厚層水穩(wěn)碎石壓實(shí)評(píng)價(jià)方法研究

第33卷 第6期 2011年6月 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)  JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY  Vol.33 No.6   Jun.2011

DOI:10.3963/j.issn.1671-4431.2011.06.014

收稿日期:2011-04-29.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(50978031);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(CHD2009JCJ151);交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(2009318812069)和浙江交通科技項(xiàng)目(2007H21).作者簡(jiǎn)介:田耀剛(1978-),男,博士,副教授.E-mail:tianguang78@126.com

厚層水穩(wěn)碎石壓實(shí)評(píng)價(jià)方法研究

田耀剛1,2,肖世品3,項(xiàng)柳福4,李煒光1,2

(1.長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安710064;2.交通鋪面材料教育部工程中心,西安710064;

3.浙江省衢州市交通局,衢州324000;4.浙江省公路局,杭州310009)

摘 要: 厚層水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)因具有剛度大、分散荷載能力強(qiáng)等特點(diǎn)應(yīng)用前景廣泛,然而其壓實(shí)度沒(méi)有統(tǒng)一的測(cè)試與評(píng)價(jià)方法。基于此,該文在3種壓實(shí)試驗(yàn)基礎(chǔ)上,提出一種厚層水穩(wěn)碎石壓實(shí)度檢測(cè)評(píng)價(jià)方法,并將其用于試驗(yàn)路壓實(shí)質(zhì)量控制,通過(guò)試驗(yàn)路鋪設(shè)與跟蹤調(diào)查研究,證實(shí)該方法簡(jiǎn)便、有效,能夠滿足厚層水穩(wěn)碎石施工現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)需要。

關(guān)鍵詞: 厚層水泥穩(wěn)定碎石; 試槽試驗(yàn); 壓實(shí); 評(píng)價(jià)方法

中圖分類號(hào): U 416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào):1671-4431(2011)06-0059-05

整體性水泥穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)因?yàn)榫哂袆偠却?、分散荷載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-5],被廣泛使用在廣東、浙江等缺乏粉煤灰的地區(qū)。實(shí)際使用時(shí)受技術(shù)規(guī)范的限制,單層鋪筑厚度多為15~18 cm,多層鋪筑的施工方式,使結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)時(shí)的整體受力變成了實(shí)際的多薄層受力,影響了整體性基層使用效果。近年來(lái),諸如DT220、英格索蘭SD175、中大YZ32等[6]大激振力碾壓設(shè)備的推廣應(yīng)用,使單層鋪筑厚度增加成為了現(xiàn)實(shí)。國(guó)內(nèi)也對(duì)此進(jìn)行了探索,如2004年的廣西北流-寶圩二級(jí)公路改建工程項(xiàng)目[7],單層鋪筑壓實(shí)厚度27~32 cm。2006年以后,在河南、江西、山西等省進(jìn)行了大面積嘗試[8-10],實(shí)踐證明,增加單層鋪筑厚度是可行的。然而目前規(guī)范常用的灌砂法、環(huán)刀法及核子密實(shí)度儀法等壓實(shí)度檢測(cè)方法不能有效評(píng)價(jià)厚層水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)的壓實(shí)程度[11-12],厚層水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)壓實(shí)度沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法,現(xiàn)場(chǎng)如何測(cè)試成為了一個(gè)技術(shù)瓶頸。因此,研究厚層水泥穩(wěn)定碎石的壓實(shí)檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法對(duì)推動(dòng)此項(xiàng)工作就顯得尤為必要。作者通過(guò)大激振力試驗(yàn)裝置在室內(nèi)采用試槽法成型厚層水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層,利用3種方式對(duì)不同層位的壓實(shí)度進(jìn)行了檢測(cè),并結(jié)合浙江的實(shí)體工程,研究并提出了厚度增加條件下水穩(wěn)碎石的壓實(shí)檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法,研究成果具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 試 驗(yàn)

1.1 級(jí)配、水泥劑量和含水量

在原材料技術(shù)性能滿足要求的前提下,為了使試驗(yàn)更具代表性,水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配選用5公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范6(JTJ034)2000)中值(級(jí)配曲線見(jiàn)圖1);水泥劑量根據(jù)試驗(yàn)路鋪筑時(shí)的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果增加0.5%;采用室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)試含水量為4.8%,實(shí)際拌和時(shí)適當(dāng)增加0.5%,以滿足蒸發(fā)的需求(該試驗(yàn)中采用為5.3%)。

1.2 方法

1)試槽試驗(yàn)壓實(shí)參數(shù)

參照現(xiàn)有研究成果,以現(xiàn)有大激振力壓路機(jī)為原型,反算出室內(nèi)試驗(yàn)所需的激振力[1],相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)80 kN激振力的壓實(shí)效果。

2)試槽試驗(yàn)試件尺寸

(1)平面尺寸 考慮到高速公路水穩(wěn)碎石集料的最大粒徑不大于37.5 mm,灌砂法試驗(yàn)儀器基板尺寸以及每次檢測(cè)的數(shù)量,同時(shí)使碾壓試驗(yàn)盡可能模擬路面結(jié)構(gòu)的邊界條件。根據(jù)預(yù)先確定的試驗(yàn)數(shù)量和拌合機(jī)械的功效,結(jié)合碾壓時(shí)邊界對(duì)碾壓效果的影響,考慮到灌砂法筒測(cè)直徑20 cm,檢測(cè)位置呈四邊形分布,為保證灌砂挖孔邊界距邊界至少有3倍最大粒徑的距離(4 cm@3),邊長(zhǎng)至少為20 cm@2+4 cm@3=52 cm;而檢測(cè)用基板邊長(zhǎng)為40 cm,試坑邊長(zhǎng)至少為40 cm@2=80 cm,此外檢測(cè)位置之間和檢測(cè)位置與邊界之間留有一定的富余空間,故邊長(zhǎng)選定最大值為80 cm+10 cm@3=110 cm。即開(kāi)挖面積確定為110 cm@110 cm,檢測(cè)位置布置圖見(jiàn)圖2。

(2)開(kāi)挖深度 這類結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)鋪筑最大壓實(shí)厚度為30 cm,施工時(shí)松鋪系數(shù)為1.3,室內(nèi)適當(dāng)放寬至1.5,故試槽有效深度取45 cm。

3)測(cè)試方法

攤鋪過(guò)程中重要保證均勻,減少離析現(xiàn)象。文中試驗(yàn)是利用混凝土攪拌機(jī)拌料,出料時(shí)分別從試槽的兩端和中間裝料,將其粗平后用平板夯整平表面。使用大激振力振動(dòng)成型設(shè)備對(duì)整平后的表面進(jìn)行振動(dòng)碾壓,首次成型時(shí),在碾壓2遍后進(jìn)行表面15 cm壓實(shí)度檢測(cè),直至壓實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)的起始?jí)簩?shí)度99%、100%、101%、102%,記錄下碾壓遍數(shù)作為下次試驗(yàn)的碾壓遍數(shù)。

檢測(cè)方式:

方案1:分為上15 cm和下15 cm兩部分分別檢測(cè)。首先檢測(cè)上部壓實(shí)度,檢測(cè)方法同普通水泥穩(wěn)定碎石。下部壓實(shí)度檢測(cè)時(shí),把上面孔挖大,做出一個(gè)平面,保證能放下壓實(shí)度檢測(cè)基板,然后再按照同樣的方法進(jìn)行檢測(cè)。以減少砂落距的不同對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

  方案2:整體厚度通芯檢測(cè),使用直徑為20 cm并加高約10 cm的大型灌砂桶(見(jiàn)圖3),全厚度一次檢測(cè)壓實(shí)度。

方案3:直接測(cè)試中間部分的壓實(shí)度,先將表層約5 cm去除并擴(kuò)大至能放置基板,然后放置基板使用直徑為20 cm的灌砂桶檢測(cè)結(jié)構(gòu)層中部20 cm的壓實(shí)度。

以上3種檢測(cè)方法各有利弊,為了選擇合適的壓實(shí)度檢測(cè)方法,必須對(duì)這3種方案進(jìn)行試驗(yàn)分析,綜合比較后選擇一種最適宜厚層體積水泥穩(wěn)定碎石路面施工的壓實(shí)度檢測(cè)方法。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

試槽試驗(yàn)的上15 cm壓實(shí)度為99%、100%、101%、102%,測(cè)試在此前提下上述3種壓實(shí)度變化規(guī)律。

方案1測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 上、下15 cm壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果匯總  /%

    從上下壓實(shí)度檢測(cè)數(shù)據(jù)情況可以看出,當(dāng)上部的壓實(shí)度控制在99%以上時(shí),下部的壓實(shí)度也不低于98%,均能滿足規(guī)范的最低壓實(shí)度要求,而上下壓實(shí)度差值也基本控制在2%之內(nèi)。據(jù)此可以推斷,若上層的壓實(shí)度達(dá)到101%時(shí),下部的壓實(shí)度一定大于98%,能夠滿足高速公路的最低壓實(shí)度要求。

此外,由于下部檢測(cè)時(shí)基板的放置難以做到像上部測(cè)試時(shí)那樣平整,從某種意義上說(shuō),該數(shù)值較實(shí)際有所偏小。上下壓實(shí)度均值也可以用30 cm檢測(cè)來(lái)檢測(cè),所以關(guān)于下部壓實(shí)度數(shù)據(jù)偏小這一點(diǎn)可以通過(guò)對(duì)30 cm壓實(shí)度的檢測(cè)加以驗(yàn)證。

方案2測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 30 cm壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果匯總   /%

  30 cm壓實(shí)度檢測(cè)避免了上下層分別檢測(cè)時(shí)對(duì)下層檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響,從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看,數(shù)值較上下層分別檢測(cè)測(cè)試的均值略大。30 cm能反映整個(gè)結(jié)構(gòu)層壓實(shí)度的均值,但是對(duì)于施工過(guò)程中擔(dān)心出現(xiàn)的下部壓實(shí)度不足的現(xiàn)象難以體現(xiàn)。同時(shí)由于其檢測(cè)速度慢,對(duì)路面結(jié)構(gòu)破壞大[1],所以不能作為大范圍使用的檢測(cè)手段。

方案3檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 20 cm壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果匯總/%

  中部20 cm檢測(cè)結(jié)果顯示,略高于30 cm檢測(cè),符合壓實(shí)度從上至下逐漸降低這一規(guī)律,中部20 cm檢測(cè)較上下分層檢測(cè)時(shí)間短且較30 cm通芯檢測(cè)對(duì)路面破壞小,適宜于厚層水穩(wěn)碎石壓實(shí)度檢測(cè)。

結(jié)合表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)中部20 cm壓實(shí)度大于99%時(shí)便能保證下部15 cm壓實(shí)度大于98%。

從3種方案特點(diǎn)方面看,方案1采用傳統(tǒng)方法測(cè)試上層的壓實(shí)度比較合適,在進(jìn)行下層檢測(cè)時(shí)由于必須開(kāi)挖一個(gè)能放置基板的面積,并且可能由于基板的放置不平整,會(huì)使檢測(cè)結(jié)果偏小。方案2的檢測(cè)結(jié)果僅為整個(gè)結(jié)構(gòu)層的平均壓實(shí)度,不能反應(yīng)上下結(jié)構(gòu)層的壓實(shí)度情況。方案1、2除了均對(duì)路面造成較大的破壞外,檢測(cè)花費(fèi)的時(shí)間也較長(zhǎng),不適宜作為厚層水泥穩(wěn)定碎石壓實(shí)度檢測(cè)的方法。方案3的檢測(cè)結(jié)果表征結(jié)構(gòu)層中部20 cm的壓實(shí)度情況,可以作為補(bǔ)充。

結(jié)合以上3種壓實(shí)度檢測(cè)方法的優(yōu)劣,提出一種適合厚層水穩(wěn)碎石的結(jié)合式壓實(shí)度檢測(cè)系統(tǒng),其流程圖見(jiàn)圖4。

檢測(cè)流程說(shuō)明:在同一種施工工藝的一個(gè)檢測(cè)范圍內(nèi),對(duì)壓實(shí)后的厚層水穩(wěn)碎石路面首先進(jìn)行上15 cm壓實(shí)度檢測(cè),如果上15 cm壓實(shí)度<100%則判定為壓實(shí)度不合格,需要重新壓實(shí)。上15 cm壓實(shí)度>100%則分兩種情況對(duì)待:當(dāng)上15 cm壓實(shí)度>101%時(shí)則整個(gè)結(jié)構(gòu)層的壓實(shí)度合格;當(dāng)上15 cm壓實(shí)度為100%~101%時(shí)需檢測(cè)中部20 cm壓實(shí)度數(shù)值,若不小于99%則合格,否則為不合格。

3 實(shí)體工程驗(yàn)證

課題組于2007年8月31日~9月1日在浙江龍麗麗龍高速蓮都段樁號(hào)為K5+708~K6+406分別鋪筑了28 cm和30 cm厚層水泥穩(wěn)定碎石試驗(yàn)路。厚層水泥穩(wěn)定碎石試驗(yàn)路位置結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖5。

在試驗(yàn)路現(xiàn)場(chǎng)大激振力壓路機(jī)進(jìn)行3遍碾壓后進(jìn)行上15 cm和下15 cm壓實(shí)度檢測(cè),發(fā)現(xiàn)上部壓實(shí)度為99%,而下部壓實(shí)度檢測(cè)僅為96%。于是改變壓實(shí)遍數(shù)為4遍,通過(guò)4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)發(fā)現(xiàn),當(dāng)上15 cm壓實(shí)度為101%左右時(shí),下15 cm壓實(shí)度增為99%以上,滿足了壓實(shí)度要求。之后,便只進(jìn)行上15 cm壓實(shí)度檢測(cè),利用室內(nèi)試驗(yàn)所推薦的檢測(cè)流程檢測(cè),完全能夠滿足要求。檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 厚層水泥穩(wěn)定碎石壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

注:含水量測(cè)試值是從碾壓現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果;壓實(shí)度測(cè)試時(shí),標(biāo)準(zhǔn)密度均采用重型擊實(shí)確定的密度2.30 g/cm3。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示,通過(guò)提高上部結(jié)構(gòu)壓實(shí)度的措施,可以確保下部結(jié)構(gòu)的壓實(shí)效果,證明上述流程圖4中提出的測(cè)試方法是可行的。

圖6為厚層水泥穩(wěn)定碎石取芯試件,取芯件完整無(wú)損表明一次鋪筑整體性能有較大提高,底部平整無(wú)松散證實(shí)激振力的增加能夠確保底部壓實(shí)。

為了檢驗(yàn)文中提出的厚層水穩(wěn)碎石結(jié)合式壓實(shí)度控制方法對(duì)試驗(yàn)路的鋪筑效果影響,課題組先后于2008年5月及2010年7月對(duì)蓮都段厚層水穩(wěn)碎石試驗(yàn)段的使用狀況進(jìn)行了跟蹤調(diào)查和相關(guān)檢測(cè)。從對(duì)試驗(yàn)路段的檢測(cè)結(jié)果來(lái)看,試驗(yàn)路路面平整,使用狀況良好;行車荷載下壓力和數(shù)據(jù)變化不明顯,說(shuō)明厚層水泥穩(wěn)定碎石路面的板結(jié)效果良好,荷載傳遞到層底的應(yīng)力

極小;同一樁號(hào)左幅水泥穩(wěn)定碎石瀝青路面的行車道出現(xiàn)了4條長(zhǎng)度3~5 m的縱向裂縫,而試驗(yàn)段瀝青路面未出現(xiàn)縱向裂縫,表明厚層水泥穩(wěn)定碎石試驗(yàn)路能夠滿足使用要求,采用文中提出的厚層水穩(wěn)碎石結(jié)合式壓實(shí)度控制方法切實(shí)可行。

4 結(jié) 論

a.室內(nèi)試槽試驗(yàn)結(jié)果顯示,在單層鋪筑厚度30 cm時(shí),在模擬現(xiàn)場(chǎng)大激振力作用的水穩(wěn)碎石壓實(shí)度,上15 cm和下15 cm之差在2%以內(nèi)。

b.首次提出采用兩種壓實(shí)度檢測(cè)方法組合的方式對(duì)壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行控制,通過(guò)試驗(yàn)路驗(yàn)證能夠滿足厚層水穩(wěn)碎石施工現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)需要;實(shí)體工程驗(yàn)證表明,通過(guò)采用提高上部結(jié)構(gòu)壓實(shí)度的做法可以確保下部結(jié)構(gòu)壓實(shí)度。

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