填石路基施工工艺及质量控制浅谈

来源：职称驿站所属分类：建筑施工论文发布时间：2011-05-21 16:34:18浏览：次

　　内容提要：结合新颁布“规范”对填石路基的修改和完善条文，从分析填石路基压实技术与质量控制的重要性入手，研究填石料的运输、填筑、摊铺、整平与压实技术，分析填石路基密度检测方法和沉降量控制施工质量的可行性，对保证填石路基工程质量具有一定指导意义。
　　关键词：填石路基；压实；质量；控制
　　1引言
　　西藏自治区地处世界上面积最大、海拔最高的高原——青藏高原主体。区内地形复杂多样，崇山峻岭、峡谷深邃，岩土体以粗粒土为主。随着我区公路建设的发展，填石路基已经成为我区公路常见的路基形式。尽管我国很早就出现了采用石料修筑的公路，但是总的来说，对填石路基设计的诸多问题认识各有不同。近几年来，不少采用填石路基的公路在竣工后，甚至在施工过程中就发生诸如沉陷、路面层次裂缝、边坡膨胀、坍塌、甚至路堤整体沿地表滑移或失稳破坏现象，造成工期的延误和较大的经济损失。新颁布的《公路路基设计规范》（JTGD30—2004）1和《公路路基施工技术规范》（JTGF10—2006）2中对填石路基的技术规定较前版“规范”做了进一步完善和明确的定量。值此，结合新颁布“规范”对填石路基的修改和完善条文，深入认识填石路基的工程特征，分析研究填石路基施工工艺和质量控制，对保证填石路基工程质量具有一定指导意义。
　　2 填石路基填料工程与力学特点
　　填石路基对于填料选择的标准是比较低的，工程中一般不对填石材料的级配范围、岩块强度进行限制，其适用填筑材料的级配范围是很广的。填石路基主要填筑材料为开山石料，来源与公路路堑切方开挖、爆破出的石料，其级配、强度变化很大。另一方面填石路基填料来源广泛，经济运距内的挖方均可填筑在路堤段内。因此，用于路堤填方的填料工程力学性质变化很大，不但同一路段内填料变化大，即便在同一层次内，亦不能保证填料质地均匀、来源单一。
　　压实后的填石料的工程特征是工程技术人员最为关心的问题。填石材料是由各种不同粒径无粘性颗粒组成的半刚性体，压实后的填石层的力学强度来源于颗粒间的挤压、摩擦和嵌锁作用。工程中一般采用抗剪强度表征粒料的力学性能。填石料的抗剪强度受以下几个方面的影响：（1）填石料的级配越好，抗剪强度越大；级配越不均匀，抗剪强度越小；（2）压实越充分，抗剪强度越大。有资料表明，质地级配良好的岩石内摩擦角可达到50o以上；而页岩及软弱砂岩的填石料内摩擦角则会低于30o。另有研究表明，压实后的填石层即便在上部25m填石的自重荷载作用下的压缩沉降量依然很小。大坝方面的资料显示，碾压堆石坝坝顶的工后沉降量仅为坝高的0.1%～0.2%，而普通填土路堤的工后沉降量达到1%～5%。在某高速公路上，对一段坐落在不可压缩的基岩上的20m高填石路基顶面进行的为期近1年的沉降观测结果表明，填石路基本身沉降量很小（≤1cm）。这说明，压实后的填石体有着很好的工程性能，可以认为是半刚性体。但是，仍有不少填石路基在工后和施工过程中发生诸如沉陷、路面层次裂缝、边坡膨胀、坍塌，甚至整体失稳等破坏现象。这与旧版有关规范对工程实践的指导作用不强、设计人员对填石路基认识不足导致设计粗糙不无关系，工程技术人员必须对填石路基的技术规定进行重新认识和研究。
　　3填石路基施工工艺
　　3．1.材料要求
　　1)严格按规范要求控制填石路基材料的质量和规格。进场石料应与送检材料一致，填料岩心抗压强度不小于5MPa(用于护坡的不小于30MPa。岩心抗压强度小于5MPa的填料施工和压实特性按土质填料考虑)；膨胀性岩石、易溶性岩石、崩解性岩石和盐化岩石等均不得用于路堤设计；严重风化软岩不用于填石路基；易风化的软岩不用于路基上部，也不用于路基浸水部分。
　　2)在石方爆破时采取相应的爆破工艺，按比例分出三类石料。①路基的主填料：按石料的饱和抗压强度将石料分为硬质岩石（≥60MPa）、中硬岩石（30~60MPa）和软质岩石（5~30MPa）三类。石块粒径按填筑层位确定，硬质岩石最大不超过40㎝；中硬岩石最大不超过30㎝；软质岩石最大不超过40㎝。供粗粒层用。②石屑等细料，供细粒层用；③码砌边坡用的块石，主要是粒径为0.3～0.5m的块石，选用表面比较平整的石块。
　　3)填石粒径及级配在开采料场控制，施工单位根据现场情况采用洞室松动爆破、光面爆破或小型爆破，要求填料符合以下指标：最大粒径不超过层厚的2/3，超大粒径石块应集中起来，进行二次爆破、机械或人工砸碎。
　　4)用作路堤填料的填石料，除限制其最大粒径外，一般对填料级配不做特别限制，但要求不均匀系数15﹤Cu﹤20。当发现由于某种粒径的填料欠缺(一般为细料)而影响压实结果时，可采用补充该级级配填料的办法进行改善。石块级配较差，石块空间的空隙较大时，可于每层表面的空隙里扫入石渣、石屑和中、粗砂，再以压力水将砂冲入下部，反复数次，将空隙填满。
　　5)填石路基的填料如其岩性相差较大，则应将不同岩性的填料分层或分段填筑，不宜横向分幅填筑。这里的岩性主要指岩石强度差异，如挖方路段爆破石料有的是天然漂石土，有的是块石土等，这些不同的填料不得混填在一起，应分层或分段填筑。
　　3．2准备工作
　　3．2．1压实机械要求
　　采用大功率震动压路机（自重不小于18t）或重型夯实机械，功率越大对填石料的压实越有利，也有利于工程进度的提高，震动压路机应能以较大的振幅进行震动碾压。
　　3．2．2基底处理
　　路堤基底视地形、土质、地下水位、填石路基高度等不同进行相应处理。若原地面横坡缓于1:5，可直接填筑在天然地面上，一般耕植土地段原地面清除表土30㎝，若路堤基底原状土的强度不符合要求，应换填，换填深度不小于30㎝。如路堤基地范围内由于地面水或地下水影响路基稳定时，应采取拦截、引排等措施，或在路堤底部填筑不易分化的片石、块石或砂等透水性材料。路堤基地应进行填前夯实，保证压实度(重型击实标准)不小于90%，若填土高度小于路床厚度，则基地的压实度按路床的压实度标准执行。
　　当原地面自然横坡较陡(陡于1:5)时，路堤基地应挖成台阶，每级台阶宽度1～2m，高度为一层压实厚度。其后进行基底平整碾压作业，使基底土层的强度和密实度达到设计标准。

　　当原地坡度陡于1:2.5时，应按陡坡路堤进行稳定性分析，确定边破坡度。对于高度大于8m的边坡，可以采用折线行边破。且下部边坡缓于上部边坡，也可以采用台阶形边坡，即在边坡中间每隔8m设置一道宽1～2m的台阶，以提高边坡的稳定性。
　　填石材料的工程性能与土质填料有较大差异：土质路基本身抗剪强度低，颗粒之间具有粘聚力，土体具有较强的塑性，如果地基发生较大沉降及不均匀沉降，路基的沉降可以随着地基沉降性状共同沉降。但是，填石路基依靠嵌锁和摩擦作用形成强度，填石颗粒之间没有粘聚力，颗粒之间的嵌锁结构遭到破坏后不能像土质路基一样逐步恢复。当路基内部产生的剪应力超过路基极限抗剪强度时，即产生剪切破坏，其剪胀效应将导致边坡膨胀使路基失稳。因此，在填石路基特别是高填石路基的设计中，应加强地基勘察，增加地基承载力这一指标，并按桥梁基础的要求进行地基勘察和设计，以控制地基产生过大沉降及过大不均匀沉降而导致路基失稳破坏。
　　
　　3.2.3施工工艺流程
　　施工工艺流程见图
　　3.3石质填料的运输、填筑、摊铺和整平
　　运输过程中要注意避免装料、卸料中的离析现象。填石路基应逐层填筑，安排专人指挥卸料，按水平分层，先低后高，先两侧后中央卸料。施工过程中填料的填筑和摊铺可同步进行。首先摊铺一个工作面，面积宜在40㎡左右，摊铺厚度可低于最终摊铺厚度10㎝以上。填石料应直接堆放在摊铺粗平的表面上，由大功率推土机向前摊铺，形成新的工作面。自卸汽车在新的工作面上卸料，大功率推土机在向前摊铺，填料向前推移的距离不宜小于3m。这样施工可避免摊铺过程中粗细料分离，使最大的石块居每层低部，而较细的颗粒则居于顶部；它能确保最佳的嵌锁和压力传递，同时提供了一个不会致使压实碾轮及橡胶轮胎的牵引机在行走过程中受损的表面。该方法需要在填筑层末端将填料推入下层,使其与正在填筑的层堆成相同高度。
　　摊铺过程中整平石料是保证压实效果的重要环节。整平要注意路基在纵向和横向填筑均匀。先用大型推土机粗平，使岩块之间无明显高差，然后配合人工找平；对大粒径石料，应人工手摆,大面向下，小面向上,摆放平稳,再用石屑塞缝，最后压实。在条件具备和必要的情况下，并在每次表面铺筑厚10㎝左右的石屑或石碴细料，然后精平，达到表面平整，无孤石突出，以保证碾压密实和平整度。
　　填石料摊铺时的平整度对压实效果影响很大，填石料表面凹凸的高差值一般要求不大于层厚的10%。未达到平整度要求的填石路提，应在表面局部补充细料并加强人工整平，在达到填料平整度要求后，方可进行下步工序。填石料中，细粒料碎石或石屑料含量宜占大粒径料的15%以上。对细料明显偏少，影响压实的段落，在摊铺粗平的填石料表面，应铺洒一层碎石或石屑料，要保证碎石或石屑料填满大粒径料间缝隙。铺撒细料后，摊铺层面应相对平顺，以利压路机碾压施工。
　　对于有明显空洞、孔隙的地方，应补充细料，用冲压法将其冲入下部，反复多次，待空隙填满后再碾压，对于碾压后仍有松动的块石，应用合适粒径的小块石嵌实，并用手锤敲紧。
　　3.4填石路基压实
　　1）填实路堤采用冲击式压路机、重型振动压路机或夯锤进行压实，填石路堤应分层填筑，分层压实。填石料中加适量的水可湿润石料、软化细料，减小岩块之间的摩擦力，便于压实。
　　2）对于不同岩性、不同级配的石料，需确定填石路基各施工工艺参数，如松铺厚度、最大粒径、碾压遍数等。通常，填石路基施工工艺参数通过修筑实验路段验证。一般要求两遍沉降不大于2㎜，标准差不大于1㎜，压路机的振动频率30Hz左右，行驶速度2～4km，振幅大于1.5㎜。表1为不同类型填石料的自振频率。
　　3）在碾压过程中，由两侧向表1常用填料的自振频率
　　填料类型自振频率∕Hz
　　砂砾31.0
　　砂卵石24.7
　　粗砾石30.0
　　中间，然后再由中间向两侧碾压，要
　　求每次错轮1∕3轮宽以上。碾压时，选择强功率档振动碾压6遍左右，在
　　被压实体表面有明显的轮迹时，还应
　　增加压实遍数。
　　4）振动压路机的碾压开始时行驶速度应用慢速，最大速度不宜超过3㎏∕h。第一遍应静压，然后先慢后快，由弱振到强振，最后以轮胎压路机压平表面。压实时应先压两侧（即先靠路肩部分）后压中间，曲线段由内侧向外侧，纵向互相平行，反复碾压。碾压遍数不得少于试验路段确定的遍数。当路堤高度低于4m时，压路机应碾压到路基边缘0.5m的位置，当路堤高度大于4m时，压路机应碾压到路基边缘1m的位置。压路机在路基边缘2m范围内压实时，可适当减低振幅或用弱振档进行压实。压实时要连续不断地用小块或石屑填隙，直到石料空隙被小料填满、密实，石料稳定、无下沉、无水平移动、表面平整为止。对夯锤应成弧形，首遍各夯位宜紧靠，如有间隙，不得大于15㎝，次遍应压在首遍位的缝隙上，如此连续夯实直至达到要求后，再向后移动一夯锤位置。行与行之间应重叠40～50㎝或1∕3轮宽以上，前后相邻区段应重叠100～150㎝.应达到无漏压、无死角、确保碾压均匀。
　　5）振动碾压完成后，条件允许时可采用双轮冲击压路机进行检验性补压。如果其下沉量在5～7㎝范围内，原来振碾压实是合格的。通过补压达到对全路基的直接检验与补充追加压实，在路床顶面以下1.5m形成连续、均匀、密实的加固层，提高了路基路面的综合强度和稳定性。
　　3.5边坡码砌
　　由计算可知：（1）当边坡坡度大于填料内摩擦角时，没有设计码砌层的边坡是不稳定的。较薄的码砌层也能对路堤边坡的稳定起到较大作用（即使码砌层的内摩擦角与内部填料的内摩擦角大小相同），这是因为增加码砌层后，边坡滑动破坏面在码砌层中成为了水平状，对边坡的稳定起了很大作用，因此。在施工中对于码砌的石料不但要求粒径大，强度高、不易风化，还应该对形状有所要求，用于码砌的石料要求形状方正，至少有两个面较为水平。（2）在填石路基填料来源复杂的情况下可以考虑适当增加边坡码砌厚度，以保证其稳定性。
　　填石路基采用超幅50㎝碾压，以便压路机能够压到路基边缘，待成型稳定后用挖掘机刷坡。边坡可不必层层码砌，当填土高度小于6m时，可采用护拱护坡。当填土高度大于6m时，填石路基应使用大粒径石料(30㎝以上的规则石块)进行边坡码砌，码砌厚度不小于1.5m；10m以上码砌厚度不小于2.5m；并分层咬码干砌，空隙较大时用小石块填塞。码砌石块尽量紧贴、密实，无明显空洞、松动现象，砌块间承力接触面应微微向内倾斜。码砌表面平整，在曲线上的码砌边坡应平顺，码砌后的边坡坡率应符合设计要求。边破码砌后，可在其上的坡面上修筑护拱、洒草籽或铺草皮。这样既美化了环境又增加了边坡的稳定性，同时，又不阻止水分从路基内部由边坡排往外界。

　　3.6路基整修
　　在填石料表面填筑其他填料(如土、粉煤灰等)时，填石料表面应先填筑一层30㎝厚的碎石、石屑过度层，过度层碎石粒料应小于10㎝，其中小于0.5㎝的细料含量应大于30%。在路基基本完工后，检查测量中基面的中心线标高以及路基宽度和边坡坡度，并进行路基整修工作。
　　4填石路基施工质量控制
　　4.1填石路基的压实标准
　　填石路基的内部填石压实越充分，填体内摩擦角与抗剪强度就越大，路基相应的稳定性就越高。内部填石的压实质量主要由施工工序配合质量检测进行控制。在施工工序中，特别是对填料强度、级配、最大粒径、压实厚度、压实遍数、压实功能、压实沉降等都应科学控制，以提高内部填石的内摩擦角。我国现行《公路路基施工技术规范》（JTGF10—2006）规定：填石路基的压实质量，以压实后孔隙率为控制指标。在施工实践中可采用钢球法测定填石路基的压实质量，具体做法如下：（1）每20～40m选择一个断面，每个断面设6个点；（2）平地机粗平后，在选中的6个点上布置钢球，钢球露出松铺面2～3cm；（3）压实机每压一次后测出钢球的沉降值不大于2mm时，可以认为路基已被压实。此方法中钢球的钢度足够大，压路机的碾轮与钢球始终保持是点接触，钢球的变形量可忽略不计，因此钢球的沉降值较为真实的反映了路基的沉降值，可以作为填石路基判定压实质量的依据。
　　填石路堤压实的一般标准如表2所示。
　　表2填石路堤压实的一般标准
　　路基顶面以下深度∕㎝重型击实压实度∕%压实空隙率∕%
　　80～1509522
　　＞1509324
　　4.2填石路基密度检测
　　填石路基密度质量检测的方法与控制措施主要是以灌砂或水袋法测现场干密度，以压实度作为主要控制标准。填石路基的紧密度在规定深度范围内，可以通过静载20t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（无轮迹或预埋钢球不再下沉）时，可判为密实状态。对于石碴料碾压密实状态，碾压后的填石路堤表面应无明空洞，孔隙，大粒径填石无松动现象，应达到以铁揪挖动困难，用撬棍方能使之松动的状态。由于碎石含量不同，击实试验的最大干密度也不同，碎石填料的最大干密度需要由大于5㎜碎石含量与最大干密度曲线来确定。并采用灌砂方法或水袋法等（灌砂法适用于巨石含量较少时，水袋法适用于巨石含量较多且灌砂法检测有困难时）检测压实度是否达到规定值。
　　填石体最大干密度的测定一般采用振动法或改进的击实法。因为填石的颗粒粒径过大，远大于试筒允许的最大粒径60㎜，因此试验时可采用剔除超大粒径法（超大粒径段含量以等量的次级粒径石料代替）、相似级配法等方法，剔除超大粒径的方法在超大粒径含量比较小的情况下是一种比较准确的方法。
　　4.3填石路基沉降量检测
　　填石路基修筑时，主要以碾压参数作为控制标准，并检测沉降量（接近零沉降量为止）。在摊铺料质量一定时，通过测定沉降量可求出密度的变化。
　　设某碾压摊铺后的初始密度ρ0
　　ρ0=M∕V0=M∕Vh（1）
　　式中，M为碾压层的总质量；V0为摊铺后碾压层的总体积；h为摊铺层平均厚度。
　　假设碾压N遍后的沉降量为Sn,并假定碾压层的下层沉降可以忽略，则碾压N遍后的密度ρn为
　　ρn=M∕Vn=M∕AnHn=M∕An（h－Sn）=M∕Anh（1－Sn∕h）=M∕Anh（1－αn）（2）
　　
　　式中，Vn为碾压N遍后碾压层的体积；An为碾压N遍后碾压层面积；Hn为碾压N遍后碾压层的厚度；αn为沉降原率，αn=Sn∕h。
　　设碾压层总质量M不变，且因碾压引起的面积的增减忽略不计，即An=A,则有
　　ρn=ρ0∕（1－αn）=ρ0（1+αn+αn2+）≈ρ0（1+αn）（3）
　　根据（3）式，若初始密度ρ0已知，只要测定沉降量Sn和摊铺层平均厚度h，据αn=Sn∕h可算出αn，然后便可以计算碾压N遍后的ρn。
　　对碾压N遍后相对初始密度ρ0的密度增加率βn定义为
　　βn=（ρn－ρ0）∕ρ0=ρn∕ρ0-1
　　整理上面的关系，可得：βn≈αn。即密度增加率近似等于沉降率，从而在理论上说明可以采用沉降量控制压实质量。
　　
　　5结语
　　1)在具体的施工中，超粒径问题必须引起重视。一方面，必须在爆破上下功夫，保证良好的爆破效果；另一方面，将未爆破的大块岩石拣到一边进行二次改碎或剔除。碾压过程中，粗细集料的不均匀与平整度是一个很重要的问题。在碾压时，应边碾压边人工填补细料，提高填石体的平整度。
　　2)由于石块粒径及质量较大，必须用自重大、功率高的振动压实机具或高能量冲击压实机。一般来说，用振动压路机或冲击压实碾压或重锤夯击能在压实时产生振动力或冲击力，可使石块、粒料产生振动及瞬时移位，效果好。当碾压几遍后，填石料过于干燥，应洒入适量的水湿润石料、软化细料，减小岩块之间的摩擦力，然后进行压实。
　　3)填石路基质量问题主要存在于填层厚度、填料粒径、施工工艺三方面：①填层超厚；②石料尺寸偏大，部分石料强度不够；③石料间空隙大，未用细料找平，也未做到随压随补填；④平整度差，填层表面高低不平；⑤压实度不够；⑥压实后路基表面仍露有超粒径大石块。这些问题在施工中应特别注意并加以防止。
　　填石路基施工过程中必须加强对压实技术的重视，只有对路基进行严格的压实施工控制，提供足够的压实功能，才能增大石料之间的嵌锁作用，提高强度的摩檫分量，使颗粒重新排列，填充孔隙，减少孔隙比，从而提高路面路基的整体强度与变形稳定性。
　　
　　参考文献
　　1 中华人民共和国交通部.公路路基设计规范（JTGD30-2004）S.北京：人民交通出版社，2004.11。
　　2 中华人民共和国交通部.公路路基施工技术规范（JTGF10-2006）S.北京：人民交通出版社，2006.11。
　　3 交通部第二公路设计院，公路设计手册——路基M.北京：人民交通出版社，1995.
　　4 陈明明，译.粗粒料填方的压实J.国外公路，1989，（4）.