含紅砂巖礫粒紅黏土路基碾壓特性及效果研究

楊園野，丁海濱，趙秀紹，方 燾，郭國君

（華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實驗室，江西 南昌 330013）

含紅砂巖礫粒紅黏土路基碾壓特性及效果研究

楊園野，丁海濱，趙秀紹，方 燾，郭國君

（華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實驗室，江西 南昌 330013）

基于實際工程需要，設(shè)置試驗段，對含紅砂巖礫粒的贛州紅黏土作為路基填料時的填筑特性進(jìn)行了研究。試驗采用振動碾壓、沖擊碾壓及二者組合碾壓對不同虛鋪厚度的土層進(jìn)行碾壓試驗，并結(jié)合動應(yīng)力監(jiān)測，分析驗證了不同碾壓機(jī)械，碾壓效果不同的原因。同時在試驗的過程中對碾壓施工引起的環(huán)境振動進(jìn)行監(jiān)測，分析了碾壓振動的安全距離。在試驗檢測過程中，采用EVD和K30同時檢測，比對二者之間的關(guān)系，為含紅砂巖礫粒的紅黏土碾壓檢測提供參考。研究表明：對于江西贛州含紅砂巖礫粒的紅黏土填料，宜虛鋪厚度為40～50 cm，先采用沖擊碾壓，壓實度達(dá)到80%以上時，再采用振動碾壓，效率最高，碾壓施工的振動安全距離為25 m；對于含紅砂巖礫粒的紅黏土地基填料壓實的檢驗，采用EVD初檢時，可參考公式K30= 1.91EVD+8計算地基K30值。

紅黏土；碾壓；虛鋪厚度；壓實度；振動

當(dāng)前，我國高鐵技術(shù)突飛猛進(jìn)，高鐵建設(shè)日新月異，鐵路路基填筑工程量巨大，充分利用臨近土源填筑路基，是保證路基建設(shè)經(jīng)濟(jì)有效的前提。

江西贛州地貌以丘陵為主，地質(zhì)以紅黏土為主，部分地區(qū)富含強(qiáng)風(fēng)化紅砂巖礫粒。對于紅黏土的研究，萬智、談云志、蔡彬權(quán)、鄧毅及羅成江等[1-5]研究了影響紅黏土路基壓實度的因素，對高速公路工程中紅黏土路基的壓實提出處理方法。宋常軍等[6]通過試驗研究了湘西高液限紅黏土特殊的路用特性及多種工況組合下高液限紅黏土直接填筑路堤的碾壓效果。成麗華、曹為和舒林等[7-9]對高液限黏土進(jìn)行實驗成果和經(jīng)濟(jì)分析，提出了將高液限紅黏土作為路基填料時具體的處理方案。朱國平[10]研究了干濕循環(huán)作用下，紅黏土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化。李志勇等[11]通過動三軸試驗研究了紅黏土動態(tài)回彈模量。耿大新等[12]通過試驗研究了重塑紅黏土毛細(xì)度的變化，為路基病害的防治提供了參考。

對于含礫粒紅黏土的路基填筑特性，研究較少，楊俊等[13]研究了在紅黏土中摻入天然砂礫后，其力學(xué)指標(biāo)會發(fā)生相應(yīng)的變化。呂海波等[14]通過試驗研究了粗粒含量以及含水率變化對含礫粒紅黏土填筑性能的影響。富含紅砂巖礫粒的紅黏土作為路基填筑組料，存在水穩(wěn)性差，壓實困難等問題。確定含紅砂巖礫粒紅黏土填料的壓實施工標(biāo)準(zhǔn)，對于指導(dǎo)類似的工程具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程背景

贛州港鐵路專線工程位于江西省贛州市龍嶺鎮(zhèn)，地質(zhì)以紅黏土為主，丘陵地貌，山丘富含強(qiáng)風(fēng)化紅砂巖，遇水崩解甚至泥化。鐵路干線全程3.7 km，其中并行京九線長2.2 km，路基填方126 114 m3，其中A組填料18 736 m3，剩余填料為含紅砂巖礫粒的紅黏土。工程采用20 t振動碾壓機(jī)和25KJ-T3型沖擊碾壓機(jī)處理地基，所建鐵路為Ⅳ級鐵路，要求壓實度達(dá)到90%，K30達(dá)到150 MPa/m。

圖1 現(xiàn)場施工Fig.1 Field operation

2 室內(nèi)土工試驗

從現(xiàn)場取樣，通過篩分試驗，得到其級配曲線（如圖2所示），可得其不均勻系數(shù)為8.3，曲率系數(shù)為1.1，礫粒含量較高。試驗測得其液限為30%左右，塑限為20%左右，屬于低液限粉質(zhì)粘土。天然含水率19%，最大干密度為1.82 g/cm3，通過擊實試驗得到其壓實度與含水率的關(guān)系（如圖3所示），可知其最優(yōu)含水率為23%左右。

圖2 顆粒級配曲線Fig.2 Grading curve of particle

圖3 壓實度與含水率關(guān)系Fig.3 Relationship between compaction degree and water content

3 現(xiàn)場試驗

試驗段設(shè)于贛州港鐵路專線工程裝卸站區(qū)域D1K3+150～D1K3+750，長700 m，寬40 m?，F(xiàn)場試驗使用渣土車集中運(yùn)送填料，使用裝載機(jī)推移，再利用攤鋪機(jī)整平。試驗針對振動碾壓和沖擊碾壓的壓實效果及對周圍環(huán)境的影響進(jìn)行比對，并確定虛鋪厚度范圍及壓實效果的EVD檢測和K30檢測的換算關(guān)系。施工平面布置圖如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場試驗平面布置圖Fig.4 Plane layout of field test

3.1 碾壓速度

振動碾壓速度慢，能保證較好的壓實效果，但效率太低，影響工期；振動碾壓速度快，會產(chǎn)生推移和裂紋，達(dá)不到壓實效果。因此振動碾壓速度的選取，對于工程效益有著顯著的影響。已有學(xué)者通過試驗研究得出振動碾壓機(jī)械輪徑不變時，振動碾壓速度主要由振動沖擊間距及振動頻率所決定[15]。試驗采用碾壓機(jī)械輪徑160 cm，對應(yīng)振動沖擊間距為36 mm，碾壓機(jī)振動頻率為3 000 r/min，計算碾壓速度為6.48 km/h。試驗中發(fā)現(xiàn)，初始碾壓速度快，局部會出現(xiàn)擁包現(xiàn)象，故試驗中設(shè)定第一遍碾壓速度為5 km/h，后續(xù)碾壓速度為6.48 km/h。

沖擊碾壓是利用沖擊輪自身的重量和前進(jìn)時的沖擊力對路基填料進(jìn)行破碎和壓實，故采用設(shè)計碾壓速度即可。試驗采用工程常用的25KJ-T3三邊形沖擊碾壓機(jī)，雙輪各寬0.9 m，兩輪內(nèi)邊距相距1.17 m，來回碾壓算一遍，每遍壓實中的第二次振動碾壓輪由第一次兩輪內(nèi)邊距中央通過，碾壓速度選用設(shè)計平均值10.5 km/h。

3.2 壓實效果

試驗設(shè)置虛鋪厚度分四級：30，40，50和60 cm，并在40 cm虛鋪填料底面埋置壓力傳感器。再分別采用振動碾壓和沖擊碾壓兩種碾壓方式進(jìn)行碾壓，每次碾壓過后，用環(huán)刀在虛鋪填料底面取樣，計算壓實度。待虛鋪填料底層達(dá)到Ⅳ級鐵路壓實標(biāo)準(zhǔn)，用K30驗算其承載力。

圖5與圖6為不同虛鋪厚度填料在振動碾壓作用下壓實度隨碾壓遍數(shù)的變化及第6遍碾壓時的動應(yīng)力監(jiān)測。可以看出，在振動碾壓作用下，填料底層壓實度逐步穩(wěn)定提高，在碾壓遍數(shù)達(dá)到7遍時，趨于穩(wěn)定；填料底層壓實度隨著虛鋪厚度的增大而減小，當(dāng)虛鋪厚度超過50 cm時，碾壓6遍不能達(dá)到Ⅳ級鐵路壓實標(biāo)準(zhǔn)。在振動碾壓機(jī)經(jīng)過動應(yīng)力測量點(diǎn)的過程中，動應(yīng)力先是穩(wěn)定的增大，后穩(wěn)定的減小，持續(xù)的振動作用能有效的降低土壤的內(nèi)摩擦力，故隨著碾壓的遍數(shù)的增加，壓實度逐漸穩(wěn)定的提高。

圖5 振動碾壓下壓實度與碾壓遍數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationship between compaction degree and rolling time under vibration rolling

圖6 振動碾壓下動應(yīng)力時程曲線Fig.6 Time-history curve of dynamic stress under vibration and rolling

圖7與圖8為不同虛鋪厚度填料在沖擊碾壓作用下壓實度隨碾壓遍數(shù)的變化及第6遍碾壓時的動應(yīng)力監(jiān)測。可以看出，沖擊碾壓1～3遍能較快的提高填料壓實度，但一味采用沖擊碾壓并不能取得最好的壓實效果。其原因在于，沖擊碾壓機(jī)的凸形輪使得其在碾壓過程中，產(chǎn)生較大的集中應(yīng)力，能夠有效的破碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化紅砂巖，使其形成較小的礫粒，但間斷性的沖擊壓實面，致使碾壓的位置不連續(xù)，土壤中的動應(yīng)力也不連續(xù)，土壤的內(nèi)摩擦力不能因為振動的作用持續(xù)保持在較低的水平，其抗剪強(qiáng)度較振動碾壓要高，故最終壓實效果較相同噸位的振動碾壓機(jī)壓實效果要弱。

圖7 沖擊碾壓下壓實度與碾壓遍數(shù)關(guān)系Fig.7 Relationship between compaction degree and rolling time under impact rolling

圖8 沖擊碾壓下動應(yīng)力時程曲線Fig.8 Dynamic stress time-history curve under impact and rolling

通過比對振動碾壓與沖擊碾壓的壓實效果，提出組合碾壓的方式，先采用沖擊碾壓2～3遍，壓實度達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的80%，再采用高頻振動碾壓達(dá)到規(guī)范要求的密實度。

圖9與圖10為不同虛鋪厚度填料在組合碾壓作用下壓實度隨碾壓遍數(shù)的變化及壓實完成后的K30檢測結(jié)果。虛鋪30 cm和40 cm在碾壓5遍時即達(dá)到92%，測得K30值為171 MPa/m和160 MPa/m；虛鋪50 cm在碾壓6到7遍時基本達(dá)到90%，測得K30值為151 MPa/m?？梢钥闯鰧τ诤t砂巖礫粒的紅黏土填料，虛鋪40～50 cm，采用先沖擊碾壓再振動碾壓的組合碾壓方式，5～6遍就能達(dá)到規(guī)范要求的壓實度。

圖9 組合碾壓下壓實度與碾壓遍數(shù)關(guān)系Fig.9 Relationship between compaction degree and rolling time under composite rolling

圖10 不同虛鋪厚度下沉降與承載強(qiáng)度的關(guān)系Fig.10 Relationship between settlement and bearing strength under different paving thickness

通過試驗段試驗分析，對于含紅砂巖礫粒的紅黏土填料，宜采用的虛鋪厚度為40～50 cm，應(yīng)采用先沖擊碾壓2～3遍，后振動碾壓，壓實效率高，壓實效果最好。

3.3 振動監(jiān)測

施工引起的振動，不但威脅周圍建筑物的安全，而且影響人們的正常生活。國內(nèi)外大多采用振動速度值或振動加速度值來衡量振動效應(yīng)，普遍采用振動速度幅值不超過0.050 8 m/s且加速度幅值不超過0.1g作為建筑物安全振動控制標(biāo)準(zhǔn)。

為監(jiān)測碾壓施工對周圍環(huán)境的振動影響，在松鋪厚度40 cm的試驗段一側(cè)，每隔5 m布置一個振動傳感器，監(jiān)測該點(diǎn)加速度和速度變化。

圖11和圖12所示為碾壓完成時，速度與加速度的衰減曲線，由圖可得，沖擊碾壓比振動碾壓會引起更高的環(huán)境振動，二者的衰減都很快，安全距離在25 m以內(nèi)，對附近的建筑物和居民生活基本無影響。

圖11 速度峰值衰減曲線Fig.11 Curve of peak particle velocity at ground surface

圖12 加速度峰值衰減曲線Fig12 Curve of peak particle acceleration at ground surface

3.4 EVD與K30檢測

現(xiàn)場檢測試驗中，若每次都用K30檢測承載力，如果存在檢驗不合格的情形，就需要再次碾壓后進(jìn)行二次檢驗，而K30的操作很耗費(fèi)時間。EVD的操作很便捷，故考慮采用EVD對壓實過的路基進(jìn)行初檢，檢測合格后，再用K30進(jìn)行檢驗確認(rèn)。EVD運(yùn)用沖擊錘沖擊承載盤，通過傳感器得出路基的動態(tài)彈性模量，但由于其使用瞬態(tài)沖擊荷載，只能對路基表層的彈性模量作以反應(yīng)，一定深度以下的土體動力響應(yīng)不能及時反應(yīng)到EVD傳感器上。故EVD和K30的值不能嚴(yán)格對應(yīng)起來，只能用作參照，滿足EVD值的，K30檢測合格的幾率要增大很多，對于節(jié)省工期有重要意義。

通過多次試驗數(shù)據(jù)可以得出，EVD值與K30的值存在一定對應(yīng)關(guān)系(如圖13所示)，但也存在一定發(fā)散性，并不是嚴(yán)格線性相關(guān)的。上邊界有K30=2.14EVD+38的對應(yīng)關(guān)系，下邊界有K30= 1.91EVD+8的對應(yīng)關(guān)系，為保證施工質(zhì)量，故選取下限值K30=1.91EVD+8作為含紅砂巖塊礫紅黏土的壓實檢驗中EVD與K30的換算關(guān)系式，用于指導(dǎo)施工。

圖13 EVD與K30關(guān)系圖Fig.13 Relationship between EVD and K30

4 結(jié)論

1）對于含紅砂巖礫粒的紅黏土地基填料，沖擊碾壓能以較少的碾壓遍數(shù)有效的提高壓實度，但多次碾壓能達(dá)到的最大壓實度較振動碾壓小。在施工中，應(yīng)先采用沖擊碾壓2～3遍，再采用振動碾壓2～3遍，能較快的達(dá)到較高的壓實度。

2）對于含紅砂巖礫粒的紅黏土地基填料，虛鋪厚度設(shè)為40～50 cm左右，組合碾壓6遍，壓實度和承載力值能夠達(dá)到Ⅳ級鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

3）對于含紅砂巖礫粒的紅黏土地基填料，沖擊碾壓比振動碾壓引起更高的環(huán)境振動，但衰減較快，二者的振動安全距離基本一致。

4）對于含紅砂巖礫粒的紅黏土地基填料壓實的檢驗，采用EVD初檢時，可參考公式K30=1.91EVD+8計算地基K30值。

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Study of Compaction Characteristics and Effect of Red Clay Roadbed Containing Red Sandstone Gravel

Yang Yuanye，Ding Haibing，Zhao Xiushao，F(xiàn)ang Tao，Guo Guojun
（Jiangxi Key Laboratory of Geotechnical Engineering Infrastructure Safety&Control，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Based on the actual demand for engineering projects,this study explored the characteristics of red clay containing red sandstone gravel grains in Ganzhou filling as roadbed filling.In the test，the roller compaction test was carried out by using vibratory rolling,impact rolling and combined rolling.The causes of different compaction effects were analyzed with combination of dynamic stress monitoring.At the same time，the environmental vibration caused by roller compaction was monitored during the test，and the safe distance of the rolling vibration was analyzed.In the test，EVD and K30 were adopted to detect the effect of rolling simultaneously in order to obtain the relationship between them，which may provide reference for the detection of red clay roadbed containing red sandstone gravel.The results showed that the suitable depth for the red clay containing red sandstone gravel in Jiangxi province is 40～50 cm.It is better to use impact rolling until the compactness of roadbed reaches 80%，and then the vibration rolling is adopted.The vibration safety distance of rolling compaction construction is 25m.For the compaction test of red clay containing red sandstone gravel，the value of K30 can be calculated by formula K30=2.03EVD+23 during the initial inspection of EVD.

red clay；compaction；virtual paving thickness；degree of compaction；compaction vibration

TU435

A

1005-0523（2017）03-0034-06

（責(zé)任編輯 王建華）

2017－01－08

江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實驗室（20161BCD40010）；國家自然科學(xué)基金資助項目（51668018）

楊園野（1991—），男，碩士研究生，研究方向為巖土工程。

指導(dǎo)老師：趙秀紹（1978—），男，博士，副教授，研究方向為巖土工程、道路與鐵道方面研究。