CN104846727B - 一种确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法，其特征是：首先，通过实验测定弱固结软岩填料的最佳含水率；其次，降雨前在弱固结软岩路基表面铺设低液限粘土并压实形成封水层，测定其厚度；再次通过现场实验，建立弱固结软岩路基含水率与封水层厚度、路基深度、风化程度、雨后晾晒时间四个影响因素的关系模型；然后根据建立的含水率多影响因素关系模型，反推估算确定弱固结软岩路基压实最佳含水率所处的路基深度，据此对路基进行翻挖后继续下一阶段施工。本发明方法能有效地降低降雨入渗量，准确确定雨后弱固结软岩路基翻挖深度，减少工程量，缩短施工时间，能有效保证弱固结软岩路基修筑质量。

Description

一种确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法

技术领域

本发明属于公路路基工程领域，具体涉及一种用于确定弱固结软岩路基雨后翻挖厚度的方法。

背景技术

在降雨量丰沛地区或梅雨季节，路基工程质量和施工进度会严重受到雨水的影响，其中尤以软岩和软土路基影响最大，弱固结软岩是一种特殊的软岩，其性质介于硬岩与土体之间，具有遇水易软化、崩解、压实度对含水率敏感等特性，因此，降雨将对弱固结软岩路基带来不利的影响。

路基修筑过程中降雨对路基的损害是不可避免的，施工现场的措施一般为降雨后对已修路基进行晾晒，或者进行一定深度的翻挖，降低路基表层湿润填料的含水率，使路基表层含水率下降到填料最佳含水率附近，进行复压及下一阶段的施工。

通过现场施工发现，采用雨后弱固结软岩路基翻挖的施工方案，弱固结软岩路基晾晒时间越长，路基最佳含水率层位距离已修路基表面越小，翻挖深度越小，工程量越小；但为缩短工期，减少雨后路基晾晒时间，则路基最佳含水率层位距离已修路基表面越大，路基翻挖深度越大，工程量越大。

现有技术中，对于雨后路基翻挖深度的确定一般是根据施工人员的经验确定，这一方式具有很强的随机性，路基施工进度及压实质量难以得到有效控制。若是依据经验预估的路基返挖翻晒深度过深将大大增加路基施工的工程量，延长施工工期；反之，预估雨后路基须翻挖深度过浅，会出现路基含水率过大而难以压实、工后路基不均匀沉降、整体强度难以满足工程质量要求。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种操作简单、结果准确可靠的确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法，以便能够准确判断弱固结软岩路基雨后翻挖深度，在保证工程质量的前提下减少工期的延长时间。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法的特点是按如下步骤进行：

步骤一、通过实验测定弱固结软岩填料的最佳含水率ω_op

(1)、采集弱固结软岩填料获得填料试样A，利用液塑限联合测定仪测定所述填料试样A的塑限，根据所述填料试样A的塑限通过预估获得弱固结软岩填料的预估最佳含水率ω₀；

(2)、对于所述弱固结软岩的填料试样A，加水湿润制备五份不同含水率的含水填料试样，所述各含水填料试样的含水率依次相差2％，并且其中有一份含水填料试样的含水率等于预估最佳含水率ω₀，两份含水填料试样的含水率小于预估最佳含水率ω₀，另有两份含水填料试样的含水率大于预估最佳含水率ω₀；

(3)、通过击实试验分别测定每个含水填料试样的干密度，绘制出填料试样A的含水率与干密度关系曲线，确定所述含水率与干密度的关系曲线中最大干密度ρ_{d max}所对应的含水率即为填料试样A的最佳含水率，视所述填料试样A的最佳含水率为弱固结软岩填料的最佳含水率ω_op。

步骤二、通过现场实验，建立弱固结软岩含水率多影响因素关系模型

(1)、降雨来临前，在弱固结软岩路基的表面铺设低液限粘土并压实形成封水层；

(2)、降雨过后，以封水层的底面为“0”点平面，“0”点平面以下的弱固结软岩的路基深度h为负值；现场实测在不同的封水层厚度d、不同的翻挖前晾晒时间t和不同的弱固结软岩风化程度z条件下，处于不同路基深度h处的现场弱固结软岩的含水率ω的数值；所述翻挖前晾晒时间t是指雨后翻挖弱固结软岩路基之前的晾晒时间；

(3)、确定所述封水层厚度d、翻挖前晾晒时间t、弱固结软岩风化程度z和路基深度h之间的关系，建立弱固结软岩含水率多影响因素回归式，如式(1)

ω＝a₁×h+a₂×lg(d)+a₃×lg(t)+a₄×z+a₅ (1)

则有： $h=\frac{\mathrm{\ω}-a_2\×lg\left(d\right)-a_3\×lg\left(t\right)-a_4\×z-a_5}{a_1}---\left(2\right)$

式中：a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为回归系数。

步骤三、针对施工现场确定翻挖深度

由式(3)确定施工现场翻挖深度h₁

$h_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_1-a_2\×lg\left(d_1\right)-a_3\×lg\left(t_1\right)-a_4\×z_1-a_5}{a_1}---\left(3\right)$

式(3)中：ω₁＝ω_op+(1％～2％)，d₁为翻挖路段实际封水层厚度，t₁为实际翻挖前晾晒时间，z₁为实际弱固结软岩的风化程度；

步骤四、现场施工翻挖

首先铲除封水层，再按h₁的翻挖深度对路基进行翻挖，移走翻挖的弱固结软岩填料以及低液限粘土，在移走翻挖后的弱固结软岩填料路基表面采用平地机进行整平，再利用振动压路机压实至压实度满足路基层位要求，继续后续填筑施工。

本发明确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法的特点也在于：

所述弱固结软岩填料的按质量百分比的天然含水率为6～20％，按质量百分比的最佳含水率ω_op为7.8％～10.1％；密度为2.30～2.80g/cm³；饱和度为86～95％；液限为24.3～36％；塑限为13％～28％；自由膨胀率为6.0％～9.1％。

本发明确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法的特点也在于：

对于风化系数小于0.4的强风化弱固结软岩，取值z＝1；

对于风化系数风化系数为0.4～0.8的弱风化弱固结软岩，取值z＝2；

对于风化系数风化系数为0.8～0.9的微风化弱固结软岩，取值z＝3。

本发明确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法的特点也在于：所述封水层的压实度为91％～94％，厚度为15cm～30cm。

本发明确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法的特点也在于：弱固结软岩路基所处地区平均日降雨量为7.9～15.6mm，降雨历时不大于60小时。

本发明确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法的特点也在于：所述弱固结软岩路基的翻挖深度h₁不大于40cm。

与已有技术相比较，本发明有益效果体现在：

1、本发明方法中要求对于弱固结软岩路基在降雨来临前，铺设一层低液限粘土作为封水层，对弱固结软岩路基予以保护，雨后铲除并收集低液限粘土，这一方式能明显降低翻挖路基的深度；封水层的铺设大大降低了降雨的渗入量，降低了弱固结软岩路基表层及路基整体因将雨所造成的含水率的增加，减少了雨后路基翻挖工程量，缩短工期，避免路基出现软化、稳定度减弱等工程问题。

2、本发明方法中所给出的将室内弱固结软岩填料最佳含水率与现场弱固结软岩填料含水率相结合，据此判断弱固结软岩路基翻挖深度，克服了依据经验方法直接对雨后路基进行翻挖的随机性，以及由此给工期、工程量带来的不确定性。

3、本发明方法中给出了粘土封水层厚度、路基深度、雨后路基晾晒时间、弱固结软岩风化程度与路基含水率的关系，明确了雨后路基晾晒时间与路基翻挖深度的关联性，施工现场可以根据要求具体操作，包括增加雨后弱固结软岩路基翻挖深度，以缩短晾晒时间，从而加快施工进度；或是从节约工程量考虑，延长雨后弱固结软岩路基的晾晒时间，并增加粘土封水层的厚度。

附图说明

图1为路基含水率检测结果对比图；

图2为圆锥入土深度与含水率关系图；

图3为弱固结软岩含水率与干密度关系图；

具体实施方式

工程实例中确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法是按如下步骤进行：

步骤一、通过实验测定弱固结软岩填料的最佳含水率ω_op

(1)、采集弱固结软岩填料获得填料试样A，利用液塑限联合测定仪测定所述填料试样A的塑限，根据所述填料试样A的塑限通过预估获得弱固结软岩填料的预估最佳含水率ω₀；

(2)、对于所述弱固结软岩的填料试样A，加水湿润制备五份不同含水率的含水填料试样，所述各含水填料试样的含水率依次相差2％，并且其中有一份含水填料试样的含水率等于预估最佳含水率ω₀，两份含水填料试样的含水率小于预估最佳含水率ω₀，另有两份含水填料试样的含水率大于预估最佳含水率ω₀；

(3)、通过击实试验分别测定每个含水填料试样的干密度，绘制出填料试样A的含水率与干密度关系曲线，确定所述含水率与干密度的关系曲线中最大干密度ρ_{d max}所对应的含水率即为填料试样A的最佳含水率，视所述填料试样A的最佳含水率为弱固结软岩填料的最佳含水率ω_op。

步骤二、通过现场实验，建立弱固结软岩含水率多影响因素关系模型

(1)、降雨来临前，在弱固结软岩路基的表面铺设低液限粘土并压实形成封水层；

(2)、降雨过后，以封水层的底面为“0”点平面，“0”点平面以下的弱固结软岩的路基深度h为负值；现场实测在不同的封水层厚度d、不同的翻挖前晾晒时间t和不同的弱固结软岩风化程度z条件下，处于不同路基深度h处的现场弱固结软岩的含水率ω的数值；所述翻挖前晾晒时间t是指雨后翻挖弱固结软岩路基之前的晾晒时间；

(3)、确定所述封水层厚度d、翻挖前晾晒时间t、弱固结软岩风化程度z和路基深度h之间的关系，建立弱固结软岩含水率多影响因素回归式，如式(1)

ω＝a₁×h+a₂×lg(d)+a₃×lg(t)+a₄×z+a₅ (1)

则有： $h=\frac{\mathrm{\ω}-a_2\×lg\left(d\right)-a_3\×lg\left(t\right)-a_4\×z-a_5}{a_1}---\left(2\right)$

式中：a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为回归系数。

步骤三、针对施工现场确定翻挖深度

由式(3)确定施工现场翻挖深度h₁

$h_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_1-a_2\×lg\left(d_1\right)-a_3\×lg\left(t_1\right)-a_4\×z_1-a_5}{a_1}---\left(3\right)$

式(3)中：ω₁＝ω_op+(1％～2％)，d₁为翻挖路段实际封水层厚度，t₁为实际翻挖前晾晒时间，z₁为实际弱固结软岩的风化程度；

步骤四、现场施工翻挖

首先铲除封水层，再按h₁的翻挖深度对路基进行翻挖，移走翻挖的弱固结软岩填料以及低液限粘土，在移走翻挖后的弱固结软岩填料路基表面采用平地机进行整平，再利用振动压路机压实至压实度满足路基层位要求，继续后续填筑施工。

本实施例中，弱固结软岩填料的按质量百分比的天然含水率为6～20％，按质量百分比的最佳含水率ω_op为7.8％～10.1％；密度为2.30～2.80g/cm³；饱和度为86～95％；液限为24.3～36％；塑限为13％～28％；自由膨胀率为6.0％～9.1％。

具体实施中，对于风化系数小于0.4的强风化弱固结软岩，取值z＝1；对于风化系数风化系数为0.4～0.8的弱风化弱固结软岩，取值z＝2；对于风化系数风化系数为0.8～0.9的微风化弱固结软岩，取值z＝3；封水层的压实度为91％～94％，厚度为15cm～30cm；弱固结软岩路基所处地区平均日降雨量为7.9～15.6mm，降雨历时不大于60小时；所述弱固结软岩路基的翻挖深度h₁不大于40cm。

工程实例1：

某在建弱固结软岩路基相同施工条件下的路段A和路段B，路段A在降雨前未铺设粘土封水层，路段B在降雨前铺设厚度为20cm的粘土封水层。降雨过后晾晒路基一天，检测得到的路段A及路段B的路基含水率对比结果如图1所示。图1中，以未铺设粘土封水层时弱固结软岩路基表面为“0”点平面，此平面以下弱固结软岩路基深度为负值。

图1示出，路段A未铺设粘土封水层，雨后路基晾晒1天，最佳含水率范围内的弱固结软岩所处路基层位在-1.2m～-0.8m之间；路段B铺设20cm厚的粘土封水层，雨后路基晾晒1天，最佳含水率范围内的弱固结软岩所处路基层位在-0.45m～-0.2m之间。

考虑路基翻挖施工过程中水分蒸发，以及室内实验与现场施工条件的不同，将弱固结软岩最佳含水率提高1％～2％作为填筑含水率ω₁，即：ω₁＝ω_op+(1％～2％)，未铺设粘土封水层条件下，弱固结软岩路基雨后须进行翻挖的路基厚度不小于60cm；铺设20cm厚的粘土封水层条件下，铲除粘土封水层后须进行翻挖的路基厚度不大于20cm。

显然，本发明方法有效地降低了工程量、节约施工时间，同时保证路基施工质量。

工程实例2：

与工程实例1的施工条件相同的某路段，雨季施工采取本发明方法，步骤如下：

(1)现场采集弱固结软岩填料，将采集的弱固结软岩填料碾碎并过0.5mm的标准筛，按照液限、塑限实验规程利用液限塑限联合测定仪测定弱固结软岩塑限。根据实验结果绘制圆锥入土深度与含水率关系图，如图2所示。从圆锥入土深度与含水率关系图查得圆锥深度2mm的含水率即为弱固结软岩塑限，查得结果为16.2％。另外，根据现场采样判断弱固结软岩为弱风化弱固结软岩。

(2)由实验得到的弱固结软岩塑限预估弱固结软岩最佳含水率ω₀，弱固结软岩塑限与弱固结软岩最佳含水率之间的比率一般在0.55～0.65之间，16.2×0.6＝9.72％，即ω₀＝9.72％。

(3)根据步骤(2)预估得到的弱固结软岩最佳含水率制备出五份弱固结软岩试样，五份弱固结软岩试样的含水率分别为5.7％、7.7％、9.7％、11.7％、13.7％，五份弱固结软岩试样所需加入水量按照式(4)进行计算：

$m_{\mathrm{\ω}}=\frac{m_0}{1+0.01{\mathrm{\ω}}_d}\×0.01(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_d)---\left(4\right)$

式中：m_ω—所需的加水量(g)；

ω_d—风干含水率(％)；

m₀—风干含水率ω_d时弱固结软岩试样的质量(g)；

ω—要求达到的含水率(％)。

(4)五份弱固结软岩试样按照击实试验规定进行击实试验测定弱固结软岩含水率，并计算弱固结软岩干密度，弱固结软岩干密度计算按照式(5)进行计算：

${\mathrm{\ρ}}_d=\frac{\mathrm{\ρ}}{1+0.01w}---\left(5\right)$

式中ρ_d—干密度(g/cm³)，准确至0.01g/cm³；

ρ—密度(g/cm³)；

ω—含水率(％)。

得到结果如表1所示：

表1 弱固结软岩含水率与干密度表

含水率(％)	5.7	7.7	9.7	11.7	13.7
						干密度(g/cm3)	2.061	2.114	2.117	2.103	2.033

(5)根据表1绘制弱固结软岩含水率与干密度关系图，结果如图3所示，根据图3得出弱固结软岩最佳含水率ω_op＝9.2％。

(6)降雨前在弱固结软岩路基表层铺设低液限粘土作为封水层并用压路机压实，最后测定粘土封水层的厚度为20cm，即d₁＝20。

(7)降雨过后，以粘土封水层底部为“0”点平面，此平面以下弱固结软岩路基深度为负值。现场实测不同粘土封水层厚度d、不同晾晒时间t、不同风化程度z条件下，处于不同路基深度h处现场弱固结软岩含水率ω。

(8)建立弱固结软岩路基含水率多影响因素回归公式：确定粘土封水层厚度d、雨后晾晒时间t、弱固结软岩风化程度z、路基深度h与弱固结软岩含水率ω之间关系，建立弱固结软岩含水率多影响因素回归公式，如式(6)：

ω＝16.343×h-2.817lg(d)-1.771lg(t)+0.094z+16.939 (6)

可得： $h_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_1+2.817lg\left(d_1\right)+1.771\lg \left(t_1\right)-0.094z_1-16.939}{16.343}---\left(7\right)$

(7)降雨过后晾晒弱固结软岩路基2天，即：t₁＝2，待弱固结软岩路基表面积水退去铲除弱固结软岩路基表面铺设的低液限粘土。

(8)考虑路基翻挖施工过程中水分蒸发，以及室内实验与现场施工条件的不同，将弱固结软岩最佳含水率提高1％～2％作为填筑含水率ω₁，即：ω₁＝ω_op+(1％～2％)，本路段采用的是9.2％+1％＝10.2％,即：ω₁＝10.2％。

(9)现场采集的弱固结软岩试样判断为弱风化弱固结软岩，即z₁＝2。

(10)将得到的填筑含水率ω₁、粘土封水层厚度d₁、雨后路基晾晒时间t₁、弱固结软岩风化程度z₁的数值带入式(7)中，得h₁＝16.1cm，则需要进行翻挖的弱固结软岩路基厚度为16.1cm。

(11)为了验证本方法的准确性，翻挖厚度为16cm的弱固结软岩路基后，对弱固结软岩路基进行现场取样，取具有代表性的5份弱固结软岩试样进行含水率检测试验，最终得到结果如表2所示：

表2 弱固结软岩路基含水率检测表

$\frac{|10.2-9.72|}{10.2}=4.7\%---\left(8\right)$

由式(8)可以明确看出本发明所涉及的方法具有较高的精度。

现场施工人员按照经验估算须返挖翻晒的弱固结软岩路基厚度为20cm～25cm，按照经验估算与使用本发明所涉及方法的结果相差较大，按照本发明所涉及的方法进行计算，节省施工工程量及施工时间，同时保证了路基的施工质量。

Claims (6)

1.一种确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤一、通过实验测定弱固结软岩填料的最佳含水率ω_op

(1)、采集弱固结软岩填料获得填料试样A，利用液塑限联合测定仪测定所述填料试样A的塑限，根据所述填料试样A的塑限通过预估获得弱固结软岩填料的预估最佳含水率ω₀；

(2)、对于所述弱固结软岩的填料试样A，加水湿润制备五份不同含水率的含水填料试样，所述各含水填料试样的含水率依次相差2％，并且其中有一份含水填料试样的含水率等于预估最佳含水率ω₀，两份含水填料试样的含水率小于预估最佳含水率ω₀，另有两份含水填料试样的含水率大于预估最佳含水率ω₀；

(3)、通过击实试验分别测定每个含水填料试样的干密度，绘制出填料试样A的含水率与干密度关系曲线，确定所述含水率与干密度的关系曲线中最大干密度ρ_dmax所对应的含水率即为填料试样A的最佳含水率，视所述填料试样A的最佳含水率为弱固结软岩填料的最佳含水率ω_op；

步骤二、通过现场实验，建立弱固结软岩含水率多影响因素关系模型

(1)、降雨来临前，在弱固结软岩路基的表面铺设低液限粘土并压实形成封水层；

(2)、降雨过后，以封水层的底面为“0”点平面，“0”点平面以下的弱固结软岩的路基深度h为负值；现场实测在不同的封水层厚度d、不同的翻挖前晾晒时间t和不同的弱固结软岩风化程度z条件下，处于不同路基深度h处的现场弱固结软岩的含水率ω的数值；所述翻挖前晾晒时间t是指雨后翻挖弱固结软岩路基之前的晾晒时间；

(3)、确定所述封水层厚度d、翻挖前晾晒时间t、弱固结软岩风化程度z和路基深度h之间的关系，建立弱固结软岩含水率多影响因素回归式，如式(1)

ω＝a₁×h+a₂×lg(d)+a₃×lg(t)+a₄×z+a₅ (1)

则有：

式中：a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为回归系数；并且：

a₁＝16.343，a₂＝2.817，a₃＝1.771，a₄＝0.094，a₅＝16.939

步骤三、针对施工现场确定翻挖深度

由式(3)确定施工现场翻挖深度h₁

$h_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_1-a_2\×\lg \left(d_1\right)-a_3\×\lg \left(t_1\right)-a_4\×z_1-a_5}{a_1}---\left(3\right)$

式(3)中：ω₁＝ω_op+(1％～2％)，d₁为翻挖路段实际封水层厚度，t₁为实际翻挖前晾晒时间，z₁为实际弱固结软岩的风化程度；

步骤四、现场施工翻挖

首先铲除封水层，再按h₁的翻挖深度对路基进行翻挖，移走翻挖的弱固结软岩填料以及低液限粘土，在移走翻挖后的弱固结软岩填料路基表面采用平地机进行整平，再利用振动压路机压实至压实度满足路基层位要求，继续后续填筑施工。

2.根据权利要求1所述的确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法，其特征是：

所述弱固结软岩填料的按质量百分比的天然含水率为6～20％，按质量百分比的最佳含水率ω_op为7.8％～10.1％；密度为2.30～2.80g/cm³；饱和度为86～95％；液限为24.3～36％；塑限为13％～28％；自由膨胀率为6.0％～9.1％。

3.根据权利要求1所述的确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法，其特征是：

对于风化系数小于0.4的强风化弱固结软岩，取值z＝1；

对于风化系数风化系数为0.4～0.8的弱风化弱固结软岩，取值z＝2；

对于风化系数风化系数为0.8～0.9的微风化弱固结软岩，取值z＝3。

4.根据权利要求1所述的确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法，其特征是：所述封水层的压实度为91％～94％，厚度为15cm～30cm。

5.根据权利要求1所述的确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法，其特征是：弱固结软岩路基所处地区平均日降雨量为7.9～15.6mm，降雨历时不大于60小时。

6.根据权利要求1所述的确定弱固结软岩路基雨后翻挖深度的方法，其特征是：所述弱固结软岩路基的翻挖深度h₁不大于40cm。