（岩土工程专业论文）高填石路堤修筑技术研究.pdf

高填石路堤修筑技术研究 摘要 本文主要研究了高填石路堤的修筑技术，所进行的主要工作为：结合山西祁 临高速公路某填石路堤科研项目，从现场测试、室内试验、理论分析三个方面， 采用有限元软件a n s y s 作为数值计算工具，对填石路堤修筑技术进行了研究。 ( 1 ) 在总结相关研究成果的基础上，确定了室内外试验方案和理论计算方法。 ( 2 ) 结合试验段工程实践，提出了确定填石路堤施工工艺和质检体系的方法。 ( 3 ) 确定了填石路堤变形观测方案。 ( 4 ) 进行了填石料工程性能试验研究，总结了填石料的工程特性。 ( 5 ) 通过采用有限元数值工具计算分析了路堤沉降性能。 ( 6 ) 采用极限平衡法和有限元强度折减系数法，对路堤的稳定性进行了研究 分析。 按照上述内容，本文系统进行了填石路堤修筑技术研究工作，提出了相应的 结论和建议。 【关键词】：填石路堤施工工艺质量控制变形观测工程性能研究有限元 稳定性 s t u d y o nc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y o f h i g h r o c k f i ue m b a n k m e n t a b s t r a c t t h e m a j o r r e s e a r c ho ft h i s p a p e r i st h ec o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y o fr o c k f i l l e m b a n k m e n t ，t h em a j o rw o r ki s ：c o m b i n e dw i t hq i l i nh i g h w a yo fs h a n x ip r o v i n c e r o c k f i l le m b a n k m e n tr e s e a r c hw o r ki nt h ef o l l o w i n gt h r e e a s p e c t s ：i n - s i t uo b s e r v a t i o n ， t h e o r ya n a l y s i s ，i n d o o rt e s t b yu s i n ga n s y s f e ms o f t w a r ea sn u m e r i c a l t o o l s ，s t u d y t h er o c k f i l le m b a n k m e n tc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ( 1 ) b a s e do nt h ec o r r e l a t e da c h i e v e m e n t ，t h es c h e m eo fi n d o o ra n do u t d o o r t e s t ，t h e m e t h o do f t h e o r yc a l c u l a t i o na r ed e c i d e d ( 2 ) b y t h ep r o j e c tp r a c t i c eo f e x p e r i m e n ts e c t i o n p u tf o r w a r d t h em e t h o dt od e c i d e t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n d q u m i t y c o n t r o lm e t h o do fr o c k f i l le m b a n k m e n t ( 3 ) a n a l y s i s t h eo b s e r v a t i o nm e t h o do f t h er o c k f i l le m b a n k m e n t ( 4 ) e x p e r i m e n t t h ee n g i n e e r i n gb e h a v i o u ro f r o c k f i l lm a t e r i a la n da n a l y s et h er u l e ( 5 ) b yu s i n gf i n i t ee l e m e n tr i ol i n e a rc a l c u l a t i o n a n a l y s et h es e t t l e m e n tn a t u r eo f r o c k f i l le m b a n k m e n t ( 6 ) b yu s i n gs t r e n g t hr e d u c t i o nf e m a n d g e n e r a ll i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ，s t u d y t h es a f e t yn a t u r eo fr o c k f i l le m b a n k m e n t a c c o r d i n gt o t h ea b o v ec o n t e n t ，t h ep a p e rs y s t e m i c a l l ys t u d yt h ec o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g yo f r o c k f i l le n t h a n k m e n ta n ds o m ec o n c l u s i o n sw e r em a d e 、 【k e y w o r d s 】：r o c k f i l l e m b a n k m e n t ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , q u a l i t yc o n t r o l ， d e f o r m a t i o n o b s e r v a t i o n ，e n g i n e e r i n g b e h a v i o u r r e s e a r c h i n g ，f i n i t e e l e m e n t ， c a p a b i l i t yo fs t a b i l i t y 堑望型里查竺型里堂堡兰一 塑二兰堕堡 第一章绪论 1 1 填石路堤修筑技术研究目的和意义 1 1 1 课题背景与来源 填石路堤是指在路基施工中，采用石料填筑的路堤。其填料中的粗粒含量( 粒 径 5 脚) 一般超过7 0 9 6 ，由于粗颗粒含量高，填料的压实特性、力学特性主要由 填料中的粗粒部分决定。亦有研究根据相应于某粒径的颗粒质量百分率将之进 一步划分为石质路堤、碎石( 砾石) 路堤、漂石( 块石) 路堤”“”。 交通运输历来是制约我国国民经济发展的瓶颈，公路是国家重要的基础设施， 国家对公路建设极为重视，到“九五”末我国的公路总里程已达到1 3 5 1 6 9 1 公罩， 其中高等级公路1 1 6 0 5 公里，我国的公路交通得到了大力发展t 4 1 0 但长期以来， 我国的高等级公路建设主要集中于经济较发达的东部平原地区，全国公路网结构 并不合理，广大中西部地区的交通状况制约了当地经济的发展。随着社会经济的 发展，我国计划在西部地区修筑公路3 5 万公里，我国的高等级公路建设将逐步 由东部向西部、由平原向山区推进。 与我国目前公路部门的工程实践相对应的是：公路部门对填筑路堤的施工工 艺、检测手段、填料工程性能研究、理论计算分析等多是建立在细粒土基础之上 的，并建立了一系列与之相配套的技术体系。而在广大的山区和丘陵地带公路工 程建设中，由于存在取土困难、以及隧道开挖旋工会产生大量石质弃方、挖方等 特点，如采用填石路堤，则可避免一方面借土填筑路堤、另一方面石质弃方占用 大量土地的不合理现象，故采用填石路堤将成为一种常见的结构形式。而长期以 来，我国对公路填石路堤的研究较少，严重制约了填石路堤的发展应用。 祁临高速公路是山西省大( 同) 一运( 城) 高速公路的一部分，其位置位于 晋中翁地东南缘和临汾盆地东北缘，西侧为灵石隆起，区域构造、岩层均受吕梁 【u 、太行山北东向控制，属低山基岩区一黄土塬梁区；地貌水平发育，沟谷深切， 沟壑纵横，地形复杂。在大部分路段采用填石路堤，多处为半填半挖路段，为更 好的指导填石路堤的设计和施工，祁临高速公路有限公司和交通部公路研究所共 同制定了“高填石路堤修筑技术研究”研究方案。 本文是受交通部公路研究所委托进行的“高填石路堤修筑技术研究”的部分 内容。 韭皇奎望堂型兰二兰竺堡苎 塑二里堑堡 1 1 2 试验段概况 试验路段位于祁临高速公路k 8 4 + 8 7 5 k 8 4 q - 9 6 0 处，属典型的半填半挖路 段，最大填筑高度4 2 0 8 米，路堤填料采用现场丌挖的砂岩和泥页岩( 微膨胀性) 混合填石料，施工机具结合课题需要采用了多种组合，为保证路堤整体稳定，在 堤脚处修建了1 0 米高刚性挡土墙，并按照每8 米层的问距铺设了土工格栅。 高路堤一般是指路堤填筑高度为1 2 米( 当路堤填料为碎石、粗砂、中砂时) 或2 0 米( 其它材料) “1 。高填方路堤相对于+ 般路堤具有如卜特点：填筑高度高， 要求路堤自身具有足够的整体强度和边坡稳定性；由于工程量犬，填筑质量难于 保证一致；路堤自身沉降大、计算中不能忽视；对地基的承载能力、稳定性要求 更高。 1 1 3 研究目的及意义 我国在相当长的一段时问1 1 内将面i 临填石路堤的修筑问题，因此对其研究具有 明显的社会和经济效益。 本文目的在于系统研究高填石路堤修筑技术，在充分调研已有研究成果的基 础上，结合试验段施工和现场测试，根据现场和室内试验结果和对填石路堤进行 理论分析的结果，对高填石路堤修筑技术予以指导和分析。 1 2 国内外研究概况 12 1 我国现行规范中的相关内容“”“ 现行的规范对填石路堤只作了较为笼统的说明，主要体现在以下叫个方面， 即：施工机具及工艺；材料要求；路堤高度及防护；施工检测。 从调研工程实践来看，上述的规定可操作性较差，难以满足实际设计施工的 要求，只能以之为指导、结合工程实际确定设计施工技术指标。 1 2 2 类似构筑物的研究 长期以来，填石路堤的研究均借鉴了其类似构筑物一混凝上面板堆石( 土石) 坝的研究成果，并结合公路施二r ：自身的特点丌展了相应研究。 1 2 3 填石料的工程特性研究 填石路堤中的填料性质主要山其中的填石料性质决定，因此应对填石料的工 程特性进行研究，并为填石路堤的沉降及变形计算提供必要数掘。填石料的工程 特性主要包括：填石料的岩石性质、密度性质、压缩变形性质、强度及应力应变 关系，以及填石料的级配特性等与工程有关的性质。 ( 1 ) 分类：目前公路部门尚且没有用做路堤填料的岩石强度分类标准，文献 j ! i 坚燮兰堡圭兰些! 堕一 塑二皇堕堡 中提出了按照单轴饱和抗压强度r e ( m p a ) 将之分为坚硬岩石、中硬岩石和软 质岩石三类。 国外现行的分类方法主要有： 美国统一粗粒土分类法( u s c s ) ：为美国陆军工程师兵团、垦务局、材料 试验学会和其他部门所采用：将粒径 o ，0 7 5 嘲颗粒含量大于5 0 的土石料称为 粗粒土： 美国公路工作者协会关于粗粒土的分类( a a s h o ) ：按承载力划分； 法国道路、堤坝压实规范中关于粗粒土的分类；按最大粒径和控制粒径的 含量划分。 现有分类方法的不足之处在于缺乏统一的分类方法，多是从各自不同的研究 领域提出的”1 。 ( 2 ) 最大干密度：由于我国目前施工检验、工程监理、以及验收多采用压实度 标准，因而对填石料的最大干密度测定始终是一个研究重点。由于填石路堤为大 粒径填料，按照常规方法进行试验难以进行，故一般采用相似级配法进行试验， 并由之推导其最大干密度。典型的研究有交通部公路研究所与内蒙古交通研究院 进行研制的振动击实仪。国内史彦文 9 1 x 刘贞草 1 0 1 嗣玉树 1 1 1 冯冠庆 1 2 1 郭庆国”等人也针对大粒径材料的密度性质从不同角度开展了研究。但就目前 的技术水平而言，尚未确定快速、简便、实用的现场测试方法。 ( 3 ) 填石料的级配：对于细粒土其级配是否理想是填料能否压实的一个重要因 素，故在规范和施工中对之严格控制；而对于填石路堤，旄工实践和室内模拟试 验表明：出于石料之测存在压实时的骨架作用，即使其实际级配与理想级配有 一定的差距，通过合理的施工工艺亦可以达到较好的压实效果；同时由于公路施 工路线长、料场多，无法完全按照预定级配施工，故对于填石路堤而言，是否对 其级配范围予以严格控制尚待进一步讨论。 ( 4 ) 变形：相对于细粒土填料而占，硬质填石料具有压缩性小、固结速率快的 特点。例如对于坚硬石料，其固结系数多在0 1 o 0 1 m s 一级，较普通填料的0 0 0 1 c m s 一级大l o 1 0 0 倍，这表明，填石料的自身压缩变形小、变形发展快，在施工 期f f l j 即可完成部分变形有利于应用到路堤修筑1 1 4 j 。 ( 5 ) 力学特性；填石料的强度与石料本身的力学性质及填石料的密实程度密切 相关，对同种石料而言，随其密实度的提高，其强度增加；填石料的c 值不再是 凝聚力的表现，而是石料问摩擦及咬合力的体现；其抗剪强度较高，含水率对其 韭塞皇望查兰堡兰堂堡堡塞 翌二兰壁笙 抗剪强度影响较小“乳“6 1 ：在常规设计方法中，填石料的c 值( 凝聚力) 不能被 忽视。 ( 6 ) 填石料长期性能研究：相对于以细粒土为主要成分的普通填料而言，填石 料的稳定性差异较大，其变形规律对路面结构不利1 填石料本身是种衰退性材 料，在风化作用下其材质、力学性能会逐渐降低，这一点对于强风化及软质岩石 尤为突出；填石路堤无法避免这事实，这将给完工后的高速公路的路基、路面 长期性能产生不利的影响1 7 1 0 在国外，对此类衰退性材料进行了一定的研究， 但在衰化材料的定义和分类方面仍未达成统一标准 1 8 1 。 ( 7 ) 水利部门提出的影响填石料工程特性的主要因素( 粗料含量p 5 ) ： 水利部门在堆石坝应用中”1 ，以粗料含量p s 为主要标志来研究粗粒土的工程 特性： 颗粒的组成特征：例如级配、不均匀系数等方面，粗粒土的一个特点在于 级配不连续，一个重要的参数p 5 ：即将小于5 咖的颗粒称为细粒，大于5m m 的称 为粗粒，粗粒的质量百分率定义为p 5 ； 粗料含量p 5 与干密度的关系：当p 5 = 0 时，随细料性质的不同而密度大小 不同；当p ，= 7 0 时，相互之间填充紧密，干密度最大； 当粗料含量p 5 为7 0 时，压实沉降最小； 粗料含量p 5 与抗剪强度的关系：粗料含量小于3 0 时，抗剪强度主要由 细料的性质决定；在3 0 7 0 范围内时，抗剪强度随粗料含量增加而显著增 加；当粗料含量大于7 0 时，因为细料填不满粗料孔隙，这时抗剪强度主要取决 于粗料之间的摩擦力与咬和力，因而抗剪强度不再提高。 综合已有的研究可以看出：填石料的强度、变形性能较好。适合做工程填料； 而稳定性差异较大，故应尽量采用稳定性较好的填石料。 12 4 填石路堤施工技术和质量检验方法研究 目前国内有关填石路堤研究主要集中于施工工艺和质检方法上 1 9 1 1 2 0 1 1 2 1 2 2 1 。 在施工研究中共同的思路是：只有当填料压实时才能使路堤具有足够的强度、耐 久性和稳定性，同时施工又必然受经济指标的制约，故应在此原则下选择相应的 施工机具、确定合理的旅工工艺和质检手段，以获得既满足技术要求又经济的旌 工方案。 【1 ) 主要采用的施工机械：静作用碾压机械、振动压路机械、冲击压路机： ( 2 ) 检测手段：目前，对于路堤填实的检测存在两个指标体系：属于强度指标 4 北京交通大学硕士学位论文 篓= 垦堕堡 沉降差法等：属于密度指标体系的检测 面波仪等。 体系的检测方法有：承载板法，k 3 0 法， 方法有：灌沙法，灌水法，核子密度仪， 公路部门习惯于采用压实度法作为质量检验和仲裁的标准，即灌沙法和灌水 法。它们具有简便易用、便于掌握，已在施工现场长期使用的特点，但对于填石 路堤而苦，由于其最大干密度的测定尚无简便实用的方法，因此在现场施工中难 以被公路部门掌握和推广。 路堤压实的目的是使之具有足够的强度和较小的变形、以及较好的稳定性。 若路堤在一定的外荷作用下其沉降较小，则可以认为路堤已处于了弹性密实状 态，其密实度较好：故可以用测定压沉值的方法来反映路堤的碾压质量。 1 25 填石路堤沉降稳定分析 ( 1 ) 填石路堤自身压缩分析：在公路部门目前相关规范中，并没有关于填石路 堤的自身压缩分析方法，郑治提出了路堤自身变形计算的改进分层总和法脚1 ， 郝传毅等提出了针对路堤自身压缩变形的非线性有限元分析方法1 2 4 1 ( 2 ) 路堤边坡稳定分析：目前的边坡稳定分析方法仍是建立在极限平衡法基础 之上的条分法，通常假定破坏面为圆弧、抛物线等形状，认为当下滑力大于抗滑 力时即产生破坏。不能考虑和模拟真实的破坏面形状，且无法考虑岩土材料不同 的本构关系： ( 3 ) 有限元分析方法的应用 采用有限元分析方法，可以通过选择不同的岩土材料的本构模型来实现对填 石路堤更好的模拟和分析。参照堆石坝的数值分析方法，对于填石料这种非线性 材料，多采用邓肯张非线性弹性模型予以计算模拟； ( 4 ) 离散元分析方法的应用 离散元数值分析方法适用于研究在准静力或动力条件下的节理系统或块体集 合的力学问题。填石路堤是由石料填筑而成，属于一种非连续的介质结构。离散 元在模拟非连续介质中具有较大优势，可通过不同的接触模型( 如点一点接触、 点一边接触、边一边接触) 较容易实现。故而离散元的分析方法较适用于填石路 堤的稳定和变形分析。另外，离散元法可以模拟填石路堤在行车荷载作用下，其 应力和变形随, , - f n j 的发展历程。目前国内已有学者采用此方法进行块石土、边坡 稳定的研究n 5 1 t 2 6 1 。 离散元的基本原理即是结合不同应力应变关系的牛顿第二运动定律。它以 分离的块体为出发点，以不同的接触形式如角一角接触、角一边接触、边一边接 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 触来模拟块体之间的相互作用，块体之间可以滑动甚至脱落。填石路堤是由石料 填筑而成，本质上属于一种非连续的介质结构。离散元在模拟非连续介质中具有 极大的优点，可通过不同的接触模型( 女n a - n 接触、点一边接触、边一边接触) 较为容易地实现对石块之间的嵌挤、锁结及块体界面接触的模拟哪“z 8 | 。 1 2 6 国内公路部门填石路堤部分已研项目简介 ( 1 ) 石家庄旧关高速公路填石路基 石家庄至太原高速公路河北省境内申后至旧关段，全长4 6 4 0 8 k m ，其中除 平原微丘区2 9 6 2 k m 外，均为山岭重丘区。沿线地形地质条件复杂，西段为石灰 岩，东段为风化安山岩，全线地形高差变化大，最大挖深3 2 2 2 m ，最大填高2 6 ，3j i ) ， 大部分填方为土石混填和填石路基。 石太高速公路规定路基必须达到的重型击实压实度标准：路床o 8 0 c m ， k h 9 5 ：上路堤8 0 1 5 0 c m ，k h 9 3 ，下路堤1 5 0 c m 以下，k 。 9 0 。 为了确定不同含石量的最大干密度，试验得到5 m m 以上含石量( m ) 与最大 干密度( p 。) 的关系式： p d = o 0 0 1 7 m + 2 1 3 3( 1 1 ) r = o 9 9 ，m 一5 舢以上1 0 6 0 含石量范围。 根据试验路段检测资料，压沉值与压实度的关系暂定为： 压实度为9 0 时，压沉值控制3 m m 以下； 压实度为9 3 b q ，压沉值控制l m m 以下； 压实度为9 5 时，压沉值控制0 。 采用压沉值控制填石路基压实度时，要保证测点牢靠，不得与路基有相对位 移。检测方法：沉降量法、灌砂法。 ( 2 ) 填石路堤压实标准及检测方法( 交通部课题1 9 9 519 9 8 ) 该课蹶重点解决了国内高速公路填石路堤的压实标准及检测方法，通过对国 内多省市填石路堤的调研工作，研制了适合公路部门的振动击实仪，用于确定大 粒径填石材料的最大干密度；提出了坚硬岩石、次坚硬岩石及软岩填石路堤的施 工工艺及检测方法：引进了对填石路堤较为有效的冲击压路机，并系统开发出冲 击压路机在不同填石路堤实体工程中的碾压技术。 ( 3 ) 八达岭高速公路填石路堤路段 该项工程采用了南非国兰派公司生产的冲击压路机对k 1 0 + 3 0 0 处一3 3 1 2 m 高填方路堤进行分层冲击碾压。路基边坡设计值为1 ：1 3 。其填料为开山土、石 型堕堕璺生苎堂堡兰兰堡堡生一 兰二童堕丝 料和隧道开挖石料，最大粒径不超过0 5 m 。每次填厚约8 0 c m 1 0 0 c m ，冲碾2 0 遍。 为了观察路基的沉降情况，在此段填方处的路面上，共设了三排1 0 个观测 点，在通车前的1 9 9 8 年1 0 月2 4 日进行了第一次量测，1 9 9 9 年3 月2 2f 1 进行 了第二次量测，1 0 个点的最大沉降量为5 5 m m ，最小沉降量为2 8 r a m ，平均沉降 量为4 0 n m a ，基本呈均匀沉降，行车无颠簸感觉。1 9 9 9 年6 月1 8 日进行了第三 次量测，l o 个点中沉降量最大的1 5 m m ，最小的1 m m ，基本上趋于稳定。 ( 4 ) 高速公路软弱地基上花岗岩填石路堤修筑技术研究( 福建1 9 9 9 年) 该课题主要解决了在软弱地基上修筑花岗岩填石路堤的施工工艺，并通过室 内试验研究了填石料的工程性质，进而对填石路堤沉降和稳定性进行了分析。 1 3 目前研究存在的问题 目前填石路堤的相关研究还是比较初步的，工程部门的主要研究仍然是围绕 其施工方法和质检标准展开。对于填石路堤的沉降、稳定性研究虽然取得了一些 成果，但尚未达成一致，对填石料这种大粒径填料的工程性能研究也较为初步， 岩土理论领域的一些新进展也没有引进来。总之，对填石路堤修筑技术的研究仍 然需进一步深化。 1 4 本文研究内容及方法 1 4 1 本文研究内容 针对目前研究中存在的问题，本文从现场施工工艺与质检体系、沉降变形观 测方法、室内试验方案确定与填石料工程性能的研究、填石路堤的沉降计算、路 堤的稳定性计算几个方面对填石路堤修筑技术进行了研究分析，具体内容为： ( 1 ) 进行了填石路堤施工工艺和质保体系研究； ( 2 ) 进行了填石料的工程性能研究； ( 3 ) 分析了填石路堤变形观测方法； ( 4 ) 对填石路堤的沉降进行了有限元分析： ( 5 ) 进行了填石路堤的稳定性计算分析。 1 4 2 本文的研究方法 对于所要解决的填石路堤修筑技术问题，目前公路部门进行了一定的理论研 究并积累了一些工程实践经验；作为填石路堤的类似构筑物一堆石坝，在水利部 门得到了广泛的应用和发展。本文在充分参考和借鉴两个部门研究基础上编制确 定了研究大纲。 垫塞銮垩盔堂堡主兰垡堕三兰 丝二皇堕垒 本文具体研究方法如下： ( 1 ) 针对填石路堤修筑技术研究中存在的问题，结合祁临高速公路填石路堤 设计施工的实际情况，确定试验路段； ( 2 ) 对填石路堤修筑中所首先面临的施工工艺和质保体系问题，根据调研情 况，确定了多种施工机械的组合和检测手段的应用，按照不同的施工参数进行碾 压试验，并在试验段填石路堤修筑过程中进行了验证； ( 3 ) 针对试验段使用的典型填石料，编制室内试验计划，确定试验方案，对 填石料这种大粒径填料的工程性能进行了试验研究，确定填石料工程性能的变化 规律，为确定填石路堤的质量控制指标和进行理论分析计算提供必要的依据； ( 4 ) 分析制订了针对填石路堤沉降和变形的观测方案； ( 5 ) 通过对各种计算方法的分析比选，确定采用有限元方法进行计算分析， 该项工作通过采用a n s y s 有限元程序，使用a p d l 编程进行；计算中采用了不同 的材料强度指标，目的是确定路堤填筑所产生的变形规律； ( 6 ) 对于填石路堤的稳定性，采用极限平衡法和有限元强度折减系数法进行 了对比计算研究，材料强度按照室内试验结果进行了组合，目的是确定不同路堤 碾压质量下填石路堤的稳定性，从而通过理论计算对填石路堤的修筑技术进行分 析研究。 ! ! 塑塞望查兰堡主兰篁! 堕一 苎三里墨至堕堡些三三苎兰堕墨塑! ! 婴塞 第二章填石路堤施工工艺与质量控制研究 2 1 概述 在填石路堤设计施工中首先面临的是填石路堤的施工工艺和质量控制问题。 由于填石料的工程特性不同于普通细粒土，相应研究和工程实践经验也较少。因 此对填石路堤的该项研究就显得极为迫切。 考虑到路基施工具有野外作业、施工人员技术水平参差不齐、工程量大的特 点，本文在施工工艺和质量控制研究中重点考虑了下面三个因素： ( 1 ) 首先必须确保达到路基使用的技术要求； ( 2 ) 在此基础上考虑是否经济合理、能否获得较好的效益； ( 3 ) 是否便于现场操作人员掌握和应用。 本章研究的目的是立足于填石路堤试验段，研究切实可行的施工工艺和质量 控制方法，为填石路堤工程设计施工提供借鉴和指导。 2 1 1 现行规范中的相关内容 我国公路部门现行规范巧“6 1 有关填石路堤的内容主要为： ( 1 ) 施工机具及工艺：填石路堤均应压实并宜选用工作质量1 2 t 以上的重型 振动压路机、工作质量2 5 吨以上的夯锤或2 5 吨以上的轮胎压路机压( 夯) 实， 每层虚铺厚度不宜大于5 0a n ，最大粒径不宜超过层厚的2 3 ：填石路堤应分层 填筑、分层压实； ( 2 ) 材料要求：填石路堤应采用不易风化的石料填筑，石料强度应不小于 1 5 m p a 和2 0 m p a ( 边坡) ； ( 3 ) 路堤高度及防护：填石路堤应进行边坡码砌，码砌厚度1 2 米；填石路 堤的高度不宜超过2 0 米； ( 4 ) 施工检测：填石路堤( 包括分层填筑岩坡及倾填爆破石块) 的紧密程度 在规定深度范围内通过1 2 吨以上振动压路机进行压实试验，当压实层顶面稳定， 不再下沉时( 无轮迹) ，可判断为密实状态。 21 2 填石路堤施工工艺研究 填石路堤的类似构造物一堆石坝，在水利部门得到了广泛应用。”1 ，其施工 工艺和质量控制手段对填石路堤具有借鉴意义。 q 燮望查兰塑主兰垡堡兰 一兰三里墨至堕墨塑王! 苎! 堕里叁塑婴壅 在早期的堆石坝施工中，采用的是抛填堆石，如我国在6 0 年代修建的广东 南水粘土定向爆破堆石坝”1 等，该时期堆石坝一般不采用机械压实，而采用厚 层抛填，靠石料自身的重力进行压实，存在抛填密度低，工后沉降大等问题。 在国外，早在上世纪5 0 年代苏格兰o u o i c h 坝”1 建设中就成功的采用了振 动碾压施工工艺；在7 0 年代，广泛采用了薄层振动碾压技术，通过该技术，可 以达到较高的压实密度，提高堆石体的强度和稳定性，从而扩大了堆石料的使用 范围。 公路部门在填石路堤的修筑中借鉴了水利部门堆石坝的修筑经验，目前，填 石路堤修筑中均强调采用振动碾压、分层压实的施工工艺，具体工作主要围绕所 采用的施工机械和检测方法展开。即选择相应的施工机具、确定合理的施工工艺， 以获得既满足技术要求义经济合理的施工方案：同时由于公路施工线路长、料场 多等特点，难以象水利部门一样对填料进行严格控制，故应针对不同的填料性质 确定不同的施工参数。 ( 1 ) 静作用碾压机械 它是通过压路机自重产生的静压力来实现路基压实，具有压实面平整度高的 特点，也是公路部门的常用机械，便于施工；但因其无冲击力、压实深度较浅， 对填石路堤的压实效果差”，因此建议不宜在填石路堤施工中单独使用。 ( 2 ) 振动碾压机械 振动压实的原理在于：当振动压路机以一定的振幅和频率震动碾压时，填料 颗粒处于运动状念，相互之间的阻力减少；在填料中存在由静压力作用和以压力 波形式传播的动力作用而产生的压实力和剪应力，从而有利于填料的压实，提高 了施工的效率。 由于振动压路机作用效率高、压实层厚，故在已有的填石路堤施工中得到了 广泛的应用。但也存在能耗大、费用高且压实面平整度不高等问题，因而应结合 其它种类机械配套使用以获得良好的技术、经济效益。 ( 3 ) 冲击压路机的应用 应用冲击压实的原理是将当前振动碾压中的高频率、低振幅改为高振幅、低 频率，从而增加对填料的压实能。工程实践“表明：冲击压实路基可以减少工 后沉降，提高路基的整体强度，在已经经振动压实达到压实标准的路基上使用冲 击压路机进行补压，路基可下沉5 7c r i ，可见冲击压路机比振动压路机具有更 好的压实性能。 北京交通大学硕j 学位论文 第二章填杠路堤施工工艺与质量控制研究 2 1 3 填石路堤质曩控制技术研究 由于填石料自身存在粒径大、颗粒级配变异大等特点，因此对其进行压实质 量检验是一个相应的难点，在目前规范中只笼统的提到了采用1 2 t 压路机压实至 无轮迹时为止，而没有具体实用可行的检测手段。 目前，对于路堤填实的检测存在两个指标体系：是强度指标体系，二是密 实度指标体系，这两种指标体系在国际上均被采用。德国、澳大利亚、瑞士等国 家采用承载板法测定；法国、荷兰等国采用弯沉仪法来测定。我国公路部门习惯 于采用密实度指标体系。密实度指标与强度指标之间对于确定的填料来说，具有 较好的相关性，但在不同的填料间可能相差较大。 属于强度指标体系的检测方法有：承载板法、k 3 0 法、压沉值法、压实度计 法、动力响应法等；属于密度指标体系的检测方法有：灌砂法、灌水法、核予密 度仪、面波仪等。 常用的检测方法如表2 1 所示。 表2 1 常用检测方法对比 检测方法优点缺点 工作量大，填石路堤填料 灌砂法便于掌握，己在公路部门长期使用 问孔洞较大，数值偏小 工作量大，干密度测定值 灌水法原理类似灌砂法，可准确测定数据 偏大， 压实计法可全面实时的对整个施工现场进行监控仪器读数离散性较大 面波仪方便、快速、无损受材料性能局限性较大 测定数值相关性差，不宜 核予密度仪适于现场快速评定 作仲裁和验收标准 需专门的车辆和设备，常 承载板法适合检测粗粒土，在铁路部门广泛采用 规施工中费时费力 控制指标需结合其它施 压沉值法简便快速、无损易掌握，可全场布点 工参数综合确定 以下就工程中广泛采用的灌砂法、灌水法和压沉值法予以重点讨论。 ( 1 ) 公路部门习惯于采用压实度法作为质量检验和仲裁的标准，即灌砂法和 灌水法。它们具有简便易用、便于掌握，已在施工现场长期使用的特点，但对于 北京交通大学硕士学位论文第二章填石路堤施工工艺与质量控制研究 填石路堤而言，由于其最大干密度确定较为困难，从而限制了其在填石路堤工程 中的应用： ( 2 ) 压沉值法：路堤压实的目的是使之具有足够的强度和较小的变形、以及 较好的稳定性。若路堤在一定的外荷作用下其沉降较小，则可以认为路堤已处于 弹性密实状态：同时，压沉值法操作简单，因而目前填石路堤施工中多以压沉值 法作为检测手段。 本文在充分调研相关研究成果的基础上，制订了高速公路试验段施工工艺和 质量控制体系试验方案，通过对试验结果的总结和分析，提出了针对一般填石路 堤的施工工艺方案和质量保证体系。 2 2 试验段施工与检测 现场试验的目的是通过对多种施工工艺及参数的比选：例如最大粒径的控 制、虚铺厚度、碾压机械的选择、施工工序的安排等等，确定既能满足设计技术 要求、又经济合理、简单实用的施工工艺和质量控制方法。即施工工艺和检测方 法的确定应综合考虑技术要求、经济效益、便于操作人员掌握三方面因素。 备注： 点画线代表的是土t 格栅 图2 1 填石路堤试验段k 8 4 + 9 1 0 处设计断面图 试验段填石路堤初始设计按照虚铺层厚4 0c i l l 进行施工，由于存在大量的超 粒径填石料，对此结合试验情况予以了相应的调整。 2 2 1 施工参数与质量控制标准的确定 苎皇奎塑查兰堡主兰垡堡兰 笙三塞璺型堕堡塑三三苎兰堡墨丝圭! 婴窒 由于现有的施工技术体系建立在普通细粒土基础之上，是否适用于填石路堤 有待检验，本文根据已有的填石路堤施工经验，采用振动压路机和静压压路机进 行了组合。 本文从压路机的压实参数，路堤填料虚铺厚度、填石料最大粒径以及填石料 颗粒级配四个方面进行了试验和分析。 2 2 1 1 振动压路机压实参数的确定 采用振动压路机可以明显提高填石路堤的压实效果，例如：1 3 t 的振动压路 机振动时和静止时的土中的应力比可以达到5 ：1 。 下图表示了不同振动压路机的压力分布曲线“1 。 o 7 o 6 霎o 戟 智o o 1 o + 1 4 t 振动碾 0o ，20 4o 6 o 8l1 21 4 深度( m ) 图2 2不同振动压路机的压力分布曲线 由图2 2 可见：压实效果和振动压路机的吨位以及填筑层厚密切相关，试验 段采用了最大激振力为5 0 t 的压路机进行试验，考虑1 2 t 振动压路机在国内施工 单位得到了广泛应用，因此本文采用国产y z j l 2 振动压路机进行对比试验研究， 该型号压路机最大激振力为2 5 t 。 ( 1 ) 振动压路机振动频率的选择 当外界激振力频率和物体的自振频率接近时，物体所受到的振动最大，因此 应调整压路机的激振频率和填石料的自振频率一致时为佳，常见填料的自振频率 见表2 2 。 对照表2 2 ，对于现场所采用的填石料，将振动压路机的频率调整到3 0 赫 兹为宜。 淼螈 勰黝搋 哺 振 一愁 北京变通人学硕七学位论文 第二章j _ | l l 路堤施r t 岂lj 质量控制删究 表2 2 常见路堤填料自振频率 填料类型 自振频率( 赫兹) 干粘土 3 2 5 砂砾 3 l 含粘土较多的微细砂中砂 2 3 5 2 7 5 砂卵石 2 4 7 耦砾石 3 0 ( 2 ) 振动压路机振幅选择 在其它条件一定的情况下，填石料所受到的压实作用随振幅的加大而显著提 高，因此应在机械允许范围内尽量增大振动压路机的振幅，但最大振幅受限1 二机 械设计限制和使用寿命的要求，一般调整到1 5 1 8 l l l m 之削为宜。 图2 35 0 t 振动压路机施工 ( 3 ) 振动压路机碾压速度 考虑技术要求和经济合理性的统一，一方面压路机行走速度越慢，则在单位 时阳j 内施加到填石料上的压实功越大，但过慢的速度会造成压路机工作效率的降 低，凼此确定碾压速度为2 4 k m h 。 ( 4 ) 小结 1 4 ! ! 塞至望叁堂竺主兰垡堡兰 蔓三主墨鱼堕塑堕王王兰兰垦里堡型塑塑 对于填石路堤宜采用振动压路机进行填石料的碾压施工，通过合理设定压路 机的激振力、振动频率、振动幅度、以及碾压速度等参数来实现较好的碾压效果。 2 2 1 2 填石料施工工艺参数的确定 ( 1 ) 最大粒径和虚铺厚度的确定 最大粒径的确定与填石料虚铺厚度密切相关，按照路基施工技术规范的要 求：压实层厚一般不超过5 0c r f l ，最大粒径不大于层厚的2 3 。在已有的填石路 堤工程中有关最大碾压厚度的差异较大。按照路基设计技术规范的规定，将路堤 划分为下路堤、上路堤、路床三大部分，相应的压实度( 重型) 要求分别为9 0 、9 3 、9 5 。结合上述的规定并参照现有的工程实际和水利部门的施工经验， 本文确定试验段路堤不同部位的虚铺厚度和控制最大粒径如表2 3 所示： 表2 3 填石路堤层厚和最大粒径试验安排 分区 松铺层厚( 锄) 最大粒径( 蚀) 8 06 0 下路堤 6 04 0 4 02 5 6 04 0 上路堤 4 02 5 注：考虑填石料碾压后表蘧平整度较差，因此未在路床部位采用填石料。 ( 2 ) 填石料级配的控制 级配良好的填料在碾压后可以获得较好的压实效果，水利部门山于不但要保 证碾压后堤坝的强度和稳定性能要求也要保证坝体良好的抗渗性能。“1 ，因此 水利部门在堆石坝的设计和施工中对填石料的级配予以了严格的控制和分析。 对高速公路路堤施工而言，由于公路施工线路长、填筑工程量大所带来的填 料变异性大等特点，对填料级配进行控制的难度较大。 ( 3 ) 填石料的含水率 普通填料的含水率一般采用击实试验所确定的最优含水率，以保证在碾压时 获得较高的压实度；而填石料含水的作用不同于普通填料，水的存在可以降低填 石料颗粒之问相互移动时的阻力，具有有利于路堤压实的一面。 填石料含水率对路堤的影响同时与填石料自身的岩石性质有关，对于试验段 所采用的填石料属于低强度的岩石颗粒，_ 丌挖后在自然环境下迅速l x l 化，因此， 应对填石料含水率予以控制。 i ! ! 塞茎望叁堂堡兰兰竺笙茎 塑三皇墨兰塑塑塑王三苎! 堕里丝型堕塑 ( 4 ) 填石料压实标准与质量检验手段 水利部门堆石坝的压实标准主要参照已有经验和相似工程来进行，并建议采 用相应的碾压试验予以验证和进行修正“。在压实控制指标中，主要通过控制 填石料的干密度和孔隙率对压实质量予以控制。实践表明：填石料在达到足够的 密实程度后可以具有较好的强度和稳定性，但不同性质的填石料在碾压中的工程 性能具有很大的差异。 表1 4 国内几座堆石坝堆石料设计指标“1 最大粒不均匀系干密度 坝名岩石种类分区内摩擦角 径眦数k n m 3 白云质灰 2 1 西北口 主堆石6 0 04 0 4 1 石 2 1 5 关门口安山岩主堆石 6 0 0 81 9 94 3 5 成屏一熔解凝灰 主堆石 6 0 0 52 04 0 级 石 侏树桥 灰岩主堆石 6 0 0152 1 0 4 0 天生桥灰岩主堆石 6 0 02 1 0 表1 5 堆石坝设计导则对填筑标准的规定“1 分区孔隙率 过渡区细堆石料 2 0 2 2 主堆石料 2 2 2 5 下游区堆石料 2 5 2 8 在参照已有的工程实践基础上，结合堆石坝的研究成果，按照公路路基施1 。 技术规范中的相关内容，本文初步拟定按照下述压实指标对碾压质量进行控制 表1 6 试验段压实质量控制标准 路堤分区 压实度压沉值咖 下路堤 9 0 3 上路堤 9 3 3 考虑到技术、经济和现场人员技术水平的综合因素，本文采用压沉值法和压 实干密度两种方法进行对比检验。 ( 1 ) 填石路堤压实度采用最大干密度进行检验的原理和普通填土路堤一致， j ! 塞奎望查兰堡二! 兰些笙塞 釜兰翌墨童堕曼些工三兰兰堕垦丝! ! 塑塑 但两者在检测方法上存在差异，原因在于填石料自身特性上。 由于填石料粒径大，颗粒级配分布不均匀，因此难于确定填石料的最大干密 度，需要采用大型击实仪并对填石料进行缩径以对实际情况予以模拟分析。 在测定现场碾压干密度时，存在开挖困难，出料量大，费时费力影响连续施 工等缺陷，同时由于在填石料颗粒之间存在较多的孔洞，因此规范所推荐的灌砂 法难以反映真实压实程度，只能采用试坑灌水法予以测定。 在采用灌水法进行干密度测定时，为保证所开挖填石料的代表性及检测填筑 层的整体碾压效果，应开挖至每一填筑层的底部，试坑直径应不小于最大粒径的 l _ 5 倍。 表1 7 试坑开挖尺寸 填筑层厚 2 f l 限制粒径c r n 丌挖深度c n l试坑最小直径a n 8 06 08 0 9 0 6 04 06 06 0 4 03 04 04 5 ( 2 ) 压沉值检验法 压沉值检验法：在一定吨位压路机充分碾压的基础上，在相临两次碾压后测 定路堤填筑层的沉降，当新发生的沉降满足一定的要求时，即认为该填筑层已达 到了在该种施工工艺下的密实状态。 该方法首先应确定不受施工影响的基准原点，考虑本试验段路堤半填半挖的 特点，在靠近原始山体和新填筑的边坡处分别布点予以测定。 ( 3 ) 测定方法分析 上述的两种方法均具有简单可行，方便施工人员掌握的特点，并且已经在一 些实际工程中得到了应用和验证，因此本文将两种方法进行联合应用。 2 2 1 3 试验段施工工艺与施工机械组合 ( ”施工工艺 本文在调研的基础上，提出的实验段施工工艺方案为： 施工准备测量放线运料啼堆料- 摊铺整平- 剔除超粒径填料、补充细料、人工找平啼碾压施工- 质量控制 达到要求进行下层填筑，否则调整施工参数重新碾压。 施工准备：清除原始坡面腐殖土、对原始坡面初步整平，按照基准点放 线，在每层填筑施工中按照预定的方案标定填筑层厚。 1 型雩雩粤掣警 釜兰堡亘些些三三塑壁墅型望塞 运料、堆料和摊铺整平：在该过程中，应严格注意不应出现粗、细填石 料的分离现象。 在填石料的摊铺整平过程中，注意将部分超粒径填料予以剔除或进行人 工破碎，对大粒径填料较多的区域补充部分细料以减少碾压施工后路堤中过多孔 洞的存在。 碾压施工：在碾压施工中按照试验方案进行多种施工机械的组合，考虑 到振动压路机费用较高，而且存在施工后碾压表面平整度差的特点，因此选用 1 2 t 静压机械在使用振动压路机前后分别对填石料进行碾压作业。所需要的碾压 遍数由实际施工中的数据予以确定。碾压时注意振动压路机应由内向外重叠3 0 a i l 依次碾压。 质量控制：采用压沉值法和测定填石料碾压后干密度相结合的方法予以 测定和分析。在每次碾压后，用水准仪精确测量各测点高程，并分别记录，测点 按照不少于1 6 点1 0 0 0i t l l 进行布置：在完成碾压后，按照不同的施工工艺，在 不小于3 点1 0 0 0m 的频率进行压实密度的试验。初步确定按照最后两遍振动碾 压压沉值不超过3 衄作为检测标准。 ( 2 ) 施工机械组合： 采用1 2 t 静压机进行初压，采用5 0 t 振动压路机施工至填石料碾压面无 明显轨迹时为止，然后用1 2 t 静压机进行碾压，保证碾压面的平整度。 采用1 2 t 静压机进行初压，采用y z j l 2 振动压路机施工至填石料碾压面 无明显轨迹时为止，然后用1 2 t 静压机进行碾压，保证