基于簡易貫入低液限黏土路基壓實度確定方法

李金云，張愛卿，單煒

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基于簡易貫入低液限黏土路基壓實度確定方法

李金云1，張愛卿2，單煒3

(1. 北京科技大學天津學院，天津，301830；2. 北京科技大學土木與環境工程學院，北京，100083；3. 東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱，150040)

為建立確定低液限黏土路基壓實度的新方法，在研究簡易貫入試驗原理的基礎上，結合某擴建公路實例，通過室內試驗測定低液限黏土的物理力學指標，并依此確定路基的壓實工藝及標準。選取試驗路段，僅考慮含水率對壓實度的影響，在其他壓實度影響因素不變的前提下，實測壓實度、貫入次數和含水率，利用SPSS軟件對壓實度與簡易貫入次數及含水率的關系進行回歸分析，并將得到的關系式應用于工程實際，以驗證方法的合理性及適用性。研究結果表明：簡易貫入試驗方法可以滿足路基壓實度檢測精度要求，為在類似工程中快速、準確地評價低液限黏土路基壓實程度提供了參考依據。

簡易貫入試驗；低液限黏土；壓實度；含水率；回歸分析

壓實度是否合格是判斷工程質量優劣的1個重要指標。壓實的根本目的是使路基獲得一定的密實度，以提高路基的強度和穩定性。壓實能夠增加土體的密實度，減小土體在潮濕環境中的飽水量，封閉水分進入土體的通道，降低土的滲透性，從而加強路基的水穩定性，減少荷載因素和大氣因素對路基變形的影 響[1?5]。目前，國內常用檢測壓實度的方法為灌砂法和落錘式彎沉儀法。灌砂法檢測時需要攜帶較多量的砂，且稱量次數較多，因此它的測試速度較慢，受人為因素影響較大，實際操作時不好掌握，易引起較大誤差。灌砂法檢測厚度僅為壓實層厚，該層以下的壓實度存在的變化不能被檢測到。落錘式彎沉儀是近些年出現的一種新方法，多應用于當路基填筑一定厚度后，對路基整體進行彎沉值測定，通過測得的彎沉值轉化為模量來反映路基壓實效果。但還無法檢測該路基任意深度處的壓實效果[6?10]。近年來，國內一些研究者提出了基于靜力貫入的土石混填路基壓實度確定方法，對于準確合理的評價壓實度取得了很好的效果[11?12]，但是由于該方法檢測時間較長，且不利于隨時轉移檢測，因此，極需一種既快捷又準確的檢測壓實度的方法。為解決上述2種方法存在的問題，本文作者引入簡易貫入試驗作為判斷壓實度的指標，并根據路基的壓實工藝，選取試驗路段，實測壓實度、貫入次數和含水率，對壓實度與簡易貫入次數及含水率的關系進行回歸分析，以便為現場快速準確地評價低液限黏土路基壓實程度提供一定的技術支持。

1 簡易貫入試驗原理

一直以來，在國際上使用最多的貫入實驗是標準貫入實驗SPT(standard penetration test)。但標準貫入實驗因為其器具較為龐大，且有較大的質量，不便于隨身、隨時、隨地攜帶，故不能快速、準確地對地基承載力進行評價。簡易貫入試驗屬于動力觸探的一種，是指用一定質量的擊錘，從規定高度自由落下，擊打插入土中的探頭，測定使探頭貫入土中一定深度所需要的擊數，以此擊數來確定被測土的物理力學性質[6]。

本次實驗選取日本生產的簡易貫入儀，該設備主要由貫入器、觸探桿和穿心錘3部分組成。簡易貫入儀組成如圖1所示。

將穿心錘提升到距離觸探桿連接處50 cm的高度，然后讓錘具自由下落到觸探桿的連接處。與標準貫入實驗原理相同，錘具自由下落的勢能在桿件連接處轉化為觸探桿的動能。當觸探桿貫入土層的深度為10 cm時，記錄此時的錘擊數，以此判定土的力學 特性。

式中：Δ為觸探桿貫入土層的深度，m；h為第次錘擊時卷尺的讀數，cm；h?1為第?1次錘擊時卷尺的讀數，cm；為錘擊次數；d為所求的實測擊數。

此實驗設備簡單、操作方便、土層的適用范圍廣，除砂土外，一般的硬黏土、軟質巖石也適用。

圖1 簡易貫入試驗儀組成

大量的現場試驗結果證明簡易貫入試驗與標準貫入試驗的貫入次數存在著2倍的關系，即簡易貫入試驗的貫入次數為標準貫入試驗的貫入次數的2倍[13]。

黏性土根據標準貫入次數評定壓縮模量，間接評價路基壓實后的強度，標準貫入次數與壓縮模量的關系如表1所示[1]。

表1 標準貫入次數與壓縮模量的關系

2 低液限黏土室內試驗

某擴建公路位于黑龍江省南部，路線全長為78.580 km，其中53.906 km路段均為利用原有舊路加寬，舊路的利用率為68.6%，路基填土均為低液限黏土。將路基填土取回實驗室，根據GB/T 50123—1999“土工試驗方法標準”和JTG E40—2007“公路土工試驗規程”要求進行標準擊實試驗、壓縮試驗和抗剪強度試驗，通過試驗確定低液限黏土的物理力學指標。

2.1 標準擊實試驗

國內外常用的擊實方法有2種，即輕型擊實和重型擊實。根據2種不同擊實方法的適用條件，本試驗選取重型擊實，將烘干后的低液限黏土按照12.5%，14.0%，15.5%，17.0%和18.5%的含水率制備試樣，放置在陰涼處12 h后，利用電動重型擊實儀進行試驗，試驗結果如圖2所示。由圖2可知：低液限黏土的最大干密度max為1.8 g/cm3，最佳含水率0為15.5%。

圖2 標準擊實試驗結果

2.2 壓縮試驗

根據擊實試驗結果，在不同含水量下擊實一定次數，制備成壓實度分別為90%，93%，95%和97%的試樣。利用GDG-4S型三聯高壓固結儀，采用快速壓縮試驗法，選擇5~6個加載等級，24 h后讀數。試驗結果如圖3所示。由圖3可知：當荷載在500 kPa以內時，壓縮系數隨荷載的變化很顯著；當荷載超過 1 500 kPa后，壓實度為93%，95%和97%時的壓縮系數相差不大。圖3結果表明幾種不同壓實度標準條件下，土體處于穩定狀態，均能滿足應力的要求，但為了與地基表面的壓實相適應，減少工后壓縮變形模量，并保證經濟性要求，推薦采用93%作為壓實度檢測的標準。

2.3 抗剪強度試驗

利用YLSZ-3.0型應力應變控制式三軸剪切儀，采用不固結不排水試驗，即試樣在施加周圍壓力和增加軸向壓力直至破壞的過程中不排水。試驗結果如圖4~5所示。由圖5莫爾圓公切線可知低液限黏土的粘聚力為226.63 kPa，內摩擦角為20.92°。

壓實度/%：1—90；2—93；3—95；4—97。

圍壓/kPa：1—100；2—200；3—300；4—400。

圖5 正應力與剪應力的關系

3 低液限黏土路基壓實工藝

根據室內試驗的結果，分析低液限黏土壓實的影響因素，確定路基的壓實工藝。

3.1 影響低液限黏土壓實的因素

1) 含水率。含水率對其壓實程度有很大的影響。當含水率較小時，黏土顆粒間內摩擦阻力大，壓實到一定密實度后，若壓實功不能克服土的內力，則密實度就不可能再增加；當含水率逐漸增加時，水在黏土顆粒間起著潤滑作用，使其內摩擦阻力減少，因此，在同樣的壓實功下可得到較大的密實度。

2) 壓實厚度。壓實厚度對壓實效果有明顯影響。大量的研究表明：相同壓實條件下(土質、含水率與壓實功不變)，密實度隨深度遞減，深度為5 cm時密實度最高。不同壓實工具的有效壓實深度有所差異，根據壓實工具類型、土質及土基壓實的基本要求，路基分層壓實的厚度有具體規定數值：在一般情況下，壓實不宜超過20 cm；對于13-15T光面壓路機，不宜超過25 cm；對于振動壓路機或夯實機，宜以50 cm為限[1]。

3) 壓實功。壓實功指壓實機具的重量、碾壓次數或錘落高度、作用時間等對壓實效果的影響，是除了含水率和壓實厚度以外的另一個重要因素。同一種土的最佳含水率0隨壓實功的增大而減小，最大干密度max則隨壓實功的增大而增大；在相同含水量條件下，壓實功愈大，土體的壓實度越高。

3.2 低液限黏土壓實工藝

充分考慮低液限黏土的物理力學性質和壓實影響因素，結合某擴建公路實際情況，路基分12次填筑，每層壓實厚度均為20 cm。借鑒相似土體的路基壓實技術，考慮低液限黏土的抗剪強度指標，現場采用振動式壓路機碾壓2遍、光輪壓路機碾壓8遍。每壓實一層低液限黏土后，利用灌砂法檢測壓實度是否達到規定標準的93%以上。為避免新填路基的沉降速率過大，采用強夯法對新填路基補強。強夯壓實工藝[14?15]如圖6所示。

4 現場壓實度檢測及結果分析

4.1 簡易貫入試驗及其結果分析

根據現場土體的含水率情況，在k165+700- k165+900標段每50 m依次選擇含水率為15.0%，15.5%，16.0%和17.0%的低液限黏土作為路基填土，在路基填土后采用強夯處理，對夯實前和夯實后的路基分別進行簡易貫入試驗。根據表1將簡易貫入試驗擊入次數轉化為標準貫入的擊入次數，再將標準貫入的擊入次數換算為壓縮模量。簡易貫入試驗對比測試的結果如圖7所示。

從圖7可以看出：路基淺層(50 cm以內)夯實后的壓縮模量較夯實前的壓縮模量有所減小，說明夯實后路基淺層由于強夯產生了不同程度的土體松動；淺層以下土體由于強夯作用，土體更加密實，深度為100~170 cm范圍的土體壓縮模量顯著增加，強夯的作用可持續到較深的土層，達到深度2 m以下。因此，低液限黏土采用強夯法可以提高路基土的壓實度和 強度。

圖6 強夯施工工藝流程圖

含水率/%：(a) 15.0；(b) 15.5；(c) 16.0；(d) 17.0

4.2 壓實度實驗及其檢測結果

灌砂法檢測厚度僅為1個壓實層厚度，不能檢測到該層以下的壓實度存在的變化。為此，本文選取挖坑的方法，在k165+700~k165+900標段平行簡易貫入試驗檢測點1.5 m處檢測不同深度處的壓實度。為減小實驗對路基壓實效果的影響，灌砂法檢測壓實度實驗選擇在強夯前完成。灌砂法壓實度檢測結果如表2所示。

4.3 壓實度與含水率、簡易貫入次數的關系式

采用SPSS軟件進行回歸分析，壓實度與含水率、簡易貫入次數的關系為

式中：為壓實度，%；1為貫入次數，次；2為含水率，%。

Sig回歸關系的顯著性系數0.037＜0.05，表明回歸結果好。

為了驗證式(3)的適用性及其合理性，選取k166+000標段。該標段的含水率為15.5%，每層路基填土厚度為20.0 cm，填筑高度為2.5 m，在強夯處理后分別進行簡易貫入試驗和灌砂法實驗，實驗結果如表3所示。由表3可以看出：采用本文方法得出的各測點壓實度計算結果與灌砂法檢測結果較吻合，可以滿足路基壓實度檢測精度要求。

表2 灌砂法壓實度檢測結果

表3 壓實度對比結果

5 結論

1) 低液限黏土的最大干密度為1.8 g/cm3，最佳含水率為15.5%；低液限黏土的粘聚力為226.63 kPa，內摩擦角為20.92°；通過壓縮試驗推薦現場采用93%作為壓實度檢測的標準。在充分考慮低液限黏土的物理力學性質和壓實影響因素基礎上，采用強夯處理低液限黏土，強夯作用效果顯著；深度為100~170 cm范圍的土體壓縮模量顯著增加，并持續到較深的土層，作用效果達到深度2 m以下，提高了路基土的壓實度和強度。

2) 利用SPSS軟件回歸分析得出強夯處理前壓實度與簡易貫入次數和含水率之間的關系式。

3) 各測點壓實度計算結果與灌砂法檢測結果吻合良好，可以滿足路基壓實度檢測精度要求。

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(編輯 伍錦花)

Method for determining the compactness of low liquid limit clay subgrade based on simple penetration test

LI Jinyun1, ZHANG Aiqing2, SHAN Wei3

(1. Tianjin College, University of Science and Technology Beijing, Tianjin 301830, China;2. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;3. School of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

To establish a new method for determining the compactness of low liquid limit clay subgrade, a project case of highway extension was chosen as the subject. The principle of simple penetration test was investigated and the physical-mechanical index of low liquid limit clay was determined through laboratory test, so as to determine the subgrade compaction technology and standard. Test road section was selected. By only taking the influence of moisture content on compactness into consideration, compactness, penetration times and moisture content were measured under the premise that other influence factors of compactness were constant. Then, the relationships among compactness, simple penetration times and moisture content were obtained, and the obtained equations were applied in engineering practice to verify its rationality and feasibility. The results show that simple penetration method can meet the accuracy requirements of subgrade compactness test, thus providing a reference for similar projects to evaluate the compactness of low liquid limit clay subgrade rapidly and accurately.

simple penetration test; low liquid limit clay; compaction degree; moisture content; regression analysis

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.10.024

U416.1

A

1672?7207(2017)10?2732?06

2016?12?21；

修回日期：2017?02?20

交通運輸部建設科技項目(2011318223630)(Project (2011318223630) supported by the Construction of Science and Technology of Ministry of Transport)

李金云，碩士，講師，從事土木工程課程與實踐研究；E-mail：980365686@qq.com