黄泛区高液限粘土路堤填筑控制指标确定方法及碾压工艺

摘要

本发明公开了一种黄泛区高液限粘土路堤填筑控制指标确定方法及碾压工艺，基于黄泛区高液限粘土的物理力学性能，提出经济高效的土体含水率和压实度控制指标：填筑路堤区的目标含水率范围为[最优含水率Wopt‑2％，最优含水率Wopt+6％]，压实度不低于88％；为达到该控制指标，合理有序地组织路基填土的取土及晾晒，并采用适于粘土路基的光轮压路机静压1遍—凸轮压路机强振4遍—胶轮压路机收面1遍的碾压工艺，显著改善路基压实质量，提升路基压实强度，解决高液限粘土路基施工碾压困难、填土指标不明确的问题。该方法经济、快速且压实效果显著在高液限粘土路基填筑具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及高液限粘土路基填筑技术领域，尤其涉及一种可应用于黄泛区高液限粘土路堤填筑过程中的填料目标含水率和压实度的确定方法和施工工艺。

背景技术

经黄河长距离搬运而形成的中下游黄泛区湖淤积高液限粘土，广泛分布于山东鲁西北和鲁西南地区，主要由粉粒和粘粒组成，基本不存在粗粒土。其中，粉粒含量最高，占65.5～72.2％；粘粒含量次之，占22～36.3％。粉粒含量介于黄泛区粉土和南方高液限粘土之间，尽管该类土的粉粒占绝大部分，但土体的塑性表现出粘土的特性：液限45～60％，塑限22～36％，塑性指数23.5～26.4。按照细粒土分类的塑性图，位于A线以上，介于B线附近，绝大部分土样液限高于 50％，从最不利角度看，土体属于高液限粘土的范围。但是，与一般高液限粘土相比，该类土的粉粒含量明显偏高，导致其液塑限均偏低；而且，经电镜微观结构扫描发现山东黄泛区的粉粒颗粒不具备粉土常见的片状或针状结构，未见明显的棱角，颗粒的磨圆度更高，这主要是由于经黄河水流的长时间浸泡、颗粒撞击和水流冲刷作用，颗粒表层破碎、剥落严重，粉粒颗粒之间未形成相互错嵌的结构。由于粉粒含量较高，毛细孔隙发达，具有易吸湿性，遇水敏感；小于0.002mm 的粘粒含量高于22％，与水作用的界面效应强，表现出高的粘滞力和保水性。因此，较高含量的磨圆粉粒及粘粒组成，决定了山东黄泛区高液限粘土特有的强度和变形特性。

我国《公路路基设计规范》规定：液限大于50％、塑性指数大于26的高液限土不能直接用于路基填筑。在地势平坦的鲁西北和鲁西南平原区，其它填土的取土资源非常匮乏，若弃之不用，将造成巨大的经济损失和环境问题。目前，高液限粘土路基施工中最关键的两个问题为：(1)填料含水率和压实度控制指标； (2)路基现场碾压工艺。交通部公路科学研究所等针对福建高液限粘土提出以 CBR(California bearing ratio)为强度控制目标，提出当控制含水率范围25～32％(最优含水率为25％)、虚铺厚度20cm、并重型碾压8～10遍时，可以保证压实后路堤的CRB值满足规范要求。河海大学针对广西和广东的高液限粘土，在土体CBR 值满足规范要求的前提下，提出当控制含水率范围不高于最优含水率6％时，经过11遍的重型压路机碾压可以保证压实度达到90％。但是上述的含水率确定方法和相应的碾压工艺仅适用于粘粒含量较高的南方高液限粘土。由于黄泛区高液限粘土的粉粒含量较高，CBR值一般不满足规范要求，因此该含水率的确定方法和相应的碾压工艺不适合黄泛区高液限粘土路基的填筑施工。

发明内容

本发明针对黄泛区路基填筑过程中填料极度匮乏、高液限粘土初始含水率很高且土体性能指标不满足规范规定的填筑要求问题，提出一种黄泛区高液限粘土路堤填土目标含水率和压实度的确定方法及物理碾压工艺，在保证填筑路堤强度、刚度和稳定性的前提下，采用经济高效的土体含水率和压实度控制指标，并采用光轮压路机静压1遍—凸轮压路机强振4遍—胶轮压路机收面1遍的碾压工艺，合理利用黄泛区高液限粘土并解决高液限粘土路基施工碾压困难的问题，大幅降低工程造价。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种黄泛区高液限粘土路堤填筑控制指标确定方法，其特征在于，包括目标含水率和压实度的确定方法，如下：

确定黄泛区高液限粘土的成分，颗粒组成和物理特性应满足：粉粒含量占 65.5％～72.2％，粘粒含量占22％～36.3％，液限45％～60％，塑限22％～36％；

经湿法制备黄泛区高液限粘土土样，按照重型击实试验获得最优含水率W_opt和对应的最大干密度γ_dmax；

确定黄泛区高液限粘土路堤填土含水率的下限值：

《公路路基施工技术规范》中明确规定，路堤压实施工时填料的含水率应控制在最优含水率W_opt±2％范围内，该范围是针对所有类型的填料。本发明针对高液限粘土填料，旨在提出一种能满足高液限粘土路堤的含水量控制范围。由于高液限土的天然含水率普遍比最优含水率高10％以上，通过晾晒的办法很难在短时间内将高液限土的含水率降至最优含水率的±2％范围以内。因此，黄泛区高液限粘土的含水率主要针对上限值进行调整，下限值仍按《公路路基施工技术规范》中的最优含水率W_opt-2％进行确定。

确定黄泛区高液限粘土路堤填土含水率的上限值：根据室内三轴试验获得不同含水率和压实度状态下的体积含水率与静强度比关系曲线，进而划分为高强度的低含水率区、具备一定强度的稳定含水率区和低强度的高含水率区，最后选取稳定含水率区的上限值确定得到；

利用下面的公式确定压实度K：

其中，空气率V_a取6％，G_s为土的比重，w为含水率(％)，γ_dmax为土的最大干密度(g/cm³)。

进一步的，所述填土的目标含水率范围为[最优含水率W_opt-2％，最优含水率>opt+6％]。

进一步的，所述填土压实度不低于88％。

进一步的，所述压实路堤回弹模量不低于30MPa，压缩系数不高于0.2MPa^-1，粘聚力不低于100kPa，静强度比不低于1.0，满足最大填筑高度18m的路基稳定要求。

进一步的，所述的静强度比为主应力差与围压之比的1/2。

进一步的，所述的高强度的低含水率区是指静强度比大于2的含水率区；所述的具备一定强度的稳定含水率区是指静强度比介于1～2之间的含水率区；所述的低强度的高含水率区是指静强度比低于0.5的含水率区。

本发明还提供了一种黄泛区高液限粘土路基的现场物理碾压工艺，采用光轮压路机静压1遍；凸轮压路机强振4遍；胶轮压路机收面1遍的碾压工艺。

进一步的，所述的黄泛区高液限粘土路基的现场物理碾压工艺，其特征在于：具体步骤如下：

步骤1测定填土的初始含水率，若满足目标含水率范围[最优含水率W_opt-2％，最优含水率W_opt+6％]，可直接用于摊铺碾压；若初始含水率超过目标含水率范围，则需要摊铺翻晒至目标含水率范围；

步骤2进行碾压：①进行20吨位光轮压路机静压，往返1遍；②进行20 吨位凸轮压路机振动碾压，往返4遍；③最后用30吨位胶轮压路机封面；

步骤3在每层路基填土碾压结束之后路进行路基压实度检测，压实度检测未达到88％的部分应进行20吨位凸轮压路机补压。

进一步的，所述的黄泛区高液限粘土路基的现场物理碾压工艺中，所述的摊铺厚度为35cm±2cm，先用路拌机进行粉碎处理，保证土料无大型粘块，然后推土机进行整平，保证碾压工作面平整。

进一步的，所述的黄泛区高液限粘土路基的现场物理碾压工艺中，所述的翻晒工序为：①挖掘机进行第一次翻晒、粗平，晾晒2-3天；②挖掘机进行第二次翻晒、粗平，晾晒2-3天；③五铧犁进行翻晒，间隔时间为1天/次，对晾晒后的土料进行含水率检测，检测周期为1次/天；所述的摊铺翻晒时间不包含降雨及气温低于零度的不利气象条件。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过合理有序地组织路基填土的取土及晾晒，对填料含水率和压实度进行经济有效地控制，有利于提高施工效率，缩短工期；采用适于粘土路基的光轮压路机静压1遍—凸轮压路机强振4遍—胶轮压路机收面1遍的施工工艺，可以显著改善路基压实质量，提升路基压实强度。新的一整套高液限路基碾压工艺可大规模推广应用于高液限粘土路基填筑，解决高液限粘土填筑路基难以控制压实效果的问题，具有广阔的应用前景。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1黄泛区高液限粘土的粒径分配曲线；

图2黄泛区高液限粘土击实曲线；

图3黄泛区湖淤积高液限粘土的静强度比与体积含水率的关系；

图4黄泛区高液限粘土压缩系数与含水率的关系。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面将结合实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例背景：德商高速公路夏津至聊城段北起青银高速公路夏津枢纽互通，经德州市夏津县西，聊城临清市东，正线里程为K40+900～K61+800，正线全长 20.9km。其中路桥一标工程设计取土场为西沙河取土场，设计取土140万方，该取土场为黄河冲淤积湖积土，取土场2m以下为典型黄泛区高液限粘土，呈胶凝状，天然含水率在30％～40％之间，不能用于路基的连续性填筑。试验路选取 K49+550—K49+750段，试验段长度为200m。

高液限粘土路基填土含水率控制工艺及物理碾压工艺的具体流程如下：

1、黄泛区高液限粘土用于填筑路堤区的目标含水率范围为[最优含水率>opt-2％，最优含水率W_opt+6％]，压实度不低于88％，经前期大量的室内外试验研究和计算分析，该状态下的压实路堤回弹模量不低于30MPa，压缩系数不高于>-1，粘聚力不低于100kPa，满足最大填筑高度18m的路基稳定要求；

2、1中所述的黄泛区高液限粘土为黄河中下游湖淤积土，颗粒组成和物理特性满足：粉粒含量占65.5％～72.2％，粘粒含量占22％～36.3％，液限45％～60％，塑限22％～36％；

取现场路堤填筑用土进行室内颗粒分析试验，试验结果如下图表所示。

表1黄泛区高液限粘土颗粒组成

黄泛区湖淤积高液限粘土含有少量粉砂，以粉粒为主，有较高的粘粒含量，粘粒与粉粒的含量占90％以上。其中，0.075-0.002mm的粉粒含量为65.5％，小于0.002mm的粘粒含量占28.7％。

取现场路堤填筑用土进行液塑限联合测定试验，测得液限58.1％，塑限 27.1％。

3、1中所述的最优含水率W_opt和对应的最大干密度γ_dmax是经湿法制备的土样按照重型击实试验获得；

由图2所示的击实曲线可知，该土样最优含水率W_opt为16.9％，最大干密度γ_dmax为1.802g·cm^-3。

4、1中所述的目标含水率上限(最优含水率W_opt+6％)是根据室内三轴试验获得不同含水率和压实度状态下的体积含水率与静强度比关系曲线，进而划分为高强度(静强度比大于2)的低含水率区、具备一定强度的稳定含水率区(静强度比介于1～2)和低强度(静强度比低于0.5)的高含水率区，最后选取稳定含水率区的上限值确定得到。

图3所示为黄泛区湖淤积高液限粘土的静强度比与体积含水率的关系，在最佳含水率时静强度比可达4.0以上。随着含水率的增加，其静强度比显著降低，试件接近饱和时，静强度比不再变化。在同一含水率下，随着压实度的增加，静强度比呈增大趋势。总体来说，含水率对静强度比的影响大于压实度的影响。由于土体的应力-应变关系与土体含水率和压实度密切相关。根据含水率的不同，可以将静强度比随体积含水率的变化分为三个典型区域：(1)高强度的低含水率区域，含水率介于最优含水率17％附近，由于压实度的提高，土体强度随体积含水率的提高而迅速增加，并达到极值；(2)具备一定强度的稳定含水率区域，此时含水率增加至20％～23％，土体强度由低含水率的极值急剧降低，尽管在此含水率范围内，压实度的增大会引起土体强度的提高，但增幅已经不大，土体强度随体积含水率的增加不会出现急剧的增加或减小，而是处于一个稳定的波动区域内；(3)低强度的高含水率区域，含水率进一步提高至26％～29％时，土体强度进一步降低为饱和土强度，虽然土体强度随体积含水率的提高波动不大，但土体强度过低。由此可知，根据室内三轴试验确定的具备一定强度的稳定含水率区域的上限值为23％，高于最优含水率6个百分点，进而确定目标含水率上限为最优含水率W_opt+6％。

5、1中所述的压实度K的下限值根据以下公式(1)确定，

其中空气率Va取6％；Gs为土的比重，取2.72，w为含水率(％)，填土经晾晒后碾压前的检测结果为23％，γ_dmax为土的最大干密度(g/cm³)，由击实试验结果可知1.802g·cm^-3。将以上数据代入上述公式，可得压实度为87.3％，取目标压实度K＝88％。

表2室内回弹模量值

表2所示为黄泛区高液限粘土回弹模量与含水率的关系，当含水率23％，压实度85％时，土体压缩模量为29.1MPa，压实度90％土体压缩系数115.1MPa，可见，选择K＝88％为目标压实度时，土体的压缩系数不低于30MPa。

图4所示为黄泛区高液限粘土压缩系数与含水率的关系，当含水率23％，压实度85％时，土体压缩系数0.18MPa^-1，压实度90％土体压缩系数0.16MPa^-1，可见，选择K＝88％为目标压实度时，土体的压缩系数不高于0.2MPa^-1。

其中，黄泛区高液限粘土粘聚力与体积含水率的关系，当处于稳定含水率 20～23％，压实度88％及以上时，土体粘聚力不低于100kPa，如按照填筑路基的稳定系数不低于1.3计算，运行的路基填高可达到18m。

为实现1中的目标含水率和压实度，提出黄泛区高液限粘土路基的现场物理碾压工艺，采用光轮压路机静压1遍—凸轮压路机强振4遍—胶轮压路机收面1 遍的碾压工艺，包括以下步骤：

1、测定填土的初始含水率，若满足目标含水率范围[最优含水率W_opt-2％，最优含水率W_opt+6％]，可直接用于摊铺碾压；若初始含水率超过目标含水率范围，则需要摊铺翻晒；

2、1中所述的摊铺厚度为35cm±2cm，路拌机进行粉碎处理，保证土料无大型粘块，然后推土机进行整平，保证碾压工作面平整；

3、1中所述的翻晒工序为：1)挖掘机进行第一次翻晒、粗平，晾晒2-3天； 2)挖掘机进行第二次翻晒、粗平，晾晒2-3天；3)五铧犁进行翻晒，间隔时间为1天/次，对晾晒后的土料进行含水率检测，检测周期为1次/天；

4、1中所述的摊铺翻晒时间不包含降雨及气温低于零度的不利气象条件；

5、摊铺翻晒后的碾压工序为：1)进行20吨位光轮压路机静压，往返1遍； 2)进行20吨位凸轮压路机振动碾压，往返4遍；3)最后用30吨位胶轮压路机封面；

6、路基压实度检测应在每层路基填土碾压结束之后，压实度检测未达到88％的部分应进行20吨位凸轮压路机补压；

7、路基压实度检测：本标段依据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中 T 0111-1993灌砂法进行压实度检测。为得到每次碾压后路基土体的压实度变化规律，每碾压一遍后检测相同点位处的压实度，检测结果汇总如下。

表压实度与碾压遍数关系

经检测结果可知，当采用上述碾压工艺时，土体压实度可达92％以上。凸轮压路机可以刺破路基土体，使得土中气体逸出，水分上移消散，孔隙压缩，土颗粒挤密，密实度增长至稳定状态。凸轮压路机会扰动土体表层，胶轮压路机进行收面碾压一遍，可以有效提升表层土体的压实度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。