道路粘土路基设计、施工、检验技术探究

发表时间:2018/5/8   来源:《建筑学研究前沿》2017年第35期   作者:唐劲云
[导读] 路基指的是按照路线位置和一定技术要求修筑的作为路面基础的带状构造物,它承受着本身土体的自重和路面重力。

合肥高新技术产业开发区建筑工程质量监督站  安徽  230088

 
        路基指的是按照路线位置和一定技术要求修筑的作为路面基础的带状构造物,它承受着本身土体的自重和路面重力,以及由路面传递而来的行车荷载,是整个道路构造的重要组成部分。路基的作用说到底,就是为路面道路交通等动荷载提供均匀稳定的持力层。路基质量控制如果有关键词,毋庸置疑最直接的应该是强度和稳定性两大技术指标,具体点就是均匀稳定的持力层,整体性好透水性差、耐久性好长期不发生差异变形,强度等级符合相应交通荷载等级要求,要控制好路基质量就必须把这些方面内容作为重点。
        作为路基的材料有多重,其中最重要的一种就是粘土,为深入解析粘土路基的质量控制,本文将从粘土概念、特性、主要技术指标入手,全面剖析有关技术指标间的相互关系,阐述路基设计理论基础,着重介绍路基设计和施工的要点,路基边坡、高度与宽度的设计,以及路基检验应采用的方法。本文不考虑其它类型的路基;不作为路基组成部分的基础以下部分土体也不作考虑。粘土材料为以合肥地区正常固结老粘土(承载力位于220~280kPa、不考虑顶层覆土、灵敏度等)为例。
        一、粘土的概念、特性、主要技术指标,以及其间的相互关系
        一)粘土概念、特性:按照交通部JTJ024-85标准,土体主要的技术参数塑性指数Ip大于17%、土体中粒径小于0.002mm的粘粒含量大于10%称作粘土。老粘土(未扰动的原状土)粘结力较强、强度高。扰动后将其压实,当压实度达到一定的要求,其依然能保持较好的粘结力和整体性(土的灵敏度越低就越接近),一直以来都把粘土作为一种很好的路基填筑材料。
        二)正常固结老粘土常用的技术指标:承载力正常位于220~280kPa,许多地段往往能够达到300kPa,少数甚至可以达到500kPa(具体承载力与土弹性压缩模量关系密切);承载力位于正常区间内粘土含水率一般位于20%~30%范围内呈饱和状态;根据大量的实验结果可知土体透水性差,渗透系数一般位于10-6cm/s,孔隙率位于70%上下;容重在1.96g/cm3~2.10g/cm3范围,土粒的容重(一般同岩石)与全国同,位于2.70g/cm3~2.76g/cm3,相应的土体重型击实实验测得的干容重位于1.79g/cm3~1.82g/ cm3,最佳含水量17%上下,为便于对粘土、石灰土路基质量控制的分析将具有代表性的老粘土数据指标列表如下:
 

        二、粘土有关技术指标间的相互关系
        一)土体的渗透系数与土粒结合水的关系,以及土粒集合水的分部情况:由于至今对土体中自由水与结合水无法划分,也就无法准确判断土体中自由水和结合水的具体数量,但通过土的渗透系数可以大致判断土体中水与土粒的结合程度,那就是一定含水量的土体,其渗透系数越低土粒结合水就越多。根据土的渗透系数分类,若将小于10-7cm/s(理论不透水)全部视为结合水(无自由水),高渗透性10-1cm/s 视为无结合水(全部为自由水)来判断土体自由水的数量将使得问题简单的多。这个判断只是为了便于对土体中水自由水与结合水的划分,实际情况则需要进行专门研究才能得出可靠的结论。
        土粒结合水的分布情况:粘土一般呈薄片状,形状不规则,结合水可以判断基本位于大小不等土粒的表面,结合水膜的厚度以完成固结(老粘土)且不透水(全部为结合水),土体饱和空隙率按100%计算,层间结合水的厚度理论计算值应与薄片状粘土矿物厚度一半略小,片越薄层间结合水就越薄。土粒带有结合水膜使其表现出明显的弹性体特征。
        二)土的液、塑性指数与土的结合水和内摩擦角的内在联系,以及粘土最佳含水量与塑限的关系。根据有关《土质学与土力学》教材、地勘报告以及有关试验结果不难看出,土体液、塑限与土粒结合水的能力及其内摩擦角存在着内在联系,土体液、塑限大小与粘粒含量及其粒径组成有关,正常固结土中粘粒含量越多粒径越细其液塑、塑性指数越大,结合水的能力越强内摩擦角就越小;反之粘粒含量越少粒径越粗其液塑、塑性指数越小,结合水的能力就越弱内摩擦角就越大。实验还证明粘土最佳含水量与塑限基本一致。了解这些可以帮助更好地实现对路基尤其是石灰改良土路基回填的质量控制。
        三)最大干密度、最佳含水量控制路基填土质量的合理、可靠性。实验可知,土体唯独在最佳含水量时浸水强调最大,水稳定性最好;土体若达不到上述指标,与最大干密度、最佳含水量越接近,其浸水强度将越大,水稳定性将越好。众所周知,由同种材料组成的物质密度越大强度越高,耐久性越好;土体也一样越重强度越高,因此用最大干密度、最佳含水量标准控制填土质量是科学合理的做法。
        四)土体承载力、弹性模量的区别,路基设计对土体承载力、弹性模量的要求。土地承载力通常是指其单位面积能够承受的压应力,有最大应力和容许应力之分,容许应力是土体在达到最大应力前能够保持土体相对稳定,充分发挥强度所能够达到的应力水平,土体承载力通常意义指的就是土的容许应力,单位为压强如Kg/cm2;土弹性模量是指土体在弹性变形阶段,其应力和应变正比例关系系数即所谓的杨氏模量,为线应力除以线应变E=(F/S)/(dL/L)(F、S、dL、L分别为土体所受力、面积、压缩长度、长度),同压强单位。土体承载力、弹性模量单位相同,在一定的条件下承载力高相应弹性模量亦大,然而由于概念不同,也就决定了其分别服务于不同的研究方向,即土体承载力注重单位面积受力的大小,弹性模量则注重单位面积可接受的变形。
        房屋、桥梁等构筑物土体基础强度等级一般按照承载力设计;路基设计则不同,它是按照弹性模量的强度等级来进行设计,也就是说土体承载力即使很高如果其弹性模量达不到要求,仍然判定基础不合格,这种情况在现实中也是很正常的现象,如不少土体承载力不小,往往因其含水量过高而弹性模量却较小。
        三、路基设计理论基础
        至今土的应力计算基本采用弹性力学求解,假定地基土是均匀连续各项同性的半空间线性变形体,当然这种假定与实际存在差距,不过当附加应力在一定范围内,土的应力应变关系可近似看做直线关系,此时用弹性理论计算土中的应力还是比较准确的。
        研究表明土的应变在10-4~10-6范围内时,土体强度应按弹性半空间理论计算。实验表明火车、汽车行驶所产生的震动的反应正好与上述反应的情况一致,路基填筑一段时间后土体基本接近饱和状态,在快速行车动荷载的作用下因时间短,此时土中的水来不及排出或不完全排出,压缩变形来不及发生,大部分仍是可以恢复的变形,这种情况决定了路基应以弹性模量进行设计。
弹性模量强度等级以城市路基设计施工技术规范为例,快速路和主干路路基顶面设计回弹模量值不应小于30MPa;次干路和支路不应小于20MPa。当不满足上述要求时,应采取措施提高回弹模量。路基施工中,应充分考虑道路运行中的各种不利因素,尽量采取措施减小路基回弹模量的变异性,保证其持久性。
        四、路基设计、施工要点
        一)老粘土设计可直接做为路基:由于路基设计采取渐变弹性模量,即上面大小面小,通过实验只要老粘土弹性模量符合要求即可以直接作为路基;若达不到设计要求,需对一定深度范围内的土体进行改良或其它技术措施加以处理。
        对于道路等级较低的道路,因路基、路面设计弹性模量小,要保证其上部结构层一定的厚度,避免路面结构层厚度过小因路基土体天然含水量过大,土体在震动荷载作用下不仅可能发生液化析水现象,同时存在夏季干燥水分蒸发、冬季寒冷结冰等作用使路基不稳定,设计需明确路面结构层的厚度。
        二)粘土扰动后填筑路基强度机理及其设计、施工
        1、粘土路基的强度机理本质就是土体内的内摩擦角和粘聚力,带有结合水的土粒间粘结、嵌锁连接形成具有较高强度,在承受自重和一定范围内的外力作用时保持相对稳定。
        2、粘土扰动后空隙率明显变大,就拿一般多年固结土来说,土体挖、运扰动后松散系数一般位于1.3左右,若土体含水率小于缩限,扰动后土的松散系数将更大,且形成的土体粒径越小越松散。
        3、粘土回填密实就是使得土体重新连成整体,使其具有一定强度重新固结的过程,回填越密实固结度越高,土体整体性越好、强度越高。土体密实的效果与外界环境关系密切。
        松土自然固结密实:老粘土被扰动后形成的形状不规则、大小不一的松土块堆积体,块间嵌锁摩阻力可以维持其短期相对的稳定;自然界松土若长期堆积,由于受雨水浸湿、地下水等影响重力作用将使其固结密实,充分固结需在饱和状态下进行。松散块受水浸湿后,若土粒周围结合水不足水将先形成结合水膜(双电子层),其次再填充土体间的空隙。土粒因结合水使得土粒软化内摩阻力减小,部分结合了水的土粒由于容重大于水,压迫替换空隙中的自由水,原松散土体短期平衡迅速被打破使得土体密实;后期土体内若地下水下降,上部土体失水欠饱和重力增加,土体将进一步固结密实。早期固结达到一定程度后,土体空隙率变小粘结力和内摩阻力增加透水性变差,固结密实变慢。土粒粒径不均匀,内摩擦差异,若固结的土体受到自重、外荷载作用力小,土体内部粘结力及其部分大颗粒土粒间的摩阻力发挥作用稳定土体,此时土体含水量大、承载力低。
        外力作用强力固结:土体在外荷载作用下固结密实形式与浸水固结存在一定的区别,外荷载作用下的土体密实是在土体不饱和的情况下进行的,外力功克服不密实状态下土体间的摩阻力迫使土体密实。只要土体含水率适中并使用相应的压实机械,可以使得土体达到理想的密实状态并获得较高的承载力,固结的效果将在下列路基回填土部分解析。
        4、粘土路基回填:早期道路建设路基普遍采用粘土回填,由于对填土的许多技术指标控制不严、不到位,经常发生路基差异变形、下沉明显和开裂等较为严重的质量问题,影响道路交通和安全。究其原因主要有由于源土技术指标不稳定,施工密度控制技术指标单一;赶工期填土含水量往往小于、大于施工最佳含水量过多;压实机械效率不足对土体压实不充分等原因造成的。下面从土的技术指标来探讨填土路基质量的控制。
        (1)自然条件下多年固结土干容重与其扰动后土体的最大干容重(重型击实)间的关系,压实度所反应对松土的压实效果,以及路基回填后期整体性、强度的变化。
        通过实验可以发现,重型击实所获得的老粘土最大干密度正常大于老粘土本身干密度,施工使用常规压实机械对松土的压实,压实度可以达到最大干密度的95%~96%;压实至93%~94%土体干容重与老粘土基本相同,地基承载力与老粘土比却明显降低,通过土质学土力学理论可知,扰动前后土体粘结力和内摩擦角变化不大,强度下降的主要原因应该是土体内部土粒的结构及其土体的构造形式发生变化而产生的,基于问题的原因较为复杂本文就不再分析了。根据上述分析,可以确定当填土路基干密度与老粘土基本相同时,充分固结后与原状土比体积将不会发生较大变化,不会发生下沉情况。
        填土路基土体前期正常处于不饱和状态,其饱和度一般只能达到80%左右,后期填土肯定会因受到地下水、结合水的重新分布,以及自重、外荷载等因素影响继续固结,后期其整体性增强强度逐步提高。通过实验同时还可以得出提高压实度本质就是提高土体的整体性和强度指标。
        (2)压实度小于93%的回填土后期将继续固结:重型击实所得出的土体最大干密度在实际施工中很难达到,因此目前道路设计施工技术规范都是根据填土的厚度确定不同土层的压实度,以城市道路快速路(主干道)为例,0~80厘米、80~150厘米、>150厘米分别为95%、93%和90%。土的固结因素众多、过程复杂,影响固结最主要的原因还是土体的自重及其所受到的外力作用。通过上面的分析可以看出压实度达到93%固结基本到位;位于路基下压实度小于93%,大量的实践证明土体不同程度都会进一步固结下沉。
        (3)不同压实度条件下土体充分固结稳定的下沉量确定路基高度:填土充分固结稳定应以其达到老粘土的干容重为标准。下面以压实度小于93%来计算不同压实度条件下,填土完成固结稳定的下沉量来确定路基设计需预留高度。具体固结的时间的长短在本文将不予讨论。
        填土路堤固结度计算:下面以填土成型后及时干密度对比原装老粘土干密度小于1个百分点,计算填土在充分固结稳定后的沉降量来初步拟定填筑路堤高度。以合肥地区具有代表性的老粘土为例,天然老粘土湿密度2.00g/cm3、含水量23%、土粒比重2.74g/cm3,可算得其干密度为1.626/cm3,若填土固结两侧受限且其干密度小于老粘土一个百分点,单位长度下降高度应为5.9‰,即每米下降高度为5.9毫米,通过计算可以看出若路基填土不厚、压实度接近93%,路基固结下降高度就小;如果离93%过多且填土厚度较大,下沉量将极大,上述计算结果通过与日常工作中所收集的有关资料对比,可以验证与实际基本相符。施工中当源土性质发生变化,一定要根据土源的实际情况重新确定其最佳含水量和干容重,准确计算填土密实度,确定预留高度。
        路基设计高度还需要考虑的另外一个主要因素就是,填筑路基的基础以下部分的土体的下沉,可参照土质学土力学计算确定。
        (4)路基固结度、固结时间及其含水量变化:
        粘土固结过程时间漫长、极其复杂,与外界环境关系密切,确定固结时间和固结度往往需要根据工程的实际情况进行专门的研究,才能答出较可靠的结论,工作中通过一些实例,并结合理论分析计算可推测合肥地区填土路基早期固结明显,两年期可达到80%左右。
        路基填筑后在土体的固结过程中,前期土体不饱和小于天然老粘土含水量,受雨水、地下水和土粒结合水影响,土体将不断吸收水分并最终趋于稳定,土体(外部条件相当)充分固结稳定后其含水量应与其初始状态(原状老粘土)相当。
        (5)路基填土源土的选择,以及对其充分压实施工含水量的控制:源土应选择天然含水量与塑形指数适中,土粒结合水稳定时含水量位于20~26%间,灵敏度不高(土体方向性不明显),利于压实且压实后土体稳定整体性好的粘土。
        施工含水量的控制:一定含水量的土体压实效果与所采用的压实机械关系密切。路基填土压实,实际施工至今基本按照规范所规定的要求采用25吨压路机碾压,压实分层厚度20厘米。通过现场试验填土含水量大于最佳含水量2~3个百分点压实效果最佳,在此范围也才能使得填土压实后其密实度达95%左右,当施工含水量不在上述区间,填土无论如何压实都不能达到95%标准,且越远效果就越差。
        路堤的填筑是一般是一个连续的过程,除非对填土进行专门的粉碎、翻晒(实际无法做到),否则填土不可能在最佳含水量2~3个百分点区间范围,自然界原状土的天然含水量普遍大于其最佳含水量,合肥地区粘土天然含水量一般大于最佳含水量(正常位于17%左右)6个百分点以上,充分压实往往压实度只能达到90%上下,相应强度(承载力)只能达到130MPa,不仅填土沉降不可避免,强度也不能满足设计对一般道路路基的要求。要想减少或避免填土沉降,增加土体强度,就必须对填土路基采取必要的技术处理措施或改用其它材料。
        五、路基边坡、高度与宽度设计、施工
        一)路基坡比:现阶段坡比通常按照“公路设计技术规范”的要求进行设计,缺少针对性有时存在填筑的路基坡面外有填土等情况,设计仍然按照标准形式设计,保守、经济不合理。
        按照土质学与土力学理论,土坡稳定度是用稳定安全系数(K)表示,它是指土的抗剪强度(ιf)与土坡活动面中可能活动面上产生的剪应力(ι)间的比值及K=ιf/ι,粘土按照《公路路基设计规范》粘土安全稳定系数取K>1.25,安全系数设计必须计算确定确保边坡稳定。
        填土若受外界条件限制需限定路基大坡度,也可以在填土中增设土工格栅坡稳填土减小坡比。
        施工时,要特别注意路面宽度外位于坡体施工范围内地基基础(原状土)质量控制,确保基础承载力达到设计要求。
        二)路基宽度、高度:按照现行各类技术规范、标准路基宽度富裕量不大,设计应执行相应规范标准要求。路基填筑形成路堤过高工程量大、占用大量土地,成本高。高路堤填筑一定要和修建桥梁全面综合比较,以实现社会效益最大化,大于5米的路堤宜修建桥梁。
        六、路基检验应以CBR法进行检验:
        一)路基回弹模量常规检测方法及其不足、
        1、回弹模量常规检测,至今直接检测路基回弹模量的方法还没有得到普遍的运用,大多通过弯沉的测定在换算出回弹模量来判断路基的回填质量。尽管转换方式不同,通过多种比较后发现与下列数值对应关系区别不大。
 

        2、弯沉测定路基强度指标的不足:弯沉值测定在不利季节是一个模糊的概念,不能准确反应其土体是否处于最不利力学条件如受水浸泡饱和等情况,同时由于路基施工的连续性,弯沉基本在施工结束后及时测定,不可能等到最不利季节。由土质学土力学可知当土的含水量低于最佳汗水量时,虽然干容重比较小,强度确比最大干容重大得多,也就是说干土孔隙率大强度指标反而更高。因此当路基在施工含水量较小的情况下,常规压实机具在压实土体时,由于其摩阻力增加不能对土体进行充分压实,压实度达往往无法达到所规定要求,路基成型后虽经弯沉检测可以满足设计、规范要求。后期土体若受水浸泡因空隙过大下沉明显、强度急剧下降。因此用弯沉作为设计、检测指标不合理。
        二)路基CBR检验
        路基设计强度应采用CBR检验,因为CBR对土样浸水48小时,可以认为土体处于最不利力学状态,所测得承载力可靠。具体指标设计需计算确定,或执行相应规范、标准。
        本文在探究道路均匀、稳定路基持力层设计施工技术时,设定条件是为了便于针对性地分析某些问题。文中经常把填土与老粘土指标进行对比,因为老粘土整体性好强度高是理想的天然受力体,也是填土固结最终的方向,完全具有可比性。路基强度和稳定指标不仅与不用土粒结构有关,同时还与灵敏度、结合水的能力关系密切。粘土路基填筑早期和后期由于土体自身固结和受地下水的影响,强度指标不断发生着变化,还需要对其进行更深入研究才能有更深刻的了解。
参考文献
[1]《土质学土力学》    洪毓康主编

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