膨脹土路基填料的路用性能評(píng)價(jià)分析

郭書翊

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

膨脹土路基填料的路用性能評(píng)價(jià)分析

郭書翊

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

膨脹土為特殊土，作為路基填料時(shí)，承載力和壓實(shí)度難以滿足規(guī)范要求，需要在應(yīng)用前對(duì)其路用性能進(jìn)行測(cè)試.對(duì)膨脹土填料進(jìn)行變形及強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)強(qiáng)、中、弱膨脹土的路用性能.分析結(jié)果表明：變形特征方面，強(qiáng)、中膨脹土的無(wú)荷膨脹量與初始含水率之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系；初始含水率越小，膨脹力也越大，隨著初始含水率的增大，膨脹力逐漸減小；膨脹率隨著含水率的增大而減小且隨著上覆壓力的增大也隨之減小.強(qiáng)度特征方面，濕法擊實(shí)CBR試驗(yàn)的CBR值均大于3%，且其最佳含水率較接近天然含水率，最大干密度相對(duì)較大.研究結(jié)果為膨脹土路基填筑的性能評(píng)價(jià)新方法的提出提供理論基礎(chǔ).

路基；膨脹土；路用性能；CBR值；膨脹量

公路穿越地區(qū)，由于膨脹土天然含水率較大，用于路堤填筑時(shí)往往很難壓實(shí)且承載力低而達(dá)不到公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)填料的要求.通常改善其路用性能的處治方法有換填、化學(xué)改良、預(yù)浸水及防止含水量變化等工程措施.但這些方法會(huì)增工程造價(jià)而且耗時(shí)耗力，從而延誤工程進(jìn)度[1,2].基于此，“以土填土”即用施工場(chǎng)地的膨脹土經(jīng)過(guò)翻曬等一系列物理處治后直接用于填筑路堤是最優(yōu)化選擇.張銳等[3]以京港澳高速公路弱膨脹土為研究對(duì)象，分別進(jìn)行干法和濕法重型擊實(shí)試驗(yàn)，得出濕法擊實(shí)所得的最大干密度及最佳含水率更接近膨脹土的天然狀態(tài)，更加易于施工.楊和平等[4]建立了以改進(jìn)的CBR試驗(yàn)強(qiáng)度、CBR膨脹量和稠度為指標(biāo)的膨脹土路堤填料分類指標(biāo)體系，并對(duì)強(qiáng)、中、弱三類膨脹土開展了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證.該體系真正反映了膨脹土的本質(zhì)特征及作為路堤填料的特殊工程性質(zhì).李國(guó)維等[5]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了加石灰的改性膨脹土強(qiáng)度、壓縮性及脹縮特征，并與正常固結(jié)土路堤的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，指出了用重型擊實(shí)試驗(yàn)得出的最佳含水率和最大干密度作為摻石灰土壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)是不合理的，提出了壓實(shí)度達(dá)到90%以上時(shí)，土體的強(qiáng)度指標(biāo)完全可以滿足路堤的技術(shù)要求.

本文在前人的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)高速公路強(qiáng)、中、弱膨脹土進(jìn)行變形及對(duì)強(qiáng)度特征進(jìn)行室內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)膨脹土填料的路用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，為膨脹土路基填筑的性能評(píng)價(jià)新方法的提出提供理論基礎(chǔ).

1 膨脹土膨脹變形特性

由于膨脹土的膨脹變形特性，成為了不能直接作為路堤填料的主要原因[6].因此，研究膨脹土的變形特性至關(guān)重要.以南陽(yáng)強(qiáng)、中膨脹土等為研究對(duì)象，針對(duì)公路路基工程中膨脹土所處的應(yīng)力狀態(tài)和含水率變化范圍，利用常規(guī)固結(jié)儀對(duì)膨脹土不同密度、不同含水率和上覆壓力進(jìn)行一系列無(wú)荷和有荷膨脹量、膨脹力試驗(yàn)，得到壓實(shí)膨脹土的膨脹變形特征規(guī)律.

1.1 無(wú)荷膨脹量試驗(yàn)

膨脹率是指土樣在無(wú)荷載時(shí)且浸水后在高度方向上的單向膨脹與原高度的比值，以百分?jǐn)?shù)表示.對(duì)于干密度為1.62g/cm3的強(qiáng)膨脹土和中膨脹土進(jìn)行不同初始含水率的無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.由圖1可看出，由于沒(méi)有上覆壓力的影響，無(wú)荷膨脹量相對(duì)較大.且隨著含水率的增大而逐漸減小.

圖1 無(wú)荷膨脹量與含水率的關(guān)系

根據(jù)圖1，分別對(duì)強(qiáng)、中膨脹土的試驗(yàn)值進(jìn)行線性擬和，得出擬合公式如下：

p(ω)=-cω+d

(1)

式(1)中，p表示膨脹率，%；c為常數(shù)；w為含水率，%；d為常數(shù).中膨脹土和強(qiáng)膨脹土的相關(guān)系數(shù)分別為0.9739和0.9231.表明在相同的干密度下，無(wú)荷膨脹量與初始含水率之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系.

1.2 膨脹力試驗(yàn)

膨脹力是膨脹土體受到側(cè)向應(yīng)力的控制，吸水膨脹后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力.通常是測(cè)定土體在體積保持不變時(shí)膨脹所產(chǎn)生的最大內(nèi)應(yīng)力.膨脹力試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.由圖2可看出，初始含水率愈小，膨脹力反而愈大、隨著初始含水率的增大，膨脹力逐漸減小.

圖2 膨脹力與含水率的關(guān)系

1.3 有荷膨脹量試驗(yàn)

為探索膨脹土的初始含水率與上覆壓力對(duì)膨脹量的影響，依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30-2015)對(duì)三、四級(jí)公路下路堤壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)，以壓實(shí)度90%為作為土樣的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn).本次試驗(yàn)對(duì)于中膨脹土以干密度1.62g/cm3，對(duì)于強(qiáng)膨脹土以干密度為1.62g/cm3為基準(zhǔn)來(lái)制備試樣.由于初始含水率高出最佳含水率很大時(shí)，土樣接近飽和.因此膨脹土的壓實(shí)度很難得到保證；當(dāng)初始含水率高于縮限時(shí)，膨脹變形量隨初始含水率增加而減小，具有線形相關(guān)，初始含水率低于縮限以后膨脹變形量則變化較小.因此，對(duì)于中膨脹土，土樣配置了13.4%、15.6%、17.4%、20.5%和22.1%五種初始含水率，分別按一次加載要求施加25、50、100、150和200kPa的荷載；對(duì)于強(qiáng)膨脹土，土樣配置了12.5%、16.7%、18.9%、21.7%、23.3%和24.7%六種初始含水率，分別按一次加載要求施加25、50、100、150、200和250kPa的荷載.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4.

圖3 上覆壓力與膨脹率的關(guān)系(中膨脹土)

圖4 上覆壓力與膨脹率的關(guān)系(強(qiáng)膨脹土)

根據(jù)圖3和圖4可得，膨脹率隨著含水率的增大而減小且隨著上覆壓力的增大也隨之減小.

2 膨脹土強(qiáng)度特性

利用膨脹土作為路基填料，不僅要滿足變形要求同時(shí)也要滿足強(qiáng)度的要求.在路堤填筑中，用以評(píng)價(jià)路堤強(qiáng)度最重要的指標(biāo)就是CBR值.針對(duì)公路工程中膨脹土難以直接用于路基填筑的技術(shù)問(wèn)題，分別開展了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和取樣、基本物理性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)、濕法CBR試驗(yàn)等.

考慮到影響擊實(shí)膨脹土的工程力學(xué)特性除膨脹土的種類外，主要受控于含水率、干密度，因此希望通過(guò)制備不同含水率的膨脹土.在同一干密度條件下配制不同含水率的試件進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，開展相應(yīng)的濕法CBR試驗(yàn)，找出影響擊實(shí)膨脹土承載能力CBR的主要因素，揭示膨脹土的種類、含水率、干密度和膨脹性強(qiáng)弱對(duì)CBR的影響，并得出膨脹土CBR這些影響因素變化的規(guī)律.土的含水率會(huì)逐漸增大，直到達(dá)到穩(wěn)定的天然狀態(tài)，由于含水率增加較多，土體膨脹量也要增大，致使路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低.因此，開展干法擊實(shí)試驗(yàn)、濕法擊實(shí)試驗(yàn)與濕法擊實(shí)CBR試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為濕法擊實(shí)最佳含水率大于干法擊實(shí)最佳含水率，但最大干密度相對(duì)較小；濕法重型擊實(shí)最佳含水率接近膨脹土的天然含水率，然而濕法擊實(shí)CBR最佳含水率接近天然含水率且其最大干密度相對(duì)較大，大部分施工現(xiàn)場(chǎng)開挖的膨脹土不需經(jīng)過(guò)翻曬等可以直接用于填筑.此法簡(jiǎn)化了施工工藝，從而節(jié)省了工程造價(jià).

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ51-93)執(zhí)行.采用重型擊實(shí)試驗(yàn)設(shè)備，備樣采用干法和濕法(土樣不重復(fù)使用)，以研究不同備樣方法對(duì)膨脹土擊實(shí)特性的影響.干法是指先將土樣風(fēng)干或在50℃溫度下烘干，然后依次加水配制成不同含水率樣品后作擊實(shí)試驗(yàn)；濕法是采集5個(gè)以上的高含水率土樣分別晾干至不同含水率，然后按照同樣的擊實(shí)方法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn).

2.1.1 濕法擊實(shí)CBR試驗(yàn)

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中明確了路堤填料選擇的首要依據(jù)為CBR強(qiáng)度指標(biāo)，已有的關(guān)于開展的膨脹土試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，膨脹土的標(biāo)準(zhǔn)CBR測(cè)試值均<3%，它們都是不能用作路堤填料的.因此利用了濕法擊實(shí)CBR試驗(yàn)[4]，以得到膨脹土用于路堤填筑時(shí)的控制標(biāo)準(zhǔn).將濕法擊實(shí)且浸水四天后的試樣進(jìn)行貫入試驗(yàn)，得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理如下：

表1 濕法擊實(shí)CBR試驗(yàn)結(jié)果(弱膨脹土)

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果整理及分析

圖5 干法與濕法擊實(shí)對(duì)比曲線(弱膨脹土)

為了合理高效地利用膨脹土作為路堤填料，需要提出一套簡(jiǎn)便、有效的指標(biāo)和方法對(duì)膨脹土填料進(jìn)行分類.基于此，從膨脹土用作填料后的變形特性、強(qiáng)度特性、穩(wěn)定性和施工方向出發(fā)，在總結(jié)大量室內(nèi)外試驗(yàn)、實(shí)體工程修筑的基礎(chǔ)上提出由擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)方法測(cè)得的最佳含水率、最大干密度和CBR值作為膨脹土填料路用性能評(píng)價(jià)的指標(biāo).擊實(shí)試驗(yàn)所得的最佳含水率和最大干密度見(jiàn)圖5.

圖6 CBR與含水率的關(guān)系(濕法擊實(shí)CBR試驗(yàn))

如圖5所示，干法擊實(shí)所得的最佳含水率比濕法擊實(shí)的要小，而干法擊實(shí)最大干密度大于濕法擊實(shí)的.如圖6所示，濕法擊實(shí)CBR試驗(yàn)最佳含水率更加接近天然含水率，且最大干密度相對(duì)較大.在工程實(shí)際中，膨脹土天然含水率較高，尤其是海南等沿海地區(qū)降雨量較大的地區(qū)，很難通過(guò)翻曬達(dá)到干法擊實(shí)所得的含水率.因此，濕法擊實(shí)CBR試驗(yàn)所得的參數(shù)應(yīng)用于工程實(shí)際中更加具有現(xiàn)實(shí)意義.

在膨脹土的路用性能評(píng)價(jià)中，擊實(shí)試驗(yàn)所得最佳含水率及最大干密度是其中的兩項(xiàng)指標(biāo)，而CBR值是用于評(píng)價(jià)路用性能更為關(guān)鍵的因素，CBR是路基土和路面材料的強(qiáng)度指標(biāo).如圖 6可知，起始含水率對(duì)膨脹土CBR值影響顯著，且膨脹土體在最大干密度條件下其CBR值并非最大，CBR值隨起始含水率呈拋物線變化趨勢(shì).膨脹量隨起始含水率增大而減小，起始含水率越低，膨脹量就越大，路基的水穩(wěn)性越差.膨脹土在天然含水率下，與其他含水率狀態(tài)下的相比，其浸水CBR值最大且大于3%，即滿足現(xiàn)行公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)下路堤填料承載力的要求.

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)膨脹土填料進(jìn)行變形及強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)強(qiáng)、中、弱膨脹土的路用性能.主要結(jié)論如下：

(1)變形特征方面，強(qiáng)、中膨脹土的無(wú)荷膨脹量與初始含水率之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系；初始含水率越小，膨脹力也越大，隨著初始含水率的增大，膨脹力逐漸減小；膨脹率隨著含水率的增大而減小且隨著上覆壓力的增大也隨之減小.

(2)強(qiáng)度特征方面，濕法擊實(shí)CBR試驗(yàn)的CBR值均>3%，且其最佳含水率較接近天然含水率，最大干密度相對(duì)較大.

(3)需要加強(qiáng)對(duì)膨脹土用于填筑路堤時(shí)的評(píng)價(jià)方法等方面的研究，推動(dòng)公路膨脹土路堤工程的發(fā)展.

[1] 張宗戰(zhàn),葛忻聲.淺談山嶺重丘區(qū)高速公路地基處理方法[J].山西交通科技,2013, (5) :7-9.

[2] 劉龍武.公路膨脹土路塹邊坡的破壞特征及勘察技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)博士學(xué)位論文,2011.

[3] 張銳,劉軍.膨脹土填料路用性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究[J].公路與汽運(yùn),2013, (159) :121-125.

[4] 楊和平,趙鵬程,鄭健龍.膨脹土用作路基填料的分類指標(biāo)體系研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2009,(2):194-202.

[5] 李國(guó)維,翟立群,鄧宇飛.改性膨脹土路基填筑施工壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)研究[J].公路,2000, (3) :22-25.

[6] 鄭健龍,楊和平.公路膨脹土工程[M].北京:人民交通出版社,2009.

[7] 中華人民共和國(guó)交通部.JTJ033-95 公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,1995.

(責(zé)任編校：晴川)

Performance Evaluation of Expansive Soil as Subgrade Filling Material

GUO Shuyi

(Shanxi Traffic Science Research Institute, Taiyuan Shanxi 030006, China)

Deformation and strength tests of expansive soil filler are utilized to evaluate the road performance of strong, medium and weak expansive soil. Analysis results show that in the aspect of deformation characteristics, there is a good linear relationship between the swelling capacity and the initial moisture content of the strong and medium expansive soils; the smaller the initial moisture content is, the larger the swelling force is, and with the increase of initial moisture content, the swelling force decreases gradually; the expansion rate is decreased with the increase of moisture content and overburden pressure is decreased with the increase of moisture content. In terms of strength characteristics, CBR value of wet compaction CBR test was above 3%, and its best moisture content is close to natural moisture content, and the maximum dry density is relatively large. The research results provide theoretical basis for the new method of performance evaluation of expansive soil subgrade filling.

subgrade; expansive soil; road performance; CBR value; swelling capacity

2016-03-13

郭書翊(1982— )，男，山西應(yīng)縣人，山西省交通科學(xué)研究院高級(jí)工程師，碩士.研究方向：工程造價(jià).

U416.1

A

1008-4681(2017)02-0020-03