1）片块石路基的工作原理

片块石路基是一种通风路基，它利用空气的流动来改变路基的传热方式。在开放状态下，片块石路基结构的作用机理是：冬季以通风作用为主的强迫对流效应和较弱的块石层侧向空气自由对流的复合过程，这一复合过程主要与风速和风向有关。当风速较大时，块石层内产生强迫通风效应；当风速较小时，在阴坡侧块石层一定厚度内产生自由对流效应。夏季因风速和风向条件，块石层主要以热传导过程为主，有利于块石结构层内部产生一定的隔热作用。在封闭状态下，由于阻断或大幅度减弱了风的影响，块石夹层路基结构弱化了强迫对流过程。同时，由于块石夹层路基上部填土的影响，块石层顶底板温差不足以驱动自由对流过程。因此，在封闭状态下块石层内部主要以热传导过程为主，块石层内的空隙起到了一定的隔热保温的作用。

图3—46　片块石路基

2）片块石路基的适用条件

片块石路基具有良好的透水性，降温效果明显，一般在高温冻土区地下泉水发育或地表径流较发育的区段采用，同时也可用于治理融化夹层发育所引发的路基病害。

另外，片块石路基对石料需求较大，附近有无适合开采的、满足强度等各方面性能的石料，是选用该措施时应首先考虑的问题。

3）片块石路基设计（图3—47）

（1）片块石粒径的选择

要达到良好的对流效果，片块石路基中孔隙率是一个关键参数，即要解决粒径问题要考虑两个方面。首先从片块石路基通风对流要求考虑，要有利于片块石路基的通风对流，从而保护路基下的多年冻土，就要使冷空气在片块石中易进难出，其核心是最佳粒径的问题。片块石体中的空隙大小影响气流速度，片块石体中的空隙大小和片块石的比表面积有关，片块石的比表面积随片块石粒径减小呈几何级数增大，这两者均直接影响降温效果。同时，为使孔隙率保持在一定范围，防止施工期间将片块石碾压成粉碎，其压碎值也是一个关键参数。

图3—47　片块石通风路基设计

片块石路基的片石应选用洁净、耐冻、无风化、无水锈和裂纹的石料。从片块石路基通风对流要求考虑，片块石料的粒径应基本一致，粒径应在15～35 cm范围内，最小边长宜大于15 cm，且长细比小于3，石料强度大于30 MPa，孔隙率不宜小于25%。

（2）片块石层的铺筑厚度

作为多孔介质的片块石路基，其中的对流换热是由于气体和片块石表面的温度差所导致的热量交换现象。对流换热中，气体与片石壁面必须直接接触，且导热和对流同时起作用。气体流动是由外部动力源引起的强制对流换热和温度差异造成其中气体的密度差引起的自然对流换热。

为了使路堤在冬季能产生自然对流效应，室内试验和数值模拟结果得出片块石层厚度宜取100～150 cm。本次项目设计为：在富冰冻土地区，采用片块石层厚度为90～120 cm；在饱冰冻土地区，采用片块石厚度为120～150 cm。

（3）辅助防护结构设计

片块石路基其空隙内不得充填碎石或其他杂物，片石层上部用20 cm厚碎石整平，其上再填筑30 cm砂砾垫层，垫层与碎石整平层间铺设透水土工布，垫层上部布设双向塑钢土工格栅。

碎石封层设置在片块石与砂砾垫层之间，起到粒径和平整度的过渡作用，因此碎石封层粒径应控制在5～10 cm，厚度20 cm。为防止砂砾料漏入片块石里，在碎石封层与其上部的砂砾垫层之间设置透水土工布。

砂砾垫层铺筑于透水土工布之上，厚度30 cm，要求选用颗粒级配良好、质地坚硬耐久的中粗砂，砂中不得含有杂草、垃圾及粒径大于10 mm的石块等，含泥量不大于5%。此外，为加强路基的整体稳定性，砂砾垫层上部布设双向塑钢土工格栅。

4）片块石路基的施工工艺

（1）基本要求

在施工片块石路基前应对底垫层检测，底垫层的厚度、宽度、路拱、弯沉和压实度等应满足设计要求。自然爆破后的片块石材料应在石料场经过进一步筛选、破碎，满足粒径要求后再运至工地。石料严禁运至路基上再破碎。

（2）施工工艺

①备料。本项目里程长、规模大，片块石需求量高达120多万立方米，片块石质量要求和工期进度挑战较大。片块石粒径的控制直接影响着通风效果，由于在施工现场控制片块石粒径效果较差，最后决定在采石场控制片块石质量。从爆破环节开始着手，采用振动喂料机筛选石料新工艺，合理配置生产机具，加快了片块石的筛分选料速度，如图3—48所示。

采取小洞室爆破方案，通过合理选择爆破施工的各项技术参数，取得良好的爆破效果，对片块石粒径进行初步控制。

选料是控制片块石质量的关键。爆破出的石料先采用挖掘机进行初选，将大于30 cm的片块石挑出来，进行小解或采用冲击气锤分解；将初选后的石料用装载机装运至振动喂料机进行筛分。

在采石场搭建筛分台，筛分台采用工字钢搭建，120工字钢9 m，按照15 cm间距布置。坡度为1∶1，台下净空满足装载机作业要求。

利用振动喂料机将小于15 cm石块筛除，筛分出的片块石即可达到粒径要求。

图3—48　片块石料生产

表3—19为采石场生产片块石机具配置。

表3—19　生产片块石机具配置

根据现场统计分析，PC200挖掘机每台班可选料400～450 m3，采石场在配置1套筛分平台、1台冲击锤（可由PC200挖掘机改装）、7～8台挖掘机选料的情况下，每日可选料3 500 m3，满足了质量和工期要求。(www.daowen.com)

②填筑。底垫层检测合格后，将满足粒径及强度的片块石一次倾填至预留高度（设计高度＋预留压实沉降量）。预留压实沉降量应根据不同的材料性质通过现场压实试验确定。施工时提前安排好运输路线，专人指挥，采取先低后高、先两侧后中央的投料方式进行。

人工配合挖掘机进行片块石路基整形，边填筑边整形，路堤边坡坡脚采用粒径大于25 cm的石料堆砌，边码堆砌的块石粒径宜选择20～30 cm，不允许粒径≤10 cm的片块石填塞缝隙，边坡外露面应做到平整、稳固，如图3—49所示。施工过程中注意防止挖掘机将底部土体带起，以免影响通风。

图3—49　片块石路基填筑

③整平。利用破碎锤（可由挖掘机改装）对超粒径的片块石进行破碎和大体整平，后人工用小石块找平，粒径控制在5～10 cm，并使用小石块将表面孔隙进行人工填塞，填塞后不得有明显可见的较大孔隙。

④碾压。找平、填塞完成后，采用重型光轮压路机（25 t以上）先静压2遍，然后强振碾压6～8遍。压路机的线压力应与片块石的极限抗压强度匹配，避免造成石料破碎而破坏骨架结构。碾压速度控制在2～4 km/h。直线路段应先两侧后中间，曲线段应先内侧后外侧，碾压的纵向行与行之间应重叠0.5 m左右，前后相邻区段应重叠2 m以上。常用几种石料的抗压强度极限和允许的线载荷见表3—20，片块石最大接触应力如表3—21所示。

表3—20　常用几种石料的抗压强度极限

表3—21　片块石允许最大接触应力

⑤填筑碎石封层及冲击碾压（图3—50）。碎石封层施工前，先在施工后的片块石两侧边坡铺设彩条布，彩条布深入片块石路基表面30 cm，伸出坡脚处30 cm，并用石块压牢，以防片块石路基上部的碎石封层、砂砾垫层等细料划入边坡，堵塞孔隙，影响通风效果。

图3—50　片块石路基碎石整平层施工

在片块石上全宽范围内填筑碎石，碎石粒径5～10 cm，插杆挂线法控制碎石封层的虚铺厚度，人工配合推土机整平。先用重型压路机静压1遍，然后采用三边压路机进行冲击碾压补强，冲击碾压遍数不少于25遍，行驶速度不小于12 km/h。冲击碾压后再整平，重型压路机静压1遍。按照要求在碎石层上铺设透水土工布。

⑥铺设砂砾垫层及土工格栅。砂砾垫层采用中粗砂，施工前应对中粗砂的外观筛分析、细度模数、含泥量等检验，符合要求后方可施工，砂砾垫层的填筑方法与碎石层相同，砂砾垫层施工并检验合格后，在上部铺设土工格栅，加强片块石路基的整体稳定性。

（3）片块石质量控制关键点

①底垫层。底垫层为铺筑片块石路基的基础，底垫层的厚度和宽度应符合设计要求，底垫层压实度≥96%。

②片块石材料。片块石材料应洁净，无风化，粒径范围15～30 cm，粒径大于30 cm的石料不得超过5%（重量比）。片块石最小边长宜大于15 cm，长细比小于3。片块石饱水抗压强度≥30 MPa。

③预留高度与片块石厚度。片块石一次倾填至预留高度（设计高度＋预留压实沉降量）。预留压实沉降量应根据不同的材料性质通过现场压实试验确定，避免因片块石一次倾填过厚影响到片块石层上方的路基结构层的铺筑。

为保证片块石路基的通风效果，片块石层最小厚度应不小于90 cm。施工前，施工单位应重点核查片块石层厚和路面标高。个别地段受地形和路面标高限制，可适当减少片块石的厚度，但最小不能小于90 cm。如果局部按照90 cm厚度处理还是无法保证标高时，不能下挖，应上报改用其他工程措施处理。

④压实质量控制。片块石路基压实质量控制一般采用施工工艺控制和压实沉降差控制的双控方法。其中，施工工艺参数指的是压实功率、碾压速度、碾压遍数和铺筑厚度等。压实沉降差为重点控制指标。

压实沉降差监测点，沿路基纵向每40 m设置一个观测断面，单幅路基每个断面测点不少于4个，整幅路基不少于9个，测点距路基边缘不小于0.5 m。压实沉降差平均值≤5 mm，标准差≤3 mm。

5）片块石路基施工过程中存在的问题

（1）片块石路基中土工布设置问题

共和至结古公路在富冰、饱冰冻土段设计采用了片块石通风路基，在施工过程中发现铺设的土工布产生大面积的刺破。针对以上问题，课题组及时组织现场调查，发现设计文件要求土工布铺设在砂砾层与碎石整平层之间，而施工单位却将土工布铺设在片块石层与碎石整平层之间，铺设位置的错误造成土工布被刺破。土工布设计目的：首先是阻止在施工和运营过程中，片块石上部的细集料漏入片块石层中，形成空洞，影响路基强度；其次是漏入的细集料将会堵塞片块石的空隙，从而影响片块石通风路基的降温效果。

（2）片块石路基施工问题

片块石路基是为了充分利用片块石中的空隙产生对流机制，降低路基内部温度，达到保护冻土路基的整体稳定性，根据试验结果选取片块石粒径15～30 cm。施工时要求片块石材料不要刻意挑选单一粒径，自然爆破后经过进一步筛选、破碎，满足粒径要求即填筑，填筑采用倾填方式，并一次填筑到设计高度，石料用机械整平，个别部位需人工用小石块找平。

施工现场调查发现，个别片块石路基在施工中采用大粒径的石块填筑后，在施工现场进行破碎。由于施工中大粒径的石块堆积过厚，部分大粒径的石块没有得到破碎而直接填筑到路基的内部，不能满足所有的粒径达到设计要求的15～30 cm，如图3—51所示。这将导致片块石路基的空隙率出现变化，影响片块石路基后期的通风降温效能。

风化的石料在填筑、压实的过程中会破碎、分散，破碎后的细料会在片块石内部填充，也会影响片块石内部的孔隙率，进而影响到片块石通风效果。因此，设计要求石料强度大于30 MPa，洁净、耐冻、无风化、无水锈和裂纹。然而施工现场发现，个别片块石路基风化，如图3—52所示。对风化石料应废弃。

图3—51　超粒径石料

图3—52　风化石料