返踢M(jìn)行充分壓實(shí)，又能盡最大可能的利用夯擊能量，確定強(qiáng)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(yīng)路堤加固效果，還能為不同路堤情況下的強(qiáng)夯加固處理方案提供重要 的 依 據(jù) ． 分 別 精 確 實(shí) 驗(yàn) 檢 測(cè) 了 1 000 kN m 、1 600 kN m 、 2 000 kN m 不 同 強(qiáng) 夯 能 量 對(duì) 填 高6m的路堤產(chǎn)生的沖擊效果．測(cè)試表明，3種夯擊能量單點(diǎn)夯擊10次均能滿(mǎn)足最后一次夯沉量小于5 cm[8]．測(cè)得夯前與 10 擊后同一位置的面波數(shù)據(jù)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(qiáng)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(guò)圖3～圖5可以發(fā)現(xiàn)，夯擊后，不同能量下的夯擊在統(tǒng)一深度內(nèi)，較之前一次夯擊瑞雷波的速度都有明顯提高．同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)，在一定深度后，前一次和后一次夯擊的瑞雷波蘇會(huì)發(fā)生重合．而這重合點(diǎn)就是其加固的有效深度．所以我們得知，當(dāng)夯擊能為 1000 kN m時(shí)，其有效影響深度為 4m；當(dāng)夯擊能為 1 600 kN m時(shí)，其有效影響深度為 6m；當(dāng)夯擊能為 2 000 kN m時(shí)，其有效影響深度為 5.7m．

圖4 夯擊能為 1 600 kN m強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)夯施工方案優(yōu)化及夯點(diǎn)間距和夯擊次數(shù)研究

在現(xiàn)有的檢測(cè)方法中，除了灌沙法和灌水法，對(duì)于試驗(yàn)路的土石混填路堤中接近1m的大粒徑石料，都無(wú)法得到有效的檢測(cè)數(shù)據(jù)．但灌沙灌水的方法對(duì)路堤的破壞很大，同時(shí)也十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力．因此采用瑞雷波物探檢測(cè)技術(shù)，來(lái)檢測(cè)土石混填路堤的壓實(shí)質(zhì)量．研究之前施工單位采用的實(shí)驗(yàn)方案，發(fā)現(xiàn)其夯點(diǎn)布置過(guò)密，造成路堤表面過(guò)早硬化，形成板體結(jié)構(gòu)，吸收了大量的夯擊能量，影響了強(qiáng)夯加固的深度．為了探尋合理的間距，通過(guò) 3 個(gè)方案[10]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)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(diǎn)間距 4.5m ，第 1 遍用 2 000 kN m能量夯擊，每點(diǎn)夯擊 8 次，第 2 遍采用 1 600 kN m夯擊能，每點(diǎn)夯擊5 次；第 3套方案分2 次夯擊，夯點(diǎn)間距 6m ，第 1 遍用 2 000 kN m能量夯擊，每點(diǎn)夯擊 10 次，第 2 遍采用 1 600 kN m夯擊能，每點(diǎn)夯擊8次．強(qiáng)夯加固方案示意如圖6所示．

分別檢測(cè)了這 3種方案加固后的路堤剪切波速，如表1 ～ 表4．通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯加固后，波速由之前的 220 ～ 251m/s升至 232 ～ 291m/s ，密實(shí)度達(dá)到了中硬級(jí)別，滿(mǎn)足了荷載作用要求．為了保證施工質(zhì)量，由 2.1 節(jié)有效加固深度得出的結(jié)論，必須要嚴(yán)格控制強(qiáng)夯加固的填筑深度，保證其在 5 m 以下，避免路堤中出現(xiàn)未壓實(shí)的軟弱夾層，造成今后的不均勻沉降．

圖6 強(qiáng)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(guò)分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，第 1套橫向?qū)Ρ绕毡椴ㄋ佥^高一些，說(shuō)明其壓實(shí)質(zhì)量略好于第 2、3套方案．但如果計(jì)算成本，發(fā)現(xiàn)第 2、3套方案更有優(yōu)勢(shì)．表5為施工參數(shù)對(duì)比表，綜合考量發(fā)現(xiàn)第3套方案最優(yōu)．

表5 不同夯擊能施工參數(shù)對(duì)比表Tab.5 Different tamping energy construction parameters comparison

3 土石混填路堤無(wú)損檢測(cè)與傳統(tǒng)檢測(cè)的試驗(yàn)對(duì)比

為了確定瑞雷波無(wú)損檢測(cè)效果，在上節(jié)試驗(yàn)路的基礎(chǔ)上進(jìn)行了彎沉測(cè)試和承載板測(cè)試，研究確定出一套行之有效的土石混填路堤檢測(cè)方案．

3.1 瑞雷波與彎沉測(cè)試結(jié)果分析

彎沉實(shí)驗(yàn)和瑞雷波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)在試驗(yàn)路上每間隔 20m2取樣采集數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，得到表層剪切波波速與彎沉值．對(duì)比分析后，試驗(yàn)路 13 個(gè)測(cè)點(diǎn)的對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表6．分析下表結(jié)果可知：1 車(chē)道均值192.9（0.01mm），代表值 240.7（0.01mm），2 車(chē)道均值 217.4（0.01mm），代表值 273.8（0.01mm），均滿(mǎn)足二級(jí)公路路堤彎沉要求．

3.2 瑞雷波與承載板試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)路共選擇承載力測(cè)點(diǎn) 16個(gè)，并在承載力測(cè)點(diǎn)采集瑞雷波波速，通過(guò)反演后獲得表層剪切波波速，承載力試驗(yàn)結(jié)果與剪切波波速對(duì)比表如表7所示．

表6 試驗(yàn)路彎沉與剪切波波速檢測(cè)結(jié)果表Tab.6 Road testsand shearwave velocity deflection test results

表7 承載板測(cè)試結(jié)果Tab.7 Bearing plate test results

通過(guò)表7可以分析得出，由于碎石在路堤中形成一定骨架結(jié)構(gòu)，土石混填路堤的承載力要比土質(zhì)路堤高．所以適當(dāng)?shù)暮繉?duì)提高路堤強(qiáng)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(shì)．

4 結(jié)論

通過(guò)在承德某二級(jí)公路的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(zhì)量檢測(cè)方面得出以下結(jié)論：

1） 提出了行之有效的現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)夯施工方案，對(duì)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(jī)碾壓 6 遍．4m（5 層） 后進(jìn)行強(qiáng)夯加固．經(jīng)無(wú)損檢測(cè)評(píng)價(jià)后滿(mǎn)足中硬場(chǎng)地土要求，該施工方案的施工參數(shù)可在土石混填路堤中推廣應(yīng)用．

2）通過(guò)3種方案的比選，在滿(mǎn)足強(qiáng)夯加固要求的前提下通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了經(jīng)濟(jì)效益最好的強(qiáng)夯施工方案，即分 2 次夯擊，夯點(diǎn)間距 6m，第 1 遍用 2000 kN m能量夯擊，每點(diǎn)夯擊 10 次，第 2 遍采用 1600 kN m夯擊能，每點(diǎn)夯擊8次．

3）為確認(rèn)瑞雷波無(wú)損檢測(cè)方法，在試驗(yàn)段對(duì)比進(jìn)行了彎沉檢測(cè)、承載板試驗(yàn)檢測(cè)．試驗(yàn)結(jié)果表明由于土石混合料形成了骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)，其承載力優(yōu)于土質(zhì)路堤，表現(xiàn)出良好的路用性能．

4）對(duì)于土石混填路堤施工質(zhì)量檢測(cè)，瑞雷波顯示了較傳統(tǒng)技術(shù)更為簡(jiǎn)便有效的優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)結(jié)果能夠反映路堤深處的密實(shí)情況，更適合于粒徑超規(guī)范的土石混填路堤施工質(zhì)量檢測(cè)．

[1] 馮文生，鄭治．大粒徑填料工程特性的試驗(yàn)和研究 [J]．公路交通技術(shù)，2004（1）：1-4．

[2] 高一峰，柴賀軍，楊建國(guó)，等．土石混填路基強(qiáng)夯壓實(shí)試驗(yàn)研究 [J]．公路交通技術(shù)，2003（3）：8-11．

[3] 閆秀萍．關(guān)于土石混合料填筑路堤壓實(shí)檢測(cè)方法的探討 [J]．公路交通科技，2001，18（4）：40-42．

[4] 吳志雄．高速公路填石路堤的施工及質(zhì)量控制 [J]．中外公路，2003，23（1）：32-35．

[5] 黃衛(wèi)東，趙明階，韋剛．高速公路土石混填路堤壓實(shí)質(zhì)量控制與評(píng)價(jià) [J]．重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，24（4）：49-54．

[6] 劉云禎．工程物探新技術(shù) [M]．北京：地質(zhì)出版社，2006．

[7]JTGF 10-2006，公路路堤施工技術(shù)規(guī)范 [S]．北京：人民交通出版社，2006．

[8] 趙明階，黃衛(wèi)東，韋剛．公路土石混填路堤壓實(shí)度波動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用 [M]．北京：人民交通出版社，2006：89-110．

[9]JGJ/T 143-2004，多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)規(guī)程 [S]．

[10] 王金學(xué)，張國(guó)杰．土石混填路基強(qiáng)夯施工方案研究 [J]．公路，2009（5）：235-239．

[責(zé)任編輯 楊 屹]

On roadbed dynam ic consolidation construction technology by soil-stonem ixtures inmountain district

SONG Yang1,2，WEILian-yu1，F(xiàn)ENG 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(guó)家自然科學(xué)基金（50808064）；河北省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃（C080213）

宋楊（1982-），男（漢族），工程師，博士生．