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一、路基压实的意义与机理
路基施工破坏土的天然状态,导致结构松散,颗粒重新组合。为使路基具有足够的强度与稳定性,必须予以压实,以提高其密实程度。所以路基的压实工作,是路基施工过程中一个重要工艺,亦是提高路基强度与稳定性的 根本技术措施之一。
土是三相体,土粒为骨架,颗粒之间的孔隙为水分和气体所占据。压实的目的在于使土粒重新组合,彼此挤紧,孔隙缩小,土的单位重量提高,形成密实整体,最终导致强度增加,稳定性提高。这一点已为无数试验与实践反复证明。
土基压实后,路基的塑性变形、渗透系数、毛细作用及隔温性能等,均有明显改善。
二、影响压实效果的主要因素
对于细粒土的路基,影响压实效果的因素有内因和外因两方面。内因指土质和温度,外因指压实功能,(如机械性能、压实时间与速度、土层厚度)及压实时的外界自然和人为的其他因素等。
为了更简明直观阐明主要因素对压实的影响,以及为什么采用干容重作为表征土基密实程度的技术指标,可参见图一的关系曲线。
图一中曲线的驼峰曲线,表明干容重Υ随含水量ω而变化的规律性。在同等条件下,一定含水量之前,Υ随ω增加而提高,主要原因是水起润滑作用,土粒间阻力减少,施加外力后,空隙减少,土粒易于被挤紧,Υ得以提高。Υ值至最大后,ω再继续增大,土粒孔隙被水分占据,而水一般不为外力所压缩,因而ω增大,Υ随之降低。通常在一定压实条件下干容重的最大值,称为最大干容重(即最大干密度),相应的含水良为最佳含水量ωo。由此可见,压实时,如能控制土的湿度为最佳值ω。,则压实效果为最高,耗费的压实功能为最经济。
如果以形变模量Ey代替Υ,它与ω亦具有驼峰型曲线关系,而且最高点的Ek及其相应之ωk值,与Υo及ωo有别。曲线2表明,土体温度未达到最佳值ωo之前(ωo>ωk),强度已经达到最高值ωk,这是因为土中含水量较少时(指ωk),土粒间的阻力较大,欲使土粒继续位移,需要更大的位移,需要更大的外力,所以表现为Ek最高。而土中湿度在ωk值前后的减少或增加,相应的Ey随之有所降低。
现行路面设计方法是一回弹模量为土基的强度指标,为什么不直接用模量来控制土基压实程度,而用干容重表示压实程度,这一点可通过图二所示的试验来分析说明。图二是饱水前后的压实试验结果对照曲线关系图,曲线一(实线)表明饱水,E均有所降低,而在ωo时,两者的降低值(Υo-Υs或E’k-E’s)均最小。换言之,控制最佳含水量ωo压实的土基,其强度和稳定性最好,如果以ωk为准,尽管相应Ek最高,但保水后的Es却大大降低,水位定性最好,如果以ωk为准,尽管相应Ek最高,但饱水后的Es却大大降低,水位定性极差。这就是选用Υo及相应ωo作为控制土基压实指标的机理所在。
土质对压实的效果的影响亦很大。一般的规律是:土质不同,Υo与ωo数值不一样,而且分散性(液限、粘性)较高的土,其ωo值较高,Υo值较低;砂性土的压实效果,优于粘性土,图三是一个示例,其机理是土粒愈细,比面积愈大,土粒表面水膜所需之湿度亦愈多,加之粘土中含有亲水性较高胶体物质所致。砂土的颗粒粗,成松散状态,水分极易散失,最佳含水量的概念没有多大的意义。
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压实厚度对压实效果具有明显影响。相同压实条件下(土质,湿度与压实功能不便),实测土层不同深度的密实度(Υ或压实度)得知,密实度随深度递减,表层5㎝最高。不同压实工具的有效压实深度有所差异,根据压实工具类型,土质及土基压实的基本要求,路基分层压实的厚度,有具体数值规定。一般情况下,夯实不宜超过20㎝为限。12~15t光轮压路机,不宜超过25㎝,振动压路机或夯击机,宜以50㎝为限。实际施工时的压实厚度应通过现场试验确定合适的摊铺厚度。
压实功能(指压实工具的重量、碾压次数、锤落高度、作用时间等)对压实效果的影响,是除含水量的而外的另一种因素。图四是压实功能(综合因素)与压实效果的关系曲线,曲线表明:同一种土的最佳含水量ωo,随功能的增大而减少,最大容重Υo则随功能的增大而提高:在相同含水量的条件下,功能越高,土基密实度(即Υ)越高。在施工的过程中经常出现个别点压实度超密,我想原因可能是由于我们使用的是18t的振动压路机。我们所取得的最大干密度是重型击实实验做的,而重型击实的压实效果仅相当于12~15t的压路机,用18t的压路机相当于增大了压实功能,因此出现了个别点超密是完全有可能的。
工程实践中可以增加压实功能(选用重碾,增加次数或延长时间),以提高路基强度或降低最佳含水量。但必须指出,用增加压实功能的方法,赖以提高土基强度的效果,有一定效果,功能增加到一定限度以上,效果提高愈为缓慢,在经济上和施工组织上,不尽合理,甚至功能过大,破坏土基结构,效果适得其反,相比之下严格控制最佳含水量,要比增加压实功能收获大的多。当含水量不足,洒水有困难时,适当增大压实功能可以收效,如果土的含水量过大,此时如果增大压实功能,必将出现“弹簧现象”,压实效果很差,造成返工浪费,所以,土基压实的施工中,控制最佳含水量,首要关键,在次前提下采取分层填土,控制有效土层厚度,必要时适当增大压实功能,乃土基压实工作的基本要领。
三、机具选择与操作
压实机具的选择,合理的操作亦是影响土基压实效果的另一些综合因素。土基压实机具的类型较多,大致分为碾压式、夯击式和振动式三大类。碾压式(又称静力碾压式),包括光面碾(普通的两轮和三轮压路机),羊足碾和气胎碾等几种。夯击式中除人工使用的石硪、木夯外,机动设备中有夯锤、夯板、风动夯即蛙式夯机等。振动式中有振动器、振动压路机等。此外运土机械中的汽车、拖拉机以及土方机械等亦可用于路基压实。
不同压实机具,适用于不同土质和不同土层厚度等条件,这亦是选择压实机具的主要依据,下表几种常用机具的技术性能。正常条件下,对于砂性土的压实效果,振动式较好,夯击式次之,碾压式较差:对于粘性土,则宜选用碾压式或夯击式,振动式较差甚至无效。不同压实机具,在最佳含水量条件下,适用于一定的最佳压实度,以及通常的压实遍数。
压实机具对土施加的外力,应有所控制,以防功能太大,压实过度,并防止失效,浪费或有害。一般认为压实时的单位压力,不应超过土的强度极限。不同土的强度极限,与压实机具的重量、互相接触面积、施荷速度及作用时间(遍数)等因素有关。
土基压实时,在机具类型土层厚度以及行程遍数已经选定的条件下,压实是宜先轻后重,先慢后快,先边缘后中间(超高路段等需要时,则宜先低后高)。压实时,相临两次的轮迹应重叠轮宽的1/3,保持压实均匀,不漏压,对于压不到的边角,应辅以人力或小型机具夯实。压实全过程中,经常检查含水量和密实度,以达到符合规定压实度的要求。