透水路面砂土路基CBR值試驗研究

封攀新 孔盼峰

(1.中國民航大學機場學院，天津 300300; 2.鄭州弘銳工程技術咨詢有限公司，河南鄭州 450000)

0 引言

隨著我國城市化進程腳步的加快，硬化路面在城市建設中所占的比重不斷增加，極大地改善了人們的出行環境。但是，硬化路面阻斷了地下土壤和地表之間的水汽交換，使得熱量交換、濕度交換都很難進行，這樣不僅加重了城市排水系統的負荷，容易形成地表徑流、污染環境，而且人們的出行都會遭受涉水和濺水的困擾。為了減少上述問題的危害，透水路面在世界各國都得到了廣泛的應用，例如美國聯鎖混凝土道面研究所采用小砌塊聯鎖方式，將雨水通過塊體接縫下滲，從而減少道面的積水，這種技術已經在美國華盛頓、中國香港機場的機坪建設中得到應用，且獲得了較好效果。就目前的透水路面而言，面層的研究方面比較多，在路基方面的研究內容比較少［1］，嚴重制約著透水路面的進一步發展。因此，本文基于兼有透水性能和一定承載強度的透水路面，重點研究適用于該路面結構的路基，使其在滿足透水性能的條件下也具有一定的強度。

CBR是評價土質路基及路面材料的強度和水穩定性的指標［2］。目前關于CBR試驗方法和取值都進行了一定程度上的研究［3-5］，但是對于砂土路基 CBR的影響因素的研究還不夠深入［6，7］。

本文通過室內裝置對砂土CBR值進行試驗分析，找出影響CBR取值的因素及其敏感程度，為透水路面路基設計和施工提供有價值的依據。

1 試驗過程與方法

1.1 原材料

原材料的物理性質指標見表1，細砂和粘土的顆粒級配曲線見圖1。

細砂的擊實曲線如圖2所示，并不像粘土的擊實曲線那樣是一條單峰曲線(干密度隨著含水率的增大呈現出先增加后減小的規律)，而是一條雙峰曲線，干密度隨著含水率的逐漸增大，呈現出先減小，后增大，再減小的規律。

表1 原材料的物理性質指標表

對于細砂的擊實曲線主要是細砂本身的結構特點和性質所決定的。當含水率接近于零時，細砂顆粒易于移動，幾乎沒有粘聚力，具有較大的干密度;當含水率在0%～3%時，細砂顆粒表面的水膜產生假粘聚力，擊實過程中的一部分擊實能量消耗在克服這種假粘聚力做功上，所以會出現最低的干密度;隨著含水率的增加(＜12.2%)，細砂顆粒表面水膜厚度不斷增加，間距逐漸增加，擊實作用容易克服粒間引力而使其相互位移，趨于密實;當含水率增加至12.2%時，細砂接近飽和，由于細砂具有良好的透水性能，在擊實作用下，水分向著孔隙方向流動，帶著細砂顆粒向孔隙方向移動，使得細砂定向排列和分布，細砂逐漸變得密實起來;當含水率超過12.2%時，擊實僅能導致細砂顆粒更高程度的定向排列，而其體積幾乎不發生變化，所以其干密度呈現出下降的趨勢。

圖1 細砂和粘土的顆粒級配曲線

圖2 細砂和粘土的擊實曲線

1.2 試驗方法

采用正交試驗的設計方法［8］，選取含砂率、壓實度、浸水時間作為影響砂土CBR的三個主要因素。正交分析采用四因素三水平，選擇L9(34)的正交試驗方案，其方案布置選取表和影響因素水平取值表如表2和表3所示。

表2 砂土CBR影響因素選取表

表3 砂土CBR影響因素水平取值表

1.3 砂土等效最大干密度和等效最佳含水率

將細砂和粘土分別在烘箱里面進行烘干處理，使其干燥不含水分。依據表1擊實試驗的結果可知細砂的最大干密度為ρd，max=1.766 g/cm3，最佳含水率為 w0=12.2%，粘土的最大干密度 ρd，max=1.843 g/cm3，最佳含水率為w0=14.3%。用式(1)和式(2)計算含砂量為ωi時砂土的等效最大干密度和等效最佳含水率。

1.4 壓實度的確定

計算出砂土的等效最大干密度和等效最佳含水率后，需要在此最大干密度和最佳含水率的條件下制備試樣。為了消除試件擊實過程中的人為操作和讀數帶來的壓實度誤差，本文采用靜力預壓成型法，以達到預定的壓實度。

先根據試筒的體積、預定的壓實度以及砂土的等效最大干密度和等效最佳含水率，按照式(3)求出試件所需的砂土質量，然后采用壓力機把稱量好的砂土準確壓實到試筒的體積為止。在制備試件時采取基層抗壓強度制件方法中規定的分層搗實，模具上下面預留2 cm～3 cm的高度，再壓實成型，以保證所制試件的壓實均勻性(見圖3，圖4)。

圖3 靜力預壓成型

圖4 CBR貫入試驗

其中，m試樣為試驗中試筒所裝試樣的質量;V容器為試筒的體積;為砂土的等效最大干密度;為砂土的等效最優含水率;K為砂土的壓實度。考慮到試樣的損失和預留6 mm的高度，最終的試樣質量須乘以1.2的綜合系數。

1.5 浸水時間的確定

將采用靜力預壓法制備好的試樣取出，不需要浸泡的直接可以進行貫入試驗。需要進行浸泡處理的，在試樣制成后，試件頂面放一張好濾紙，在套筒上放置4塊荷載板。放入筒內，浸泡2 d(或4 d)，記錄好浸泡開始的時間和結束時間。

1.6 CBR試驗簡介

CBR試驗貫入過程是試件中的部分砂土與整體之間產生相對位移時在剪切面上所產生的抗剪切力的表現，它反映出的強度就是土體的局部抗剪強度。CBR(承載比)值一般采用貫入量為2.5 mm時的單位壓力與標準碎石壓入相同貫入量時標準荷載強度的比值，同時計算貫入量為5 mm時的承載比，若大于2.5 mm時的承載比則重做試驗，若結果仍然如此則應采用5 mm時的承載比［9］。

2 試驗結果分析

2.1 直觀分析

直觀分析方法就是通過分析表3中的試驗數據，判別含砂率、壓實度、浸水時間三個因素的水平變動對考核指標CBR值的影響程度。其計算方法是每一個因素在每個水平下的所有CBR值進行相加，求出其算術平均值，然后比較這些值兩兩之差的絕對值的最大值，稱為極差R。極差越大表示該列因素的水平是對CBR值影響最大的因素。因此對CBR值各影響因素的重要性有直觀上的認識，并通過進一步分析影響因素和考核指標的關系，可以確認最佳組合。

表4 試驗結果直觀分析表

從表4中可以看到，各因素影響程度大小關系為浸水時間＞壓實度＞含砂率，說明浸水時間和壓實度是影響CBR值的主要因素，含砂率是次要因素，而且還可以得到最優組合為A3B3C1。但由于該組合只是統計的結論并未做試驗，需要進一步做試驗驗證。做A3B3C1方案下的 CBR試驗，試驗結果為29.3%，大于A2B3C1實驗方案中的22.1%，證明該組合的最優性。

以每個因素的水平為橫坐標，以考核指標的CBR的平均值為縱坐標，繪制各個因素的趨勢圖，見圖5。

圖5 CBR各影響因素影響趨勢圖

從圖5中可以看出，CBR值隨著含砂率和壓實度的增大而呈現出增加的趨勢，隨著浸水時間的增加而明顯的下降，且前兩天下降的幅度明顯大于后兩天，從后兩天的下降幅度緩慢可以預測，4 d以后的浸水對CBR的影響程度將會變得很小，因為砂土已經達到了飽水狀態。

2.2 方差分析

方差反映了CBR試驗結果的波動特征，方差大小反映某因素影響對CBR均值的偏離程度，數值越大，表明該因素水平的微小變動會導致CBR指標值的較大波動。因此，方差大的是主要因素，方差小的是次要因素。方差分析可以評價出重要的影響因素，并且能夠給出影響大小的順序，為確定進一步的試驗方向提供了可靠的依據。

表5 試驗結果方差分析

從表5中可以看到，在所考察的三個因素中，FA=1.75＜F0.10(2，2)=9 影響程度很小，F0.05(2，2)=19 ＜ FB=19.1 ＜ F0.01(2，2)=99 影響效果顯著，F0.05(2，2)=19 ＜ FC=80.95 ＜ F0.01(2，2)=99 影響效果非常顯著，所以其影響大小的順序為浸水時間＞壓實度＞含砂率。所得結果與直觀分析一致，符合工程實際狀況。

3 結語

1)粘土擊實曲線是一個單峰值曲線，細砂的擊實曲線是一個雙峰值曲線，且存在最大干密度和最優含水率。

2)影響CBR值的三個主要因素中，浸水時間是最主要因素，壓實度次之，含砂率的影響程度最小。就本試驗條件下，含砂率為90%、壓實度為99%、浸水時間為0 d的CBR最大，是最優組合，CBR 值為29.3%。

3)砂土的CBR值隨著含砂率的增加而增加，但是其增加的幅度較小;隨著壓實度的增加而不斷增加，壓實度越大，越可以承受外界不利的環境和荷載作用;隨著浸水時間的增加，砂土的CBR值顯著降低，前兩天降低的幅度明顯大于后兩天降低的幅度。

［1］錢振東，陳春紅.透水性道路研究進展［J］.上海公路，2008(1):23-27.

［2］JTG E40-2007，公路土工試驗規程［S］.

［3］朱志鐸，郝建新，黃力平.CBR試驗影響因素及其在工程中應注意的幾個問題［J］.巖土力學，2006(9):1593-1600.

［4］張新財.探討路基填土CBR值與壓實度、浸水時間的關系［J］.北方交通，2008(7):51-53.

［5］仇群鉆，張培君，張曉鵬.路基填土室內CBR試驗研究［J］.交通標準化，2005(12):153-157.

［6］張巨松，張添華，朱桂林，等.透水路面路基性能的試驗研究［J］.沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2007(12):961-964.

［7］舒 玉，嚴戰友，劉洪峰.砂土路基力學與變形指標的室內試驗研究［J］.石家莊鐵道學院學報(自然科學版)，2010(3):22-25.

［8］唐 明，陳 寧.工程試驗優化設計［M］.北京:中國計量出版社，2009.

［9］侍 倩.土工試驗與測試技術［M］.北京:化學工業出版社，2005.