粉砂土天然含水量高、CBR强度低、压实性能差, 施工碾压成型困难, 为南方湿热地区公路建设中较为棘手的一类土体。国内外对粉砂土的压实方法和压实特性研究较少, 且尚无定论。本文引入均匀设计理论对粉砂土路堤碾压方案进行了设计, 尝试提出较为适宜的现场碾压技术。
1 粉砂土压实影响因素
1.1 含水量
在较大含水量范围内, 大部分的土体都会表现出如图1中所示的压实特性[1]。图中的压实区间按含水量变化情况划分为压实干燥区域、湿润区域两个区间, 分水岭为压实的最佳含水量ωo, 在这些区间内土表现出如下的压实特性。
从图中可以看出, 现场粉砂土的碾压时含水量适宜控制在最优含水量ωo附近。
1.2 松铺厚度
对某一确定的压路机, 薄铺层的土层较厚铺层的土体易于获得高的压实度, 然而铺层薄虽然压实度提高, 但压实生产效率低, 使施工成本增加。因而, 在施工中, 必须根据现场情况, 选择合适的松铺厚度。
1.3 碾压遍数
在压实施工中, 随着碾压遍数的增加, 一般土体的压实度会随之增加, 当压实度达到某一程度时, 碾压遍数再增加, 一般土体压实度的增加很小或不再变化;而对于粉砂土甚至有可能在过多的碾压遍数后, 在碾压表面土层发生开裂, 引起压实度的降低。
1.4 碾压速度
在松铺厚度一定时, 压路机传给土体填方内的能量与碾压遍数和碾压速度之比值成正比。较低的碾压速度时, 单位面积内的振动次数比碾压速度高时要多, 因而使土体更容易达到密实;然而碾压速度还与生产率有着密切的关系。所以, 碾压速度存在一个最佳值, 即在保证压实质量的前提下, 选择尽可能高的碾压速度, 以保证压路机有较高的生产率。
1.5 压路机的振动频率和振幅
由于振动压实理论的不完善与振动压实工况的随机性, 以及土体物理特性的多变引起铺层土体的刚度具有随机性, 这些都使得振动参数的选择很复杂。目前的做法是, 通过大量的实验和统计分析, 对各项振动参数给出一个合理的取值范围。
2 均匀设计理论
均匀设计是使用一套精心设计的表格安排实验[2]。每一个均匀设计表有一个代号Un (qs) 或Un* (qs) , 其中“U”表示均匀设计, n表示要做n次实验, q表示每个因素有q个水平。实验次数就是因素水平数目的均匀设计表, 记为Un (qs) 或Un* (qs) ;s表示该表有s列。例如表1是均匀设计表U7 (74) , 它告诉我们, 用这张表安排实验要做7次实验, 这张表共有4列, 最多可以安排4个因素。
每个均匀设计表都有一个使用表, 指示我们如何从设计表中选用适当的列, 以及由这些列所组成的实验方案的均匀度。表2是均匀设计表U7 (74) 的使用表。从使用表中看到, 若有2个因素, 应选用1、3列来安排实验;若有3个因素, 应选用1、2、3这3列;若有4个因素, 应选用1、2、3、4这4列安排实验。
3 基于均匀设计方法的碾压试验方案
本实验选取衡炎高速公路项目中具有代表性的桩号K16+800处为实验路段, 现场碾压实验主要考虑如下六因素对土体压实效果的影响:含水量 (3水平) ;松铺厚度 (3水平) ;机械组合 (3水平) ;碾压速度 (3水平) ;振动频率 (2水平) ;振动振幅 (2水平) 。 (见表3) 由于各因素的水平不同, 本文采用基于混合水平的均匀设计方法, 即取各不同水平数的公约数作为标准的水平数。考虑到此次实验的实际情况, 本文采用6因素、6水平、12次实验, 从DPS软件设计者提供的标准均匀设计表即U12 (66) , 如图2;表4中含水量, 松铺厚度, 机械组合, 碾压速度等因素的1、2水平表示的是表3中的1水平;表4中振动频率, 振动振幅的1、2、3水平表示的是表3中的1水平, 其他以此类推。
4 现场检测结果及分析
通过对现场各碾压工艺下压实度的检测, 得到如表4中的压实度检测结果:压实度最大值达到了92.5%, 而最小值只有868%, 表明此类粉砂土在不同的碾压工艺下其压实度差异较大, 因而有必要研究其较适宜的碾压工艺, 为实际施工提供参考依据。
本文采用DPS数据处理系统[3]对这些数据进行分析 (如图3) , 得到如图4所示的结果:各因素水平分别为1.0002, 1.00146.0 000, 6.00 00, 6.000 0, 1.0001, 对应表3中各因素的水平可看出:行车速度在略大于1.5km/h, 松铺厚度在20cm～25cm, 振动碾压5遍, 含水量为18%, 振动频率为25Hz, 振动振幅略大于1mm时, 此类粉砂土的压实度达到最大值约为93.23%。
根据上述理论的最优碾压工艺对土体进行现场压实, 结果发现现场实测平均压实度为93.14%, 与理论结果93.23%较为吻合。说明采用均匀设计理论进行粉砂土路堤现场碾压实验设计, 有一定的合理性但对于其他类型土体尚待进一步研究。
摘要：目前国内外对对粉砂土的压实方法和压实特性研究较少。本文通过引入均匀设计理论, 进行粉砂土路堤现场实验设计研究, 提出适宜的现场碾压工艺, 最大限度地挖掘其压实度, 尽可能地节约土体改良费用。
关键词：公路路堤,粉砂土,碾压实验,均匀设计
参考文献
[1] 沙庆林.公路压实与压实标准[M].北京:人民交通出版社, 2001.
[2] 方开泰, 马长兴.正交与均匀试验设计[M].北京:科学出版社, 2001.
[3] 唐启义, 冯明光.实用统计分析及其DPS数据处理系统[M].