公路路基快速施工技术阶段性研究报告.doc

公路路基快速施工技术阶段性研究报告

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2020年5月29日
文档仅供参考

高寒多风沙地区公路路基快速施工技术

阶段性研究报告

计划研究周期: .03- .11
项目主持单位:三公司
项目承担单位:三公司
报告提交时间: 12月

目 录
第一篇 工作报告 1
1 项目背景 1
2 组织实施方法 2
3 主要研究阶段 3
4 主要研究成果和创新点 4
4.1 主要科研成果 4
4.2 主要创新点 4
5 成果应用情况 4
5.1 经济效益 4
5.2 社会效益 5
5.3 环境效益 5
5.4 推广应用前景 5
6 存在的问题及改进措施 6
6.1 存在的问题 6
6.2 改进措施 6
6.3 下一步计划 6
第二篇 研究报告 8
1 工程概况 8
1.1 主要工程数量 8
1.2 技术标准 8
1.3 地质资料 9
1.4 设计概述 11
1.5 主要施工方法 11
1.6 工程技术难点 11
2 项目研究的主要内容 12
3 国内外现状 12
4 主要研究成果 13
4.1 土样的物理力学特性分析 13
4.2 土的干压实试验 21
4.3 现场快速施工碾压控制 28
5 技术创新性 35
参考文献 36

第一篇 工作报告
1 项目背景
本项目为规划G303线的一段,规划的G303线起点为吉林省通化集安,终点为内蒙古自治区锡林郭勒盟阿巴嘎旗,是内蒙古自治区中东部地区连接东北经济区的一条重要通道。本项目为国道303线(原省道101线)别力古台到锡林浩特段公路工程BXSJ-1标,全长103.5公里,我分部施工管段共51.6公里(K504+400-K556+000段)。
本项目是<国家公路网规划( ~2030年)>中60条东西横线中G303线的一段。是<内蒙古自治区普通国省干线布局方案>8337中的组成部分,同时也是锡林郭勒盟”8761”干线公路路网布局规划中”横3”的主要组成部分,因此,本项目的实施建设对于完善区域路网结构,对沿线地区的经济发展将起到良好的促进作用。

项目地理位置图
近年来,随着国民经济水平和生活水平的提高,公路建设要求也在逐渐提高。路基建设作为重中之重,为了最大限度地降低施工对既有路交通造成的干扰,就势必要采取快速施工技术。
本标段工程点多线长,结构各异,自然条件复杂,工程线路长,工作量大,工作内容复杂多样,且项目所处地区自然条件复杂,冬期时间长、工期紧、有效施工工期短,交叉工程包含的专业施工项目较多,施工安全风险高;施工环境差,条件艰苦,干旱少雨,风大沙多,冬寒夏热,气候条件恶劣,大风与沙尘暴、干旱、霜冻、寒潮等气象灾害频发。对施工效率及施工组织有较大影响。这就体现了”高寒多风沙恶劣环境公路路基快速施工技术研究”的必要性。
原设计方案采用路基湿压实技术,是在最佳含水量下进行压实,而对于内蒙古地区,风大沙多,昼夜温差大,气候干燥少雨。这些独特的气候条件引起的水资源的匮乏问题直接导致路基湿压实工作进展缓慢,且耗水量增大,造成了巨大的经济浪费。
为避免经济损失,加快施工进度,且保证路基压实度合格,采用填筑碎石土干压实技术对本项目路基进行施工。干压实是指在含水量较低的情况下对路基填料进行压实,此施工方法可加快路基施工速度,缩短工期,并达到较好的压实效果,取得良好的经济效益。
2 组织实施方法
本课题的研究立足施工,服务施工,以自主研发为主,合作研究为辅,以现代项目组织管理技术对项目的组织实施进行控制,加快项目研究周期。结合工程实际,采用试验研究、参数实验、仿真分析、施工监测、理论指导等研究方法,解决工程实际问题,总结施工经验,创新理论和技术。研究的技术路线见图2-1。
科研项目申请
研究大纲的编制

科研单位、专家技术咨询
关键技术研究细则的编制
开展关键技术的研究与现场服务工作

科学实验与理论研究

高寒多风沙地区公路路基快速施工技术研究

施工技术、设备、材料研 究

促进路基快速施工技术水平、为施工监控提供保障

优化施工工艺、提高施工质量水平、应用和研发新设备与材料
以项目为依托开展

指导、优化施工及控制技术
指导项目开展
修订细则
前期调研、技术储备

图2-1 研究技术路线图

3 主要研究阶段
1、 3月~ 4月数据收集,方案编制。
2、 5月~ 6月完成土样的物理力学特性。
3、 7月~ 8月完成室内干压实试验研究。
4、 9月~ 11月完成现场快速施工控制研究。
5、 12月~ 1月形成阶段性研究报告一份。
6、 2月~ 11月完成剩余研发任务,进行理论分析成果总结,总结完善高寒多风沙地区公路路基快速施工技术和工法。
4 主要研究成果和创新点
本研究成果以国道303线别力古台至西林浩特段公路(K504+400-K556+000段)为着入点,重点针对高寒多风沙地区公路路基快速施工技术方面开展研究。课题研究中开展了室内干压实试验,经过室内与现场转化,得出高寒多风沙地区公路路基快速施工技术下现场快速施工的碾压控制指标。课题研究成果验证了该技术在高寒多风沙地区的实用性,为同类工程施工提供了实践经验和理论基础。
4.1 主要科研成果
(1)形成高寒多风沙地区公路路基快速施工技术研究报告1份。
(2)形成相关施工技术参考文件1份。
4.2 主要创新点
建立室内干压实试验与现场施工机具的转换关系,得到碎石土填筑干压实的碾压遍数n与压实度K的关系式,并对影响碾压遍数值的3个影响因素(压实度、松铺厚度及压路机吨位)进行分析,从而加快施工效率,缩短施工周期。
5 成果应用情况
5.1 经济效益
国道303线别力古台至西林浩特段公路工程战线长、施工工期紧、风大沙多、昼夜温差大、质量控制难,原设计方案路基填筑压实过程水资源消耗量过大,施工效率低,是施工成本的控制重点。
本工程实施过程中,从进场建点就认真调查现场环境,研究施工图纸,优化了路基填筑压实施工方案,并应用科技研发技术,取得了较好的经济效益。
5.2 社会效益
国道303线(原省道101线)别力古台到锡林浩特段公路工程BXSJ-1标全长103.5公里,我分部施工管段共51.6公里(K504+400-K556+000段)。路基施工过程中对土样的物理力学特性、现场快速施工控制等方面开展研究,加快了路基填筑速度。
本工程的成功实施,深入研究了高寒多风沙地区公路路基快速施工技术的可行性,填补了高寒多风沙气候恶劣地区路基填筑施工技术方面的一项空白,保证了路基压实度,取得了建设、监理单位一致好评,为今后相似地区的路基修建与施工积累了经验,提供了借鉴和参考。
5.3 环境效益
国道303线(原省道101线)别力古台到锡林浩特段公路工程路基填筑优化了施工方案,采用填筑碎石土干压实方法施工,节约了水资源;并及时对施工便道进行洒水,降低了颗粒污染物、噪声污染,施工环境达到了国家环保要求。
5.4 推广应用前景
近年来,随着城市及乡村建设的发展,公路建设要求也在逐渐提高。路基建设作为重中之重,其压实效果直接决定公路的施工质量。但本项目地区高寒多风沙,昼夜温差大,气候恶劣。这些独特的气候条件引起的水资源匮乏问题直接导致路基压实工作进展缓慢且花销巨大。
针对上述问题,本课题试利用高寒多风沙地区公路路基快速施工技术对该地区进行施工,开展了一系列相关的试验和理论研究,采用碎石土代替一般路基填料,无需洒水直接进行干压实,解决了水资源匮乏的问题,减少了陈本,对类似的工程建设具有重要的指导和借鉴意义,推广应用的前景广阔。
6 存在的问题及改进措施
6.1 存在的问题
在中国很多气候干旱地区,基快速施工技术的实现会大大减少路基压实的用水量,提高路基压实质量,从而带来较大经济效益。但本课题的研究对象是依托工程沿线的碎石土样,由于采样少,土质特殊,得到的试验结论只能针对本项目路基施工,对于高寒多风沙地区公路路基快速施工技术的推广问题还需要很多地区的数据支持。
6.2 改进措施
建议联系其它类似气候施工项目,进行高寒多风沙地区公路路基快速施工技术的联合试验,结合多地区数据进行分析,从而使得此技术得以推广。
6.3 下一步计划
（1） 本文只针对常见的单钢轮振动压路机提出了碾压遍数计算公式,对于其它型号的压路机,公式是否适用仍需要进一步研究。
（2） 本文提出了压实度与碾压次数的关系式,分析了压实度、松铺厚度、压路机吨位与碾压次数之间的关系。然而针对碾压次数和优化分析需要结合具体的现场施工进行选择,对于现场振动碾压方案的制定和优化仍需要进一步研究。

第二篇 研究报告
1 工程概况
本项目为国道303线(原省道101线)别力古台至锡林浩特段公路工程BXSG-1标段。中铁三局三公司承担本项目第一施工管理分部管段施工任务,管段起讫里程YK504+400～K556+000,全长51.6Km,项目行政区全部位于锡盟阿巴嘎旗境内,旗政府所在地别力古台镇位于管段中部。
项目业主为国道303线别力古台至锡林浩特段公路建设项目管理办公室,设计单位为中交路桥技术有限公司,监理总监办为锡林郭勒盟协力交通监理有限公司,驻地办监理为内蒙古通辽市环宇公路监理咨询有限责任公司。
1.1 主要工程数量
我分部路基土石方主要工程数量包括土石方367.2万m³,其中挖方72.5万m³(挖土方49.8万m³,挖石方16.3万m³,挖除非适用材料5.7万m³,其它挖方0.6万m³),填方294.7万m³(换填土32.9万立方,利用土方10.4万m³,利用石方13.5万m³,借土填方152.8万m³,借石填方74.4万m³,其它填方10.6万m³)。
1.2 技术标准
本标段采用双向四车道一级公路标准建设,设计车速100公里/小时。整体式路基宽度26米,分离式路基宽度13米;整体式路基段利用旧路加宽至26米,形成整体式全幅路基,分离式断面利用旧路作为一幅,旧路路基宽度不变(12米),新建一幅路基宽度为13米。桥涵设计汽车荷载:新建采用公路-I级, 利用旧路维持汽-超20,挂-120。主要技术指标详见下表:

主要技术指标表
序号
项目
单位
技术指标
1
公路等级

一级公路
2
设计速度
公里/小时
100
3
车道数

4
4
路基宽度
米
分离式:2×13
整体式路基:26
5
停车视距
米
160
6
平曲线最小半径(一般/极限)
米
700/400
7
不设超高圆曲线最小半径
米
4000
8
最大纵坡
%
4
9
最小坡长
米
250
10
竖曲线最小半径
凸型(一般/极限)
米
1000/6500
凹型(一般/极限)
米
4500/3000
11
桥涵设计荷载

公路-I级
12
设计洪水频率
特大桥/大中桥

1/300/1/100
其它桥涵、路基

1/100

1.3 地质资料
1.3.1区域构造
本区位于华北地台北缘,内蒙中部地槽褶皱系爱力格庙—锡林浩特中间地块。区域构造以NEE向为主。
由于第三纪末期地壳活动的加强,南部阴山区剧烈上升,在高原地区内沉积了粗颗粒的砂砾沉积物。垂直老构造线的NNW-SSE向的构造带也已形成,该构造带东侧地壳相对下降,而西侧相对上升,同时沿该软弱带有玄武岩的喷发。该次喷发一直延续到第四纪的更新世时期,形成本区大面积玄武岩覆盖层。
勘察区构造具有复杂而多样的构造形态,断裂活动具有多期性和继承性,并对地层沉积起了一定的控制作用。但在地质短期内趋于稳定,勘察区发育的构造体系基本已定型,当前处于稳定状态,本项目受地质构造影响较小。
本项目公路自然区划为内蒙草原中干区Ⅵ区。沿线总体地势地势由西南向东北倾斜,地形呈波状起伏,地貌类型分为高原台地、熔岩台地及台间洼地。
1.3.2 水文地质
本区地处内蒙古高原东部水文地质区与大兴安岭西缘山地水文地质区的过渡部位。区内为高原低山丘陵区,属半干旱-半湿润气候区,总体上,本区属地下水相对贫乏的地区。全区水文地质条件严格受自然条件和地质构造的控制。根据地下水的形成,全区主要可分为:中低山丘陵基岩风化裂隙水、高原台地孔隙潜水,熔岩高台地玄武岩裂隙水。
勘察区主要为高原台地裂隙水、孔隙潜水及熔岩高台地玄武岩裂隙水。
总体来讲,沿线地表水来源主要是大气降水,路线小型宽缓河谷比较发育,但多干枯,除季节性洪水外,几乎无较大地表水体。局部地势低洼的洼地地段,有浅水滞留,对工程有一定影响,表现为道路春融期易翻浆。
1.3.3 地震动参数区划分
根据<中国地震动参数区划图>(GB18306- ),项目区的场地地震动峰值加速度＜0.05g,特征周期T=0.35s,相应的场地地震基本烈度＜Ⅵ度。历史记录地震活动较弱。本区地震活动较弱,场地土多为中硬土,场地类别II类,属于建筑抗震有利地段。
1.3.4 最大冻土深度及最大积雪深度
本项目区属北温带干旱半干旱大陆性气候,气候的主要特点是春季干燥少雨、多风沙,夏季短暂而降雨集中,秋季霜早易冻,冬季漫长而寒冷。路线所经地区最大冻土深度2.61米,冬季最大积雪深度21厘米。
1.4 设计概述
本改建工程充分利用原道路横断面,尽可能利用现有的路面结构层,保留和利用现有的边坡及边坡防护,尽量采用单侧加宽的方案。利用旧路过渡段尽量维持现有的横断面不变。
分离式路基:路基宽度13m,断面组成:土路肩0.75m+硬路肩3.0m+行车道3.75m×2+硬路肩1.0m+土路肩0.75m。
新建整体式路基:路基宽度26m,断面组成:土路肩0.75m+硬路肩3.0m+行车道3.75m+路缘带0.75m+中央分隔带2.0m+路缘带0.75m+行车道3.75m +硬路肩3.0m+土路肩0.75m。
新建路基路拱横坡为1.5%,土路肩横坡1.5%。
1.5 主要施工方法
路基填筑应采用水平分层填筑法施工,即按照横断面全宽分成水平层次逐层向上填筑。如原地面不平,应由最低处分层填起,每填一层,经过压实检验符合规定要求之后,再填上一层。
路基填筑,必须根据设计断面,分层填筑、逐层压实,分层的最大松铺厚度不应超过30cm,填筑至路床顶面最后一层的最小压实厚度,不应小于10cm。
按照移挖作填的土石方调配方案,以”三阶段(准备阶段、施工阶段、验收阶段)、四区段(填铺区、整平区、碾压区、检测区)、八流程(施工准备、施工放线、基底处理、填土、整平、碾压、检测、边坡整形)”作业法组织施工,全断面水平分层填筑,重型振动压路机分层碾压密实,人工配合修整边坡。
1.6 工程技术难点
内蒙当地要求基底压实系数0.92,高于公路路基检测评定标准压实系数0.90,施工工艺过程中投入的机械设备比常规下的机械设备要多。气候干燥少雨,风大沙多,路线长、工期紧。
2 项目研究的主要内容
1、高寒多风沙地区公路路基快速施工技术施工原理、施工工艺和注意事项;
2、土样的物理力学特性研究;
3、土样的室内干压实试验研究;
4、现场快速施工控制研究。
3 国内外现状
随着科学技术的日新月异,特别是计算机技术的迅猛发展,给交通行业带来了新的发展机会,科技在交通行业的应用,促进了交通行业的稳步、快速发展。比如GPS全球定位系统在交通行业的应用,大大的减少了工程勘测的难度,也极大地提高了工程进度。计算机技术的发展,给交通行业提供了许多软件,例如CAD、各种概预算软件等,提高了工作的效率,节约了大量的时间成本和经济成本。
快速施工已经在水利水电工程得到较好的应用,特别是在土石坝填筑施工中。如小浪底大坝,坝体总填筑量约5185万m³,如不采取快速有效的填筑施工措施。维持在每月20~30万m³的水平,则建设工期将长达172~260个月,这是任何业主都无法承受的。而实际上,小浪底大坝实际平均填筑速度约150万m³/月,最高速度达到200万m³/月以上,有效缩短了建设工期,确保了施工的顺利进行。
快速施工技术在美国、欧洲已经开始得到了较为系统的研究,美国印第安那州进行印第安那州旧路改建中采用一个设计单位、一个施工单位,或设计施工总承包模式,并在施工中经过动态信息管理、发布系统,让过往车辆及时了解路况,选择形式路线,以保持公路通行畅通,最终将5~8年的工期成功缩短为了3年。
在不中断交通和确保施工安全的情况下,公路改扩建在中国还是一个全新的课题。施工区的交通组织方面,主要有交通部颁发的<公路养护技术规范(JTG H10- )>以及各省及所属地方部门制定的施工路段管理办法。另外,<公路交通标志和标线设置规范(JTG D82- )>也对施工区安全标志的设置作了相应的规定,并给出了部门施工情形下的施工交通组织方案。可是该部分内容基本上沿袭了原有的标志系统,交通组织方案也主要参考国外的标准制定的。另外,美国的MUTCD(Maual on Uniform Traffic Control Devices for streets and highway, Ed)和HCM(Highway Capacity Manual)则分别对公路施工区的交通组织和通行能力进行了集成研究。
综上所述,高寒多风沙地区公路路基快速施工技术在中国还是一个刚刚开始的新方法,既有路改扩建施工建设在施工管理与施工控制、交通组织这些方面尚未进行过系统的研究,当然也没有成熟的经验可循。因此,对高寒多风沙地区公路路基快速施工技术进行研究,具有非常重要的现实意义和前瞻性。
4 主要研究成果
4.1 土样的物理力学特性分析
4.1.1土样颗粒组成
根据<公路工程试验规程>(JTG E40- )中的筛分法对K517+300土场的3组土样进行对比试验研究,颗粒组成筛分结果如表4.1.1所示。

表4.1.1.1颗粒组成筛分结果
筛孔孔径
不同粒径(mm)经过率(%)
mm
土样1
土样2
土样3
60
100
100
95.84
40
100
100
92.75
20
72.03
90.83
66.22
10
43.61
61.71
38.83
5
32.14
43.77
28.03
2
15.1
24.9
12.6
1
12.63
20.65
10.06
0.5
9.27
11.58
7.66
0.25
6.54
3.19
5.49
0.075
4.64
0.18
3

筛分过程见下图:

图4.1.1.1土样筛分试验
中国公路用土依据土的颗粒组成特性,土的塑性指标和土中有机质存在情况,分为巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊土四类,其中巨粒土和粗粒土是按照颗粒组成划分的。而碎石土是指粒径大于2mm的颗粒质量超过全重的 50% 的土,根据颗粒形状以及大小,由大到小,包括:漂石、块石、卵石、碎石、圆砾、角砾。根据上表中3组土样的颗粒组成筛分结果可知,土样1的砾粒组质量占全重的84.9%,土样2的砾粒组质量占全重的75.1%,土样3的砾粒组质量占全重的87.4%,占全重比例均超过50%,故以上3种土样均为碎石土。对表4.1.1.1的筛分结果进行粒径级配累计曲线绘制,见图4.1.1.2。

根据粒径组成筛分结果及粒径级配累计曲线可见,土样1、2、3的三组颗粒组成的曲线变化趋势一致,均未缺失某个中间粒组。土样1、3的土粒粒径在0.075mm~0.5mm范围内的每组粒径经过率接近,最大差值只有1.64%;土样1、2的土粒粒径在40mm~60mm范围内的每组粒径经过一致,均为100%,说明土样1、2土粒粒径均在40mm之内。而土样3与土样1、2的最大差别在于土样3中粒径大于40mm的土粒占7.25%。
土的粒径级配累计曲线是土工上最常见的曲线,从曲线能够直接了解土的粗细、粒径分部的均匀程度和级配的优势。其中不均匀系数反映土的颗粒均匀程度,曲线系数是反映土的粒径级配累计曲线的斜率是否连续的指标系数。根据这两个参数值能够对土样级配的优劣性能进行评价,故对土样的不均匀系数和曲率系数进行计算,公式如下。其计算结果如下表4.1.1.2所示:
Cu=d60/d10 (4-1)
Cc=d302/(d10*d60) (4-2)
以上两式中:Cu—不均匀系数,Cc—曲率系数,d10—过筛重量占10%的粒径,d30—过筛重量占30%的粒径,d60—过筛重量占60%的粒径。
表4.1.1.2土的不均匀系数与曲率系数
土样编号
不均匀系数Cu
曲率系数Cc
1
29.2
2.3
2
21.2
1.73
3
20.6
2.26

由土样的颗粒组成得出3种土样均为碎石土,根据<公路土工试验规程>(JTG E40- )可知:不均匀系数Cu反映粒径曲线坡度的陡缓,表明土粒大小的不均匀程度,是反映土粒组成不均匀程度的参数。工程上常把Cu≤5的土称为匀粒土;反之Cu>5的土则称为非匀粒土。曲率系数Cc反映粒径分布曲线的整体形状及细粒含量。Cc<1.0的土往往级配不连续,细粒含量大于30％;Cc>3的土也是不连续,细粒含量小于30％;故Cc＝1~3时土粒大小级配的连续性较好。因此,在工程中,对粗粒土级配是否良好的判定规定如下:
良好级配的材料:一般来说,多数累积曲线呈凹面朝上的形式,坡度较缓,粒径级配连续,粒径曲线分布范围表现为平滑。同时满足Cu>5及Cc＝1～3的条件。
不良级配的材料:这类材料颗粒较均匀,曲线陡,分布范围狭窄。不能同时满足Cu >5及Cc＝1～3的条件。
对3种土样进行分析,根据筛分结果以及不均匀系数、曲率系数的计算结果对其进行分类:
土样1、2、3的不均匀系数Cu均大于5,曲率系数Cc均在1～3范围内,均属于级配良好碎石土。
4.1.2 含水率
现场采集的土样使用塑料袋包装,用细绳进行绑扎封装,并确保与外部环境隔离。回到试验室以后迅速进行含水率测定,此含水率称为天然含水率w。而将风干状态下土中所含水分的质量与固体土颗粒质量的比值称为风干含水率w’。参考大量文献可知,采用天然含水率可达到较好的压实效果,故本课题中的室内试验均采用天然含水率w这个指标来进行研究。根据<公路土工试验规程>(JTG E40- )中的烘干法测量3种土样的天然含水率,和最佳含水率对比如下表4.1.2.1:
表4.1.2.1 土样的含水率
土样编号
天然含水率w/(%)
最佳含水率/(%)
1
4.7
5.2
2
4.4
6.2
3
3.8
5.1

试验过程见下图:

图4.1.2.1天然含水率试验(1)

图4.1.2.2天然含水率试验(2)

根据含水率的测定结果得出,土样1、2、3的天然含水率值和最佳含水率值接近。其中土样1的天然含水率和最佳含水率最为接近,相差值为0.5%。
4.1.3 天然稠度
根据<公路土工试验规程>(JTG E40- )规定的液限和塑限联合测定法,取过0.5mm筛的碎石土样分别配置不同的含水率下的试验,使用SYS数显液塑限测定仪来测定土样的液限wL、塑限wp、并计算天然稠度wc,试验仪器见下图:

图4.1.3.1 SYS数显液塑限测定仪
稠度wc定义为土的含水率w与土的液限wL之差与土的塑限wp和和液限wL之差的比值,即:wc=(wL-w)/(wL-wp),较准确的反映了土的各种形态与湿度的关系,稠度指标综合土的塑性特征,包含液限与塑限,全面直观地反映土的软硬程度。稠度指标是路基干湿类型的划分标准。
对3种土样进行液塑限联合测定试验,分别得到土样1、2、3的圆锥入土深度h及相对应的含水率w,绘制h-w图,求得液限wL和塑限wp。锥入深度和含水率关系见图4.1.3.2。

采用100g锥做试验,可在上图中纵坐标入土深度h=2m、20m所对应的横坐标的含水率w,即为该土样的塑限wp和液限wL。并根据上述公式对3种土样的天然稠度wc进行计算,结果如下表。
表4.1.3.1 土样的天然稠度
土样编号
天然含水率w/(%)
液限wL/(%)
塑限wp/(%)
天然稠度wc/(%)
1
4.7
24
20
4.8
2
4.4
25
19
3.4
3
3.8
24
19
4.0

根据<公路自然区划标准>(JTJ 003-86)中的全国公路自然区划图可知,阿巴嘎旗属于内蒙草原中干区Ⅵ1区,查阅各自然区划土基干湿分解稠度表,其中Ⅵ1区土质干燥状态路基的下限稠度wc0=2,对比3组土样的天然稠度值可知,该取土场(K517+300)处于干燥状态。
4.2 土的干压实试验
4.2.1 室内标准击实试验
1） 击实试验类别选取
<公路土工试验规程>(JTG E40- )中的击实试验方法种类有四种,详细参数见表4.2.1.1。
表4.2.1.1 击实试验方法种类
试验方法
类别
锤底直径
锤质量
落高
试筒尺寸
试样尺寸
层数
每层击实
击实功
最大粒径
内径
高
高度
体积
cm
kg
cm
cm
cm
cm
cm³
次
KJ/m³
mm
轻型
I-1
5
2.5
30
10
12.7
12.7
997
3
27
598.2
20
I-2
5
2.5
30
15.2
17
12
2177
3
59
598.2
40
重型
II-1
5
4.5
45
10
12.7
12.7
997
5
27
2687
20
II-2
5
4.5
45
15.2
17
12
2177
3
98
2677.2
40

当土中最大颗粒粒径大于或等于40mm,且大于或等于40mm颗粒粒径的质量含量大于5%时,则应使用大尺寸试筒进行击实试验,或按5.4条进行最大密度校正。大尺寸试筒要求其最小尺寸大于土样中最大颗粒粒径的5倍以上,而且击实试验的分层厚度应大于土样中最大颗粒粒径的3倍以上。单位体积击实功能控制在2677.2~2687.0kJ/m3范围内。
对于高速公路和一级公路而言,路基压实的标准高,而内蒙当地要求基底压实系数0.92,高于公路路基检测评定标准压实系数0.90,故路基的室内击实试验均采用重型击实试验,即采用4.5kg的击锤(落高45cm)。根据土样的筛分试验可知土样1、2的最大粒径为40mm,而土样3的最大粒径为60mm,故土样1、2采用重型II-2类别进行击实试验,土样3按规范要求使用大尺寸试筒进行击实试验。
2） 土样标准击实曲线
采用上述的试验类别分别对土样1、2、3进行标准重型击实试验,得到对应的含水率w与干密度ρd的值,结果见表4.2.1.2,并建立3种土样的标准击实曲线如图4.2.1.1所示。
表4.2.1.2 土样的标准击实试验结果
土样1
含水率w/(%)
2.2
3.5
5.4
7.1
9.3
干密度ρd/(g/cm³)
2.07
2.2
2.27
2.19
2.08
土样2
含水率w/(%)
2.6
4.8
6.1
8.2
10.8
干密度ρd/(g/cm³)
2.08
2.17
2.23
2.16
2.07
土样3
含水率w/(%)
1.8
3.2
5.2
7.2
9.4
干密度ρd/(g/cm³)
2.12
2.16
2.26
2.15
2.09

试验过程见下图:

图4.2.1.2 土样的标准击实试验
对试验结果进行分析能够看出,土样1、2、3的击实曲线均为有明显峰值的凸型完整曲线,说明这3种土样有类似的特性,具有干压实和湿压实双重特点。针对本项目地区干旱少雨的气候特征,干压实技术从根本上解决了水资源匮乏给路基压实带来的困难,而这3种土样的击实特性也为干压实技术的实现提供了理论依据。
4.2.2 室内干压实试验及结果分析
1） 室内干压实试验方案
为了提高土样的击实效果,获得更大的压实度,本课题引入击实功参数来制定试验方案。击实功是影响击实效果的重要因素之一,而最大干密度随击实功的增大而增大,故试验采取改变击实功的大小来得出最大干密度。击实功与击实筒的尺寸、锤重、落高、分层制样的层数和每层锤击数等技术参数有关,单位体积击实功的表示式如下:
Ec=10We*H*Nb*Ne/V (4-2-2-1)
式中:Ec—单位体积击实功(KJ/m³)
We—击锤重量(N),We=锤重(kg)*重力加速度(N/kg)
H—击锤落高(cm)
Nb—每层土的击数
Ne—土层数
V—击实筒体积(cm³)
单位击实功表示式中的技术参数会影响击实功的大小,本课题室内干压实试验采用改变Nb(每层土的击数)的方式来改变击实功的大小。
试验方案:试验采用天然碎石土样进行干压实试验,采用重型II-2类别进行击实试验,击实层数为3层,大筒,每层土的击数Nb以10次为递增次数从20次依次增加,其它技术参数保持不变。
2） 室内干压实试验结果及分析
（1） 试验结果

土样1

土样2

土样3
图4.2.2.1土样每层土的击数—密度关系图
试验采用3组平行式样来进行击实,得到土样每层土的击数Nb与密度ρ的关系。逐渐增加每层土的击数Nb,直至土样密度恒定不变或者出现极大值时试验终止。
根据结果可知,图4.2.2.1中土样1每层土的击数达到110次后,增加每层土的击数对土样密度的增加不起作用,试验终止;土样2在20~90次内随着每层土击数的增大,土的密度也随之增大,当每层土的击数超过90次以后,土样的密度不再有变化,且趋于稳定值,试验终止;土样3中,当每层土的击数为25次时,土样的密度出现极大值,之后曲线下降,故在35次时试验终止。
土样1、2的密度随着击实功的增大而增大,并达到一恒定值,其中土样1的密度增长幅度小,土样2的增长幅度大;土样3的密度增长幅度小,先随着击实功的增大而增大,出现极大值后,曲线又有所下降。
（2） 击实功-密度关系曲线建立
3种土样采取的重型击实方法不同,故不能同时建立3个土样密度ρ与每层土的击数Nb的关系。因此,结合公式(4-2-2-1)将每层土的击数Nb装化为单位体积击实功Ec,从而建立击实功Ec与密度ρ的关系式,并比较3中土样达到最大干密度ρmax所需用的能量大小。
根据公式(4-2-2-1)计算出3中土样的击实功值Ec,并将对应的平均密度值(3组平行式样的平均值)列在下表中。
表4.2.2.1 土样1、2击实试验
每层土的击数
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
击实功(KJ/m³)
547
820
1094
1367
1641
1914
2188
2461
2735
3008
3282
3555
土样1密度(kg/m³)
1950
2020
2060
2090
2120
2140
2140
2150
2160
2180
2170
2180
土样2密度(kg/m³)
1820
1900
1960
2050
2080
2110
2130
2150
2140
2140
/
/

表4.2.2.2 土样3击实试验
每层土的击数
5
10
15
20
25
30
35
击实功(KJ/m³)
498
995
1493
1991
2488
2986
3483
土样3密度 (kg/m³)
1940

2030
2040
2070
2040
2030

利用表4.2.2.1、表4.2.2.2所列出的4中土样的各参数值,绘制出击实功—密度关系曲线,并对3种土样的值进行拟合,所得结果见下图。

图4.2.2.2 土样击实功—密度关系曲线
对土样1、2、3进行趋势线拟合,当拟合为二阶多项式(二次线性)时,相关系数均达到0.95以上,拟合度高。拟合公式如下式:
土样1:ρ1= -3*10-5Ec2+0.1994Ec+1870.2(R2=0.9746) (4-2-2-2)
土样2:ρ2= -8*10-5Ec2+0.4108Ec+1618.1(R2=0.9946) (4-2-2-3)
土样3:ρ3= -3*10-5Ec2+0.1447Ec+1878.6(R2=0.9588) (4-2-2-4)
其中3种土样达到最大干密度ρmax时所对应的击实功Ec分别为3008.2KJ/m³、2461.3KJ/m³、2488.1KJ/m³。可知土样1所用击实功率最大,土样2、3所需的击实功取值接近,均比土样1减少17%左右。
（3） 试验结果分析
针对3组土样的试验结果,可得以下结论:
对于土样1、2而言,在一定的范围内土的密度随着每层土的击数(击实功)的增大而增大。超过范围后,土样的密度趋于一恒定值,不再随着击实次数的增大而变化。
土样3较特殊,密度先随着每层土击数的增大二增大,达到最大值后有一定幅度的下降,呈现”橡皮现象”。
4.3 现场快速施工碾压控制
4.3.1 室内试验与现场快速施工参数关系建立
1、 施工机具振动击实能量与室内干压实试验击实功转换
单钢轮振动压路机振动压实能量可根已下公式计算:

(4-3-1-1)
式中:E—振动压实能量(KJ/m³)
η—碾压时的重叠宽度系数,取1.25
Fo—激振力(KN)
Wz—震动轮部分的重量(KN)
Ao—理论振幅(m)
f—振动频率(Hz)
v—行驶速度(m/s),取v=0.56m/s
B—振动轮宽度(m)
h—每层松铺厚度(m)
n—碾压遍数
Kp—振动作用力的作用系数,Kp=1.7-Fo/10Wz
计算时忽略能量损失,假定室内试验击实功Ec=震动压路机振动压实能量E。
2、 压实度
压实度K是指工地上实际达到的干密度ρ(现场)与室内标准击实试验所得最大干密度ρmax的比值,计算公式如下:
K=ρ(现场)/ρmax (4-3-1-2)
在实际施工中,由于不同层位土的压实度标准不同,可根据室内最大干密度ρmax及相应的压实度K对实际干密度ρ(现场)进行计算。
3、 碾压遍数公式的建立
由公式(4-3-1-1)可知,现场施工机具在工作时主要的可变参数为碾压遍数n与每层松铺厚度h,根据<公路路基施工技术规范>(JTG F10- )中对松铺厚度的规定,本课题选取松铺厚度范围为0.3~0.5m,以0.02