（土木工程专业论文）填石路基的现场试验与质量控制研究.pdf

填石路基的现场试验与质量控制研究 工程硕士研究生姓名：严卫兵指导教师：施建勇教授工程领域：土木工程 摘要：利用石料填筑长段落高速公路路堤是源紧缺地区的各选方案，在京福国道主干 线徐州绕城公路东段工程建设中对该方案的相关技术问题进行了研究，研究成果已在徐州绕 城公路东段填石路堤工程中取得了成功应用，通车营运三年来路况良好。论文的主要研究工 作如下： 1 对填石路堤在振动压实荷载作用下的压实机理进行了研究，从振动压实机械的往复振 动影响深度、材料的强迫振动、材料颗粒间的内摩擦阻力减小、惯性力等几方面分析压密作 用。 2 对影响填石路堤的压实效果的因素进行了分析研究，重点讨论了石料的颗粒级配、 成份、内摩擦阻力、颗粒破碎等内在条件，尤其是振动压实机械在填料中产生的压应力和 剪应力的作用。 3 以京福徐州东绕城公路为依托工程，对所用石料的矿物成分、烧失量、活性含量、硫 酸盐的含量进行了测定研究了石料的压实度与渗透系数、抗剪强度的关系。 4 通过填石路堤现场试验段填筑试验，进行碾压沉降量、沉降率、弯沉指标的研究，对 碾压机械、碾压方式、质量控制指标、现场碾压标准、监测措施的可行性进行了深入试验分 析，讨论施工工艺的控蒂j 方法。 5 对高速公路填石路堤的设计和旃工提出了初步建议。 关键词：填石路基、现场试验、质量控制 a b s t r a c t s t u d y o nf i e l dt e s ta n d q u a i l t y c o n t r o lo fs t o l i ee m b a n k m e n t c a n d i d a t e ：y a nw e i b i n ga d v i s o r ：p r o f ，s h ij i a n y o n g m e n g 。f i e l d ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g a b s t r a c t ：u s i n gs t o n e t oc o r t s t u c t l o n gr a n g eo fe x p r e s s w a ye m b a n k m e n ti s a n a l t e r n a t i v et od i s t i n c tw h e r es o i li ns h o r ts u p p l y c o m b i n e dq u a l i t yp r o b l e m so ft h e p r o g r a mw e r es t u d i e di nt h ec o n s t r u c t i o no f t h ee a s ts e c t i o no fx u z h o nb e l to ft h e m a i nt r u c kc i r c u i to fj i n g f un a t i o n a le x p r e s s w a y , t h es t u d yr e s u l t sh a v ea c h i e y e d s u c c e s s f u la p p l i c a t i o ni nt h ec o n s t r u c t i o no fr o c ke m b a n k m e n to ft h ee a s ts e c t i o no f x u z h o ub e l t t h er o a dh a sb e e no p e r a t i n gn o r m a l l yf o rt h r e ey e a r s ，t h em a i nw o r k o f t h i sp a p e ra r es h o w na sf o l l o w e d ： 1 ，确ec o m p a c t i o nm e c h a n i c so f r o c ke m b a n k m e n tu n d e r v i b r a t i n gc o m p a c t i o nl o a d w a s s t u d i e d c o n s i d e r i n g s o m cf a c t o r ss u c ha st h ei n f l u e n c e d d e p t h o f r e c i p r o c a t i n g m o t i o no fv i b r a t i n g c o m p a c t i o n m a c h i n e 、m a t e r i a l sf o r c e d v i b r a t i o n 、d e c r e a s eo ft h ei n t e r n a lf r i c t i o no fm a t e r i a lg r a i n sa n di n e r t i af o r c ee t c t oa n a l y z et h ec o m p a c t i o ne 隆c t 2 t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ec o m p a c t i o ne f f e c to fr o c ke m b a n k m e n tw a s a n a l y s e d m o s t a t t e n t i o nw a s p a i d t oi n h e r e n tc o n d i t i o i l ss u c ha s g r a i n c o m p o s i t i o no fr o c k 、c o m p o n e n t 、i n t e r n a l f r i c t i o na n dg r a i nf r a c t u r ee t c ， e s p e c i a l l y t h e c o m p r e s s i v e s t r e s sa n ds h e a rs f f e s s p r o d u c e db yv i b r a t i n g c o m p a c t i o nm a c h i n e i nt h ef i l l i n gm a t e r i a l 3 ，i n t h ee a s ts e c t i o n o f x u z h o u b e l t p r o j e c t 。m i n e r a lc o m p o n e n t o f f i l l i n g m a t e r i a l 、 i g n i t i o nl o s s 、a c t i v i t yc o n t e n ta n ds u l f a t ec o n t e n tw e em e a s u r e d t h er e l a t i o n b e t w e e nt h ec o m p a c t n e s so ft h ef i l l i n gm a t e r i a la n dc o n d u c t i v i t y 、s h e a rs 廿e n g t h w a ss t u d i e d 4 t h er e s e a r c ho nr o l l i n gs e t t l e m e n t 、s e t t l e m e n tr a t ea n df l e x u r ei n d e xw e r em a d e f r o mf i e l dt e s t so fr o c ke m b a n k m e n tt os t u d yd e e p l yr o l l i n gm a c h i n e s 、r o i l i n g m e t h o d 、q u a l i t y c o n l x o lc r i t e r i a 、f i e l dr o l l i n gc r i t e r i aa n dt h ef e a s i b i l i t yo f m o n i t o r i n gm e t h o da n dt h e c o n t r o lm e t h o do fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yw a s d i s c u s s e d 5 s o m e s u g g e s t i o n s o nt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o n o f e x p r e s s w a y r o c ke m b a n k m e n t w e r e p r e s e n t e d k e y w o r d s ：s t o n ee m b a n k m e n t , f i e l d t e s t , q u a l i t yc o n t r o l 作者简介：严卫兵，男，1 9 7 0 年生。1 9 9 1 年于同济大学公路与城市道路专业毕业并获 工学学士学位，2 0 0 1 年师从于施建勇教授和应后强高工。先后在南京市公路建设处、江 苏省高速公路建设指挥部、南京公路发展集团工作，参与了我省沪宁、宁马、雍六、京 福、徐宿等多条高速公路的建设监理和管理工作，高级工程师。 i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：y a n w e i b i n g s e n j o re n g i n e e nw 骷b o r ni n1 9 7 0u n d e rt h e g u i d a n c e o fp r o f s h ij i a n y o a ga n d p r o f y h l gh o u q i a n g h eg r a d u a t e df r o mt o n g j i u n i v e f i s t yi n1 9 9 1h em a j o r e di nc i t yr o a de n g i n e e d n ga n dg o tt h eb a c h e l o rd e g r e ei n t o n n iu l f i v e r s i t y a f t e rg r a d u a t i o n ，h ew o r k e di nn a n j i n gr e a dc o n s t r u c t i o nb u r e a u ，j i a n g a n e x p r e s sc o n s t r u c t i o nh e a d q u a r t e ra n dn a n j i n ge x p r e s sd e v e l o p m e n tg r o u p ，h e s o p a r t i c i p a t e di nt h ec o n s t r u c r f o no f e x p r e s s w a yo f f u n i n g , n i n g m a , y o n 豇i ua n dx u s h ue t c a ss u p e r v i s o ra n dm a n a g e r 第一章概述 1 1 研究背景 石料由于其优良的工程力学特性，在填筑土石坝、公路路堤、铁路路基等工程建设中 得到广泛的应用。在丘岭山区修筑高速公路，环境比较脆弱、地质条件较复杂，为合理利用 自然资源，将不可避免利用石料的作为路基填料。这一技术的应用，一方面便于就地取材， 少占田地，具有显著的社会经济效益：另一方面，石料具有透水性强、抗剪强度高和整体刚 度大等工程特性，是一种良好的填方材料。因此，填石路堤在我国高速公路建设中将愈来愈 多舸被采用。目前，在国内已有不少地区修筑了填石路堤的高等级公路，采取了一些措麓， 并对其施工方法和质量控制进行了一些研究工作，取得了一些经验。但目前关于高速公路填 石技术研究成果，大都是定性的标准。新规范j t gf 8 0 1 - - 2 0 0 4 公路工程质量检验评定标 准4 3 1 提出的填石路堤的施工要求：“难以检测压实度和固体体积率，为确保施工质量， 必须强调施工工艺。即逐层水平填筑、边坡码砌应稳定整齐、限制层厚、限制石块大小、填 石空隙用石渣石屑嵌压稳定、从严限制上下路床填料和石料尺寸等。为定量检验填石路基的 压实质量，结合一些地方的经验提出压实要求，即压至填筑层顶面石块稳定和使用2 0 吨以 上压路机振压2 遍无明显标高差异( 有些地区标高差控制为不大于2 r a m 或5 m m ) ”。总体上 看，填石路基的研究且仍处于探讨阶段，高等级公路填石路堤的施工，不仅没有系统、可靠 的技术规范可依，也没有十分成熟的经验供参考。 京福国道主干线江苏段徐州绕城公路东段( 以下简称京福徐州东绕城公路) ，是交通部 规划的”五纵七横”国道主干线和江苏省“四纵四横四联”高速公路网的重要组成部分。该工 程北起山东省枣庄市台儿庄区张子山附近的苏鲁交界处，向南与连徐高速公路相交叉并与徐 宿淮盐高速公路相连接，路线全长4 3 4 9 8 公里，与2 0 0 0 年7 月2 8 日开工建设，于2 0 0 3 年 9 月底建成通车。该项目地质情况十分复杂，沿线不良地质同题主要有液化土地基、软土地 基和煤矿采空区等，同时全线土源严重匮乏。为节约投资、保护环境，路堑石方全部用作路 基填料，全线共有填石路基1 4 7 4 公里，占全线路程总里程4 0 8 ( 扣除桥梁长度) ，如此大 的规模这在江苏已建成的2 4 0 0 公里高速公路中是首例。因此如何将该高速公路填石路堤高 标准、高质量建成，成为工程的重中之重，特别是对路基压实控制进行研究成为紧迫的课题。 对京福徐州东绕城公路填石路堤施工质量控制和检测技术进行研究和探讨，不仅对该路的建 设具有较大的旌工指导意义和应用价值，同时对其它类似工程有参考意义，为我省高速公路 填石路堤设计、施工、检验及今后运行管理提供必要的科学数据和资料，这一成果将具有直 接的经济效益和显著的社会效益。同时，对江苏今后的高速公路建设产生一定影响，为生态 江苏的建设奠定坚实的基础。 1 2 国内外填石路堤的研究状况 填石路堤的压实、检测和边坡稳定是填石路堤施工质量控制的关键。 1 压实机理的研究现状 路基压实工作是筑路工程的一个重要组成部分，其质量的好坏对道路的使用性能和寿命 有着决定性的影响，有效的压实能显著改变路基的承载力和稳定性，从而提高公路的运营质 量，大大降低公路维修、养护费用。国内对细粒土作为路基填料的压实性能做了大量深入系 统的研究工作，而对填石路堤的研究较少。路堤压实方式主要有三种，即静压、冲击压实和 振动压实，其对填筑材料的压实机理如下图： 瞢盂 耋蓥曼： 二= 2 = = = = = = = ：= 冲压 1 亡：= = 1 莓未 蝴 压力渡 攮劫 连接瓤砷酸 图卜l不同压实方法的压实机理 由于压实对路基强度的形成和稳定陛起着重要的作用，加之压实机具的频繁更新等因 数，世界各国在三十年代就对壤的压实机理进行了研究。 ( i ) 对于细粒土的压实机理，存在着以下几种解释：普洛克特限r p r o c t o r ，1 9 3 3 ) 的毛管 润滑说；霍金吐根( c a h o g e n t o g l e r ，1 9 3 6 ) 的粘着水解释；兰姆( t , w l a m b e ，1 9 6 0 ) 的颗粒定 向理论及西尔夫( j w h i l f ，1 9 5 6 ) 等人的有效应力理论。 f 2 1 粗粒士的压实 在生产实践中，发现对租粒土的压实，振动压实效果比一般的静压效果好。因此，各 国学者以振动理论为基础，对巨、粗粒的振动压实进行了理论分析，并逐步形成了以下四 种理论体系： 重复冲击理论：振动荷载在土体上产生周期性压力，可促使土体结构进行重排，从而 达到压实的目的。因此，可通过增大机械振动的振幅及振动部分的质量方法，尽可能增大机 械与土体接触前瞬间的能量，以达到较好的压实效果。 土体共振理论：土的固有频率与激振频率一致时，由于共振的作用，使得土的振动压 实取得晟佳效果。按此理论。土体在压实过程中固有频率不断变化，因此，要求激振系统 的频率能随之调节以便获得好的压实效果。 能量最小原理：这是一种从力平衡和颗粒排列的角度来研究振动压实理论。该理论认 为在交变外力作用下，土颗粒遵循能量最小原理运动。其排列会从不稳定状态转向稳定状态。 在这个过程中，土颗粒靠近，使液相、气相转移，从而到达密实。 内摩擦减小理论：从土力学的角度上来研究振动压实过程的方法。该方法认为，由于 振动作用会使土的内摩擦角急剧减小，在较小的外荷载下就能使土颗粒重新排列达到密实。 因此，在振动压实过程中需要滚轮始终保持与土体接触。同时，只有适宜的工艺才能达到最 佳压实效果。 ( 3 ) 石料压实机理 填石路基的振动压实理论中存在着几种不同的振动压实学说，主要是共振学说和内摩擦 减少学说。 ( 4 ) 填石的工艺控制 2 霪 在工程实际中，填石的工艺控制必须回答下列几个基本问题： 路堤填料每一层的虚铺厚度； 需要碾压多少遍才能达到或满足设计规定的要求： 用激振力为多大的振动压路机。 上述三者的选择是相互关联的。对于细粒土可根据土的强度和压实机械在土中产生应力 来决定压实机械的最大压力，然后按土中应力和形变的关系，并从压实层中塑性变形均匀分 布点来决定最大土层厚度的问题，最后按照逐次压实时，土中空隙的减少( 或密实度的增加) ， 推算应需压实遍数。至于压实机械的性能选择，则根据被压材料的性质来确定用什么类型的 机械。对于大直径的填石材料，在工程实际中，如何回答上述问题，目前从理论上缺乏合理 的解释。 2 压实质量控制在国内外的研究现状 f 1 ) 填石路堤质量控制方法 目前，填石路堤的质量控制方法一般沿用细粒土的最大干密度，确定路堤的碾压效果。 大粒径填料最大干密度的控制，各国的测试方法大体相同。美国、原苏联、日本等采用的是 振动台法。瑞典、英国采用振动夯法。按目前的各国的规范，被测定的材料的粒径都限制在 某一最大粒径范围。如美国的a s t m ( d 4 2 5 3 ) 标准规定仪器允许最大粒径“。小于7 6 2 m m ， 瑞典国家标准规定仪器允许晟大粒径d 。小于3 0 m m 等等。而现场石料的粒径远远大于 6 0 m m - 7 6 2 m m 。为了解决超粒径石料的最大干密度问题，s t e p h c n s o n 采用了大型振动台进 行试验研究，但因振动台太大，影响因素太复杂，其成果并不令人满意。r j f o i s t ( 1 9 7 2 ) 提出了除超粒径料的系列延伸法，但由于超粒径料的剔除，导致级配的变化，得出的试验结 果与实测结果有一定的差距。美国a a s h t o 用筛孔4 7 5 r m 作为超尺寸与合适颗粒的分界限， 根据经验得出了不同超尺寸颗粒含量，用不同系数来考虑超尺寸颗粒对最大干密度的影响， 但其效果并不佳。尽管各国都投入了大量的资金来研究这一问题，但效果不佳，没有得到统 一认可的标准。 在国内，水利部( 1 9 5 0 年) 颁发的土工试验操作规程中曾列有含粒径大于5 m m 土粒 的最大和最小密度的试验方法，当时限于振动台法尚不普遍，在测定最大干密度时，需采用 苏联常用金属锤击与捣杆捣实的分层锤击法。以后的实践表明，用这种方法测定的结果离散 性大，在应用时误差也较大。故水利部( 1 9 6 2 年) 在修订、重版的土工试验操作规程中 删除了这种方法。国内其他学者对这一问题进行了研究，史彦文( 1 9 8 1 年) 提出了相似级 配系列延伸法；刘贞草( 1 9 8 7 年) 提出了等量代替级配系列( 双曲线关系) 延伸法；田树玉 等( 1 9 9 2 年) 在上述研究的基础上，提出了渐近线辅助拟合法；郭庆国等( 1 9 8 9 、1 9 9 3 年) 提出了超粒径粗粒土最大干密度的近似测定方法。1 9 9 4 年交通部公路科学研究所为了测定 填石路堤的最大干密度，从1 9 9 4 年8 月开始到1 9 9 8 年4 月，研制了b z y 4 2 1 2 型表面振动击 实试验仪，但未见其推广。沙庆林( 2 0 0 0 年) 在公路压实和压实标准( 第二版) 一书中 提出一点测定法，就是在测定最大干密度的时候，先测菜一点的湿密度，然后将土样带回试 验室，再配比一定的含水量，测定该地点的最大干密度，从而测定该点的压实度。还有一些 学者提出了固体体积法来测定超粒径粗粒土的最大干密度。 合理确定大颗粒填料的最大干密度，目前还没有一种相对统一有效的方法，采用常规 3 密实度检测方法控制压实质量遇到困难。 ( 2 ) 工艺控制方法 在国外，通常采用规定压实施工方法来控制压实质量。澳大利亚塔斯马尼亚州所 规定的容许石块的最大尺寸为2 5 c m 。c z 土中既含大石块又含细料，而且小于0 0 7 5 m m 的粉料5 ；d ，石料中无细料。这两种土可相当于填石路堤所用的材料，参见表卜l 。 英国运输部在1 9 8 6 年的公路工程技术规范中列有两类包括填石或填土石在内的材料。 一类是用做一股填土的粗粒料中的l c 亚类，另一类是选用租粒料中的6 b 亚类。这两类石料本 身的技术要求，参见表1 - 2 。 澳大利亚塔斯马尼亚州的规定压实方法表卜1 振动式滚轮振动夯实机 冲击式夯实机 压实机械 p v 2p v 】p v 4 p n lp n p n 3 p p l p p 2 最佳速度( k m h )i 31 33 00 9o ，90 90 40 4 土类既含大石块又含细料c ： 压实水平q f 9 5 晟大层厚( )1 5 02 0 03 0 01 5 03 0 04 0 01 5 0 3 0 0 潮湿 碾压遍数 5546336 3 最大层厚( m m )1 5 02 0 03 0 03 0 04 0 03 0 0 湿润 碾压遍数7 7 6554 屉大层厚( m )1 5 03 0 02 5 03 0 02 5 0 干燥 碾压遍数89666 压实水平q ，l o o 最大层厚( ) 潮湿 碾压遍数 最大层厚( 埘) j 5 0 3 0 0 2 5 03 0 02 5 0 湿润 碾压遍数 89666 最大层厚( m )2 0 01 5 02 0 0 干燥 碾压遍数1 099 最佳速度( k m h ) 1 3t - 31 32 oo 9o 9o 90 4 0 4 土类 石料中无细料功 压实水平q 一= 9 5 最大层厚( ) 2 0 0 2 0 03 0 0 3 0 03 5 0 4 0 0 3 5 0 碾压遍数 9775 4 44 压实水平q ，= 1 0 0 最大层厚( )2 0 02 5 03 0 03 5 03 0 0 碾压遍数9 6 8 7 8 注：如果石料的擐大粒径超过铺筑层厚的2 3 ，在某些情况就不合适。 英国石料的技术要求表卜2 尺寸均匀1 0 土类 ( m ) 通过下豌筛孔( ) 的质量( ) 系数细料值 5 0 01 2 50 。60 0 6 3 石料中含有缅料( 1 c )1 0 00 9 555 0 k n 0 - 2 5 2 3 0 0 2 9 0 0 4 05 2 9 0 0 3 6 0 0 5 05 3 6 0 0 4 3 0 06 05 4 3 0 0 5 0 0 07 05 5 0 0 0 8 05 美国对于用石料填筑的工程主要采用的质量控制方法是相对密度法，并提出了相对密度 的控制标准。相对密度的下限为d r = 6 5 ，相对密度的平均值为d r = 8 0 。其中相对密度的计算 公式为 d 一鱼 鱼 p m h p i n 其中： e 。一最大孔隙比； e 。一最小孔隙比； e 。一填土的孔隙比： 德国、奥地利、瑞士和西班牙等一些国家，用静力荷载试验来控制公路工程的压实质量。 国外填石路基的常见的旄工参数见表1 4 。 旌工参数一览表表l - 4 国名填料类别 层厚( )遍数 美国 堆石 o 93 加拿大砂砾 0 34 葡萄牙 砂砾 o 3 o 64 瑞士冰碛土 o ，5 8 法国 堆石 o 7 5 一1 26 墨西哥砂砾 o 6 4 奥地利 砂砾 o 64 ( 3 ) 压实机械 在高速公路填石路堤的施工工艺方面，国内外一般都采用振动压路机来进行振动碾压， 施工工艺基本相同。1 9 9 8 年交通部公路科学研究所提出采用冲击压路机可提高填石路堤的 压实效果，并建议旄工中尽量采用冲击压路机来代替振动压路机。 图l - 2 冲击压路机 5 3 、填石路堤的质量检测方法 填石路堤因其填料石质坚硬，粒径大小不一，采用土质路堤压实度控制技术难以实藏。 国内系统研究高速公路中填石路基问题的单位不多，过去的一些研究，主要集中在高速公路 填石路基的旌工工艺方面，而对于高速公路填石路基的现场质量控制和快速的检测方法研究 较少。目前，施工中主要采取外观控制、沉降量观测以及施工工艺管理相配合的质量检测方 法进行施工质量控制。 外观观测质量控制：即观察路堤的表面，看有无轮迹，浮石。路堤表面无坑洼，无大块 孤石，路堤的边角部分是否碾压充分。沉降量的观测：用已确定的施工方案压实至路堤不再 下沉为止( 无轮迹) ，按照随机取样的方法布设水准点，然后再用5 0 t 振动压路机碾压两遍， 观测其高程并计算出沉降量，若沉降量超出允许范围，则还要继续碾压。旌工工艺管理配合 质量检测进行控制：施工工艺管理要求施工单位严格按照施工规范及相关的规定施工，严格 控制填层厚度、粒径大小及碾压遍数等。在正式簏工前必须在现场进行小型工艺试验，一般 要求试验路段长度不小于l o o m 。若因条件所限时，最短不能小于5 0 m ，采取重型振动压路机 碾压，将最大石块粒径控制在层厚的2 3 ，根据试验数据确定填筑碾压参数指导施工，施 工时的碾压遍数不得少于试验路段所确定的碾压遍数。 目前，在检测高速公路填石路堤施工质量的主要方法有下列几种： ( 1 ) 灌砂法、灌水法容重试验 灌砂法容重试验，先在试验地点挖试坑，挖好试坑后，将从试坑挖出的试样全部称重， 然后用容重比较稳定的标准砂灌满试坑，量测试坑的体积，该体积与试样重量相除，即得试 样的容重。参见图1 - 3 。对于粒径较大的材料，如砂砾石，堆石等，试坑直径较大，试验的 地表面预先不易整平，最好采用灌水法，参见图卜4 。为了较精确的测定试坑体积，试验时。 增加一个套环，在套环上定一个参考平面( 灌砂法一般以套环顶面作为参考平面) ，如图l 一 5 所示。 大致将试验的地表面整平，放上套环，先用砂或水量测参考平面至地表面间的体积v 然后，在套环内挖试坑，挖好试坑后，再量测参考平面至试坑周边间的体积v z ，试坑体积等 于v 。v 。，图1 4 及图l 5 均是有套环的情况。至于灌水法，一般不论试坑尺寸大小均需 用套环。 灌水法现场容重试验步骤与灌砂法近似。 ( 2 ) 表面沉降的质量控制 在填料表面设一些参考点，涂上油漆等作好标志，量测参考点碾压前后的相对高程，计 算其表面沉降量和沉降率( 沉降量与层厚的百分比) 。根据沉降量或沉降率判断压实程度。由 于石料的容重试验工作量较大，一般常用表面沉降量控制其压实质量此种方法是采用许多 参考点的沉降量的平均值，有很好的代表性。 ( 3 ) 表面波密度仪测定 表面波密度仪是以表面波理论为依据，建立压实度和表面波波速之间的关系，通过测定 表面波的波速来测定路堤的压实度。 6 图1 3 灌砂法容重实验 图l - 4 寝水法容重实验 r 士兰娶区一 1 一_ f 多 图卜5 灌砂法、灌水法( 有套环) 的参考平面 ( 4 ) 动力圆锥贯入仪( d c p 动力【圆锥贯入仪是属于小型轻便地基土原位测试的触探仪，通过建立压实度和贯入值之 间盼关系测定路堤压实度。 ( 5 ) 弯沉仪测定 这是一种很常见的路基测定仪器。通过测定弯沉来反算路堤的弹性模量。 ( 6 ) 落锤式弯沉仪( m ) 检测 f 1 d 是通过测定在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盘，并由此反算路基各深度的 动态弹性模量。 ( 7 ) 承载板法 它主要用来测定路堤填筑后的整体强度，通过路堤的整体强度来反映压实效果。 ( 8 ) 附加质量法 附加质量法是根据单自由度体系的振动理论，将压实石料等效为。质量弹簧系统”，利 用“附加质量”，根据不同体系的振动频率，求得地基得参振质量，由地层纵波传播速度 与参振体积的关系，求得参振体积，有了测点的质量和体积，便可求得石料的密度。 ( 9 ) 压实计 压实计方法于7 0 年代末首先用于德国和瑞典，后来各国也投入运用。它是通过量测分 7 析振动碾滚筒与被压实土体间的相互作用，了解压实土体密实程度的仪器。压实计由加速度 计、数据处理装置和指示表头，安放在驾驶室，中间有电缆联结。碾压一遍时土体比较疏松， 可近似地看成一个松软的弹性体，振动碾滚筒在其上面作垂直方向振动时，受到的反作用力 小，基本上做正弦运动。随着碾压遍数增加、土体对滚筒的反作用力也相应的增加，则加速 度波形发生变化，波形的变化程度与土体压实程度之间存在着一定关系，压实计就是根据这 个原理设计成的。中国水利水电科学研究院研制的y s l 型压实计也被用于控制石料的压实 质量。 ( 1 0 ) 核子密度仪 主要利用放射性同位素来测定路堤的密实度。 4 、连续压实控制方法 随着科技的不断发展，国外的高速公路施工，已有采用连续压实控制( c c c ) 控制路基 的压实，c c c 系统包括一台振动压路机、压实度仪、压实记录系统( c d s ) 和个人计算机 软件。这种连续压实系统需要采用动力压路机，可以是振动式的，而不能是静力压路机。压 实度仪是安装在压路机的压实检测设备，它测量和评价压路机滚轮对被压层表面的每次冲击 作用。压实度仪通过一加速度传感器来测量竖向振动，并将测量结果转为电信号传送给处理 器。处理器根据信号计算出压实仪值( c m v ) 、频率和谐振仪值( r m v ) ，并将这些数值显 示在各种仪表上。 c m v 随被压实土层坚实度的增加而提高，土层压实程度越高，c m v 就越大。对于给 定的基层和压路机，总是存在一个最大的压实度。当达到最大压实度后，c m v 停止增加。 据此，压路机操作者就知道进一步压实将不再增加压实度，除非更换功能更强大的振动压路 机。 压实记录系统( c d s ) 安装在压路机操作者的前方，与压实度仪之间保持电信号连接， 它可以随时显示结果。在整个压实过程以后，可以在现场将连续压实控制系统记录的报告打 印出来。下图是外国公司开发的一套c c c 系统。 对于填石路堤的质量控制来说，连续压实控制方法( c c c 系统) 是一个有效的控制方法， 这将对高速公路路堤旌工，检测、控制产生深刻的影响。 图1 - 6 安装在压路机上的位置 图1 - 7 电子压实记录系统 8 图1 8 压实记录打印设施图1 - 9 工后压实情况计算机分析 墼： 图1 1 0 路基现场的压实情况分布图 1 3 高速公路填石路基研究中存在的问题 1 近年来，国内外的研究者主要针对填石方面的某些技术难点问题进行了一些研究和探 讨，但系统研究高速公路中填石路基问题并不多。 2 从理论上，只能部分解释填石路基压实的现象，其压实过程和工作机理，未能充分合 理的解释，还不能完全指导工程实际，各种理论有其适用范围。 3 从目前填石路堤的研究情况看，最大干密度的确定无疑是一个难点，而现场干密度的 测定难以操作。 4 目前，填石路堤施工、施工质量控制主要依靠工艺控制，手段单一，且人为因素较大， 寻找科学合理的施工质量控制方法是确保填石路堤的施工质量的关键技术问题。 5 目前在施工中主要采取外观控制、沉降量观测以及施工工艺管理配合质量检测进行施 工质量控制。压实度检测手段主要来源于土质路基，其适用性有其局限性。 9 l _ 4 本文主要研究内容 l 、国内外填石路堤的研究状况。虽然在国内已有关于填石用于高等级公路路堤填筑的 工程实例，并取得了一些经验，但在其施工质量的控制方面，以定性为主，标准较模糊。填 石路基的设计、施工与质量控制研究有许多问题值得深入探讨。国外开发的连续压实控制 ( c c c ) 控制路基的压实技术，不仅对填石路堤的旄工质量的控制，对其他高速公路路堤施 工、检测、控制都将产生深刻的影响。 ， 2 、填石路堤压实机理研究，从压实的机理出发，根据填石路堤的压实特性，系统全面 分析了影响填石路堤压实效果的因素( 如石料的级配、细料性质、压实能量、压实厚度、颗 粒破碎情况、碾压速度、碾压遍数以及振动碾压对填石路堤压实度的影响) ，对提高施工效 率和工程质量的控制有重要的意义。 3 、填石路堤的施工质量控制现场试验研究 结合京福徐州东绕城公路填石路堤施工，选择了典型路段进行填石路堤的现场试验，包 括现场c b r 测试、表面标高沉降控制、灌水法和灌砂法、回弹弯沉测、动力圆锥贯入仪( d c p ) 测试、瑞利波测试、核子仪测试、小型的载板试验( k 3 0 ) 等一系列现场试验。通过总结分 析现场试验成果，提出了填石路堤的施工指导意见，确保了京福徐州东绕城公路的路堤填筑 施工进度和质量。 1 0 第二章填石路堤的压实机理及影响因素 2 1 概述 压实是路基填筑过程中的一个重要组成部分，其结果对道路的质量和寿命有着决定性的 影响。有效的压实能显著改变路基的承载力和稳定性，从而可以大大减少公路的维修费用。 国内对细粒土作为路基填料的压实性能做了大量深入系统的研究工作，而对填石路堤的研究 较少，在填筑填石路堤时，压实工作还未引起足够的重视，甚至有人认为填石不加碾压，到 路槽时在进行一次整平、碾压，就可以满足工程要求。 岩石在爆破后，会产生尺寸不一的大块石和碎石屑，填筑路基后，填石之问的空隙较大， 如果没有压实或压实不好，当遇地表水或外力荷载的振动的因素影响时，小颗粒往往会掉入 相邻的孔隙中，从而引起路堤的进一步沉降和密实，就会产生局部沉陷、开裂与孤丁石突出 等现象，会影起路基、路面的过早的破坏，形成“前修后补”的状态，需要花费相当的人力、 物力、财力用于养护和修补破坏的路面。因此，填石路堤的压实非常重要。 对于尺寸不一的大块石和碎石屑的路用石料而言，在碾压的过程中将发生颗粒的互相靠 近、重新排列、颗粒破碎、小颗粒进入大颗粒的孔隙中，通过颗粒的运动，单位体积内固体 颗粒数量增加，密度增大、孔隙率减少。这个过程就是压实。对石料压实特性进行研究，将 为高速公路路堤填料压实参数的选择提供一定的理论依据。 2 2 填石路基压实机理 压实工作是筑路工程的一个重要组成部分，其质量的好坏对道路的质量和寿命有着决定 性的影响，有效的压实能显著改变填方的承载力和稳定性，从而可以大大减少公路的维修费 用。国内对细粒土做为路基填料的压实性能做了大量深入系统的研究工作，而对填石路堤的 研究较少。 石料的压实过程是大小颗粒在压力的作用下克服颗粒间的摩擦阻力、大小颗粒相互嵌 挤、重新排列、使空隙体积减少、单位体积质量增加的过程。 路堤的压实方式主要有三种，即静压、冲击压实和振动压实。 静力光轮压路机、轮胎压路机和静力羊足压路机利用它对土的表面大小不同的静压力工 作。轮胎压路机和羊足压路机工作时同时起压力和揉搓作用。 冲击比静荷载能对地表产生更大的作用力，压力波从袁面传到填料层内，在深处产生较 大的压力。因此，近几年来人们已采用重锤冲击法对填石地基进行处理。 采用振动压路机。对填石路基也能达到矗好的压实效果，振动力必须与一定压力相结合， 以产生剪切力，克服填石材料颗粒之间的摩擦力，促进颗粒的位移。采用振动压实时，其压 实效果，主要取决于振动压路机的振动力、压力以及它对填料颗粒产生的剪切应力，是否能 克服填料颗粒之间的摩阻力，使填石材料的颗粒发生运动。因为，石质填料属予散体材料， 其颗粒多呈块状，其颗粒呈单粒状排列，颗粒间的连接方式是简单的邻接接触和咬合连接， 颗粒之问的连接强度主要为摩擦力，几乎没有粘结力。因此，其压实特性不同于细粒土，石 质填料中的空隙大，渗透性强，不存细粒土中孔隙气体或孔隙水的排出等现象，主要是克服 颗粒之间的摩擦力。由于振动作用，使被压材料的内部摩擦急剧减小，剪切强度降低，抗压 阻力变小，振动对石料的抗剪强度的影响为：其摩擦系数t g 中减小幅度随着振幅、频率和 振动加速度的不同而变化，振动强度越大，t g 巾值减小越多。因而，在外力作用下材料易 于被压实。同时，填石材料在碾压轮的作用下，石质填料内部相互碰撞进一步破碎，细粒材 料填充到填石路基的空隙中，填石路基进一步得到密实。同时，当激振频率与被压实材料的 固有频率相同时，振动压实最为有效，在实际压实工作中，利用共振现象来进行压实的效果 明显。总之，由于振动压实机械的往复振动作用，给填料以连续的冲击，导致材料的强迫振 动，一方面使材料颗粒间的内摩擦阻力减小，另一方面使颗粒产生惯性力。良好的压实效果， 取决于被压材料颗粒的运动状态、内摩擦阻力的减小以及振动压实机械在材料中产生的压应 力和剪应力。 填石路基的振动压实理论中存在着几种不同的振动压实学说，主要是共振学说和内摩擦 减少学说。 填石的压实是指石料在机械作用下颗粒排列至密集，使其填料的密度提高的过程。石料 处在松散时比较容易被压缩，随着压实度的不断增加，石料变得越来越密实，而且富有弹性。 填石的空隙尺寸大，渗透性强，一般为自由排水体，因此，填石的压实特性不同于粘性上， 不存在孔隙气体或孔隙水的排出，主要是克服颗粒间相互作用力之后的颗粒密集过程。但是 填石压实却伴有颗粒破碎、级配不断变化的过程。填石属于散体材料，其颗粒多呈块状，此 种材料与粘性士不同，其颗粒呈单粒状排列，颗粒间的连接方式是简单的邻接接触和咬合连 接，主要为摩擦力，几乎没有粘结力。这种摩擦力，在静力条件下难以克服，在振动条件下， 一方面颗粒处于运动状态，粒间摩阻力减小；另一方面，通过振动碾的自重和激振力，在填 石中产生位移和剪应力，并以压力波形式向填石体内部传播，使填石体产生位移，填石体得 到压实；再者，表层填石在碾压轮的作用下，填石在相互碰撞之下进一步破碎填充空隙使填 石体进一步得到密实。 石料的压实过程是大小颗粒在外力的作用下，克服颗粒间的摩擦阻力、大小颗粒相互嵌 挤、重新排列、使空隙体积减少、单位体积质量增加的过程。 共振学说的主要论点是：当激振频率与被压实材料的固有频率相同时，振动压实最为 有效。在实际压实工作中，利用共振现象来进行压实的效果明显，说明了这一理论的正确性。 内部摩擦减少学说的论点为：由于振动作用，使被压材料的内部摩擦急剧减小，剪切 强度降低，抗压阻力变小，因而在重力作用下材料易于被压实。通过试验表明振动可使租砂 的抗剪强度可以减少到几十分之一：粘性土在振动加速度很大时，内摩擦明显减小；土石混 合料的内摩擦阻力也能减少到原来的2 0 以下。振动对石料的抗剪强度的影响为：其摩擦系 数t 鲆减小幅度随着振幅、频率和振动加速度的不同而变化，振动强度越大，t g 甲值减小越 多。 除前面上述的两种学说之外，还有被称之为反复荷载学说的振实理论。反复荷载理论 1 2 认为：振动压实的效果是通过振动所产生的周期性冲击压缩运动的作用来达到。这种观点在 低频范围内具有一定的现实性，在高频( 1 0 0 0 h z ) 范围内，振动作用的效果将大大超过反复荷 载的效果。 根据以上的各种学说，填石路基的振动压实的工作原理可描述为：由于振动压实机械的 往复振动作用，给地面以连续的冲击，导致材料的强迫振动。振动一方面使材料颗粒间的内 摩擦阻力减小，另一方面使颗粒产生惯性力，当惯性力克服颗粒间的粘结力及内摩擦力时， 即可达到密实的效果。例如，对于填石路堤的石料来说，其粘结力较小，但是其内摩擦角比 较大，当振动压路机对其施加的激振力小于石料之间的摩阻力时，就需要结合加压振动，以 产生剪切力去克服颗粒间的阻力和防止振动后材料的重新复位。 2 3 影响填石路基压实的因素 填石路基在振动压实时，其压实效果主要取决于两个因素： 1 消除填石材料之间的摩擦力，使填筑材料颗粒发生的运动，以利于填石路堤的密实 度得以提高； 2 振动压路机在碾压过程中，对石料颗粒产生的压力和剪切应力。这些应力一部分是 由于振动压路机的静压所产生的静作用力，而另一部分是压力波形式的动力。在这些应力的 作用下，填石材料得到密实。 影响填石路基压实的主要因素有以下几点： 1 石料的级配对填石路堤压实度的影响 填料的粒度成分是影响填石路堤压实的一个重要因素，根据现场压实试验的结果，填石 路堤的可压密程度与石料的粒度分布特征参数之间在量值上表现很强的关联性，填石路堤材 料粒度分布越好，可压密的程度就越高。同时，其压实程度也受到细小颗粒的含量的控制， 适当提高石料中细小颗粒的含量，其压密程度可得到明显的改善。 室内试验表明，当粗料含量为3 0 - - 4 0 时，粗料颗粒之间有局部接触，填料的压实特 性主要决定于细料的颗粒组成和性质，粗料颗粒只起填充和影响作用；当粗料含量为4 0 一 7 0 时，粗、细料颗粒相互填充，共同起骨架作用，压实特性决定于粗、细料两者的性质和 相互填充的效果；随粗料含量的增加，压实特性逐渐向粗料一方转化，当粗料含量大于7 0 以后，因粗料颗粒形成骨架，细料填不满孔隙，压实特性主要决定于粗料级配和性质，细料 只起填充和影响作用。 2 压实能量对石料压密性的影响 随压实功能的增大，干密度迅速增大，但当压实功能增至某值以后，千密度的增长率减 小，压实效果降低。其原因是，当石料颗粒受外力作用后，内部应力发生变化，失去原来的 平衡状态，颗粒之间克服摩阻力，彼此移动，互相填充，出现新的排列，孔隙减小，密度增 大，施加的外力越大，促使颗粒移动、充填的能量越大，石料越趋密实。当土体密实至一定 程度之后，颗粒间的孔隙甚小，即使增大压实功能，颗粒再要移动、充填是相当困难，则干 密度的增长率降低，这时再增大压实功能，必然是不经济的。人们常根据这一规律，选择出 经济合理的压实功能，以此为根据选择出合适的压实机械和压实方法。 1 3 3 压实厚度的影响 对于填石路堤的压实厚