粉砂巖路堤填筑技術及測試指標試驗研究

皮亮， 吳玉財

(廣東省高速公路有限公司， 廣東 廣州 510100)

軟巖強度低、膠結程度差，作為路堤填料受到嚴格限制。方燾等對軟巖路基的壓實特性進行研究，得出了軟巖路基的最佳含水量、最大干密度及空隙率與粗顆粒含量之間的關系；袁偉對軟巖填料在高速鐵路中的適用性進行了分析；劉新喜等通過對強風化軟巖壓實特性的試驗研究，認為強風化軟巖填料的承載比CBR隨壓實度的增大而增大，具有良好的壓實性能；向貴府等針對昔格達地區(qū)的泥巖和砂質泥巖填料進行飽水前后CBR試驗，得出其主要影響因素為含泥量和含水率；鄭明新等提出了軟巖填筑路基可行性的初步判定方法；陳愛云等采用模型試驗方法，對不同顆粒級配、不同含水量軟巖路堤在準靜荷載作用下的變形機理進行研究，得出采用一定顆粒級配與含水量軟巖填筑的路堤通過壓實可滿足規(guī)范要求。

當前軟巖作為路基填料在工程中已有一些應用，但對軟巖路基的大規(guī)模、系統(tǒng)性研究并不多見。這主要是因為軟巖種類較多，在物質組成、結構構造、物理力學性質方面，不同種類軟巖既有共性，又各具特性，路用性能差別較大，需分類區(qū)別對待。該文依托廣東紫惠(河源紫金—惠州惠陽)高速公路項目，通過現(xiàn)場填筑試驗，研究粉砂巖路堤的填筑施工技術，并進行粉砂巖路堤壓實度、動態(tài)變形模量和貫入度測試，研究粉砂巖填料填筑碾壓過程中各測試指標的變化規(guī)律，探討不同測試指標間的相關性及回歸關系。

1 工程概況

紫惠高速公路起于河源市紫金縣瓦溪鎮(zhèn)，對接河惠莞(河源—惠州—東莞)高速公路龍川至紫金段，終于惠州市惠陽區(qū)平潭鎮(zhèn)，與廣惠(廣州—惠州)高速公路相接。項目區(qū)基巖主要為下侏羅系藍塘群粉砂巖、泥質粉砂巖、頁巖、泥巖、炭質巖及其互層。藍塘群巖石多屬極軟巖，遇水極易崩解、軟化，局部軟巖具有一定膨脹性。

2 室內試驗結果與分析

2.1 液限和塑限

采集典型粉砂巖填料樣品，將其磨碎成細粒土，按JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》分別進行液限、塑限試驗。試驗前將巖樣用木碾或粉碎機碾碎，過0.5 mm篩，加水拌勻后裝入容器，置入保濕箱，濕潤時間不少于24 h。測試結果表明試驗場地粉砂巖填料的液限為37.4%，塑限為28.1%，塑性指數(shù)為9.3。

2.2 擊實試驗

按照JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》對粉砂巖填料進行重型Ⅱ-2擊實試驗，試筒直徑15.2 cm，高17 cm。試驗時試樣分3層擊實，每層擊實98次，允許最大粒徑為40 mm。試驗場地粉砂巖填料擊實試驗結果見圖1。

圖1 粉砂巖填料擊實曲線

由圖1可知：試驗場地粉砂巖填料的最佳含水率為10.6%，最大干密度為1.98 g/cm3。

2.3 CBR測試

對試驗場地粉砂巖填料進行CBR測試，結果顯示：試驗場地粉砂巖填料壓實度為93%時，CBR為4.1%；壓實度為94%時，CBR為4.6%。其CBR滿足JTG D30—2015《公路路基設計規(guī)范》的要求。

3 現(xiàn)場試驗測試結果與分析

試驗場地粉砂巖路堤填筑試驗采用的主要機械設備為26 t振動壓路機、推土機和平地機。路堤填筑平均松鋪厚度為29 cm，平均松鋪系數(shù)為1.16。采用推土機履帶對軟巖填料進行反復碾壓，使路堤填料最大粒徑小于150 mm，然后采用26 t振動壓路機進行碾壓，碾壓順序為靜壓1遍→弱振1遍→強振4遍→靜壓1遍。圖2為碾壓7遍后照片。

圖2 粉砂巖路堤碾壓7遍后照片

3.1 路基壓實度測試

按照JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》中灌砂法進行試驗場地粉砂巖路堤壓實度測試，在距離路基左、右邊線1.5 m處各選1個測試點，路基中部選擇2個測試點。路堤壓實度測試結果見表1，滿足規(guī)范中上路堤壓實度不小于94%的要求。

表1 粉砂巖路堤壓實度測試結果

3.2 動態(tài)變形模量測試

將一定重量的落錘提升至一個固定高度，然后釋放自由下落，落錘沖擊置放在路基表面的承載板和底座，在沖擊荷載作用下，承載板與路基表面產(chǎn)生豎向位移。利用壓力傳感器和位移傳感器記錄荷載和位移時程數(shù)據(jù)，計算機數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)壓力和位移峰值計算動態(tài)變形模量。

3.2.1 動態(tài)變形模量測試裝置

(1) 加載裝置。加載裝置主要由落錘、掛(脫)鉤裝置、導向桿和阻尼裝置構成。落錘重10 kg，最大沖擊力為(7 070±70.7) N，沖擊持續(xù)時間為(18±2) ms。導向桿應平直、光潔。

(2) 承載板。承載板為圓形鋼板，直徑為(300±0.5) mm，厚度為(20±0.2) mm，表面粗糙度不大于6.3 μm。測振傳感器牢固、密貼地安裝在承載板的中心位置。

(3) 沉陷測定儀。沉陷測定儀主要由數(shù)據(jù)采集裝置、顯示器和打印機構成。

3.2.2 動態(tài)變形模量測試結果

路堤碾壓2、4、5、6、7遍后，進行路堤動態(tài)變形模量測試，測試結果見表2。由表2可知：隨著碾壓遍數(shù)的增加，試驗場地粉砂巖路堤平均動態(tài)變形模量增大。

表2 粉砂巖路堤動態(tài)變形模量測試結果

試驗場地粉砂巖路堤平均動態(tài)變形模量與平均壓實度的關系見圖3。由圖3可知：試驗場地粉砂巖路堤平均動態(tài)變形模量和平均壓實度的相關性判定系數(shù)大于0.9，兩者相關性良好，其回歸關系可用乘冪函數(shù)y=axb表示。不同填料路堤的平均壓實度和平均動態(tài)變形模量間的相關性、回歸關系應通過現(xiàn)場試驗確定。

圖3 粉砂巖路堤平均動態(tài)變形模量與平均壓實度的關系

3.3 動力錐貫入儀現(xiàn)場測試

動力錐貫入儀屬于小型輕便地基土原位測試觸探儀，在國外已得到廣泛應用，在國內工程中應用不多。動力錐貫入儀由手柄、落錘、導向桿、聯(lián)軸器(錘座)、扶手、夾緊環(huán)、探桿、1 m刻度尺和錐頭構成。標準落錘質量為8、10 kg；錐頭錐尖角度為90°、60°、30°等，最大直徑20 mm；錐頭最大允許磨損尺寸，尖端為4 mm，直徑為10%，否則必須更換。動力錐貫入儀利用落錘自由落下所產(chǎn)生的動能通過貫入桿傳遞到錐頭，錐頭克服土體的阻力貫入土體中，其基本原理類似于中國輕型動力觸探儀。錘重8 kg的貫入儀從575 mm高度落下，每錘擊一次產(chǎn)生的貫入能為45 J。

路堤碾壓2、4、5、6、7遍后，進行路堤動力錐貫入儀測試。試驗場地粉砂巖路堤填筑過程中路堤平均貫入度隨路基碾壓遍數(shù)的變化見表3，碾壓5遍后貫入深度-錘擊次數(shù)關系曲線見圖4。由表3可知：隨著碾壓遍數(shù)的增加，粉砂巖路堤平均貫入度減少。

表3 粉砂巖路堤動力錐貫入儀測試結果

圖4 粉砂巖路堤典型貫入深度-錘擊次數(shù)關系曲線(碾壓5遍)

根據(jù)貫入度和壓實度測試結果，試驗場地粉砂巖路堤平均貫入度與平均壓實度的相關關系見圖5。由圖5可知：試驗場地粉砂巖路堤平均貫入度和平均壓實度的相關性判定系數(shù)大于0.9，兩者相關性良好，其回歸關系可用乘冪函數(shù)y=cxd表示。不同填料路堤的平均貫入度和平均壓實度間的相關性、回歸關系應通過現(xiàn)場試驗確定。

圖5 粉砂巖路堤平均貫入度與平均壓實度的相關關系

試驗場地粉砂巖路堤平均動態(tài)變形模量與平均貫入度的關系見圖6。由圖6可知：試驗場地粉砂巖路堤平均動態(tài)變形模量和平均貫入度的相關性判定系數(shù)大于0.9，兩者相關性良好，其回歸關系可用乘冪函數(shù)y=mxn表示。不同填料路堤的平均動態(tài)變形模量和貫入度間的相關性、回歸關系應通過現(xiàn)場試驗確定。

圖6 粉砂巖路堤平均動態(tài)變形模量與平均貫入度的關系

4 結論

(1) 利用試驗場地粉砂巖進行路堤填筑時，填料松鋪厚度為29 cm。采用推土機履帶對粉砂巖填料進行反復碾壓，使路堤填料最大粒徑小于150 mm，然后采用26 t振動壓路機進行碾壓，先靜壓1遍，再弱振1遍，接著強振4遍，最后靜壓1遍。碾壓完成后，試驗場地路堤壓實度滿足規(guī)范要求。

(2) 隨著粉砂巖填料碾壓遍數(shù)的增加，試驗場地粉砂巖路堤平均壓實度和平均動態(tài)變形模量均增大，平均貫入度減小。

(3) 試驗場地粉砂巖路堤平均動態(tài)變形模量與平均壓實度、平均貫入度與平均壓實度、平均動態(tài)變形模量與平均貫入度均表現(xiàn)出良好的相關性，其回歸關系均可用乘冪函數(shù)表示。