公路路基水敏性軟巖改良土力學特性研究

摘要：以水敏性軟巖高填方路基工程為背景，對公路路基的水敏性軟巖開展承載比和回彈模量試驗。研究了不同條件下摻灰率、含水率等參數的影響規律，主要得到以下結論：當含水率較低時，擊實功的增加能顯著提升改良填料的壓實度;隨著含水量的增加，這種影響逐漸削弱。提升改良填料石灰摻入比例，可以提高改良填料所對應的最佳含水率。當填料含水率相同時，提升改良填料的壓實度能提升其回彈模量。且含水率對改良填料的影響隨著其壓實度的提升而越小。本工程水敏性軟巖最合理的摻灰率為6%，能最有效的改善該路基填料的CBR值和回彈模量。

關鍵詞：水敏性軟巖;含水率;回彈模量;摻灰率

0" "引言

水敏性軟巖抗風化能力差、遇水會有泥化現象的特點，導致其強度顯著降低，因此路基使用水敏性軟巖土進行填筑，易產生邊坡失穩、不均勻沉降等問題。針對水敏性軟巖的性能問題，眾多學者開展了一系列的研究。

周翠英等[1-2]通過實驗手段分析軟巖的基本物理特性、礦物組成、內部結構等，獲得了軟巖軟化的微觀機制，并且進一步研究了浸水作用下軟巖的物理特性。研究表明軟巖在浸水后，其強度迅速降低隨后緩慢減小直至趨于穩定。郭寅川等[3]以某高速公路所使用的軟巖路基填料為背景，通過試驗分析了軟巖的擊實性能、顆粒級配以及崩解特性等，系統研究了相關敏感參數對使用軟巖作為路基填料的路基穩定性影響。談云志等[4]利用三軸試驗儀器，分析了在干濕循環條件下不同動荷載作用下泥巖的性能變化，系統分析了荷載幅值、荷載頻率和孔隙等因素對泥巖路基的穩定性影響。方燾等[5]通過試驗手段研究了某公路路基的千枚巖軟巖填料的特性，分析了該路基填料的力學特性和物理性能。陳寶等[6]利用大三軸儀器對石灰改良路基土進行試驗研究，分析了固結比、摻灰率、動應變等影響因素對路基土彈性模量的影響。周葆春等[7]將石灰改良膨脹土制成壓實度為95%的試件，對其進行試驗分析，獲得石灰改良膨脹土的機制。

本文以水敏性軟巖高填方路基工程為背景，對路基的水敏性軟巖開展承載比和回彈模量試驗。研究了不同條件下摻灰率、含水率等參數的影響規律。

1" "工程概況

巴耶薩奧博羅馬38km路橋項目位于尼日利亞東南沿海三角洲地區，連接巴耶薩州首府耶諾亞和沿海產油重鎮奧博羅馬。該項目合同額約2億美元，工程全長38km，沿線分布著不同規模橋梁7座，路面設計為雙向兩車道，頂寬12.3m，行車道寬7.3m，兩側路肩各2.5m，按照尼日利亞最高等級公路標準實施。

本研究選用該公路工程項目為研究背景，選取軟巖高填方路基路段為研究對象。規范（JTGD30-2015）[8]規定，邊坡、中心填土高度大于20m的路堤被稱之為高填方路堤。該公路路段共有6處高填方路堤，具體的路段長度和填方情況如表1所示。

2" "試驗方案

將該路基水敏性軟巖在烘箱中進行烘干并碾壓，然后將碾碎的土料倒在圓孔篩上，并用振動儀振動篩選。將篩選出的土料加入水制成不同含水率的試件，并在重型擊實儀中分別以35次、55次、95次的擊實數進行擊實。

2.1" "承載比特性試驗

將試件置于多孔板上，并放置一張濾紙，同時固定試件筒和底板。倒置試件筒并放上頂板，同時加荷載塊。安裝測量裝置以測量浸水膨脹，記下初始讀數。緩慢注水直至水面超過試樣頂面2.5cm，靜置3天后記下最終讀數。將試樣取出靜置25min，隨后開展貫入試驗。

將試件置于強度測量器上，慢慢提升將臺使得試件剛好接觸貫入桿。將顯示變形和力的計數表清零，并再貫入桿上施加荷載。以1.2mm/min的速率下壓。每隔20s讀出測力表讀數為貫入量，當貫入量為10mm時結束試驗。

按照式（1）和（2）計算承載比。貫入量為2.5mm的承載比記為CBR2.5（%），貫入量為5mm的承載比記為CBR5（%），p為單位壓力（kPa），7000為貫入量為2.5mm的標準壓力，10500為貫入量為5mm的標準壓力。

CBR2.5=100p/7000" " " " " " " " " " " " "（1）

CBR5=100p/10500" " " " " " " " " " " " "（2）

2.2" "承載比特性試驗

將試件放在材料強度儀上，并完全接觸貫入桿。將預壓力設為最大值，分兩次下壓，每次1min百分表清零。將壓力分為6級，逐級加載，每級加載時長1min，且記下每級加載完的讀數。同樣分6級卸載，每級卸載時長1min，且記下每級卸載完的讀數。回彈模量為每級加載卸載后百分表讀數的差值。

3" "試驗結果分析

3.1" "承載比特性研究

依據不同填料的摻灰率和含水率，計算其中石灰、水和土的質量，制作成不同比例的水敏性軟巖石灰改良填料。圖1依據試驗結果給出了不同擊實數下改良填料的壓實度隨含水率變化的曲線，并對比了不同摻灰率的工況（擊實數為35、55、95，摻灰率分別為2%、4%、6%、8%）。

從圖1中可以看出，改良填料壓實度的變化規律相似。當擊實數相同時，改良填料壓實度隨著含水率先增大，當含水率達到某一定值時，壓實度達到峰值，隨著含水率的進一步增加，壓實度迅速減小。壓實度達到峰值時所對應的含水率為最佳含水率。

當含水率較低時，擊實功的增加能顯著提升改良填料的壓實度，且在最佳含水率條件下，這種影響最為顯著。當含水率進一步增大時，擊實功的增加不能顯著提升改良填料的壓實度。可見，路基填筑施工時，為了盡可能提升改良填料的壓實度，需使得其含水率盡可能接近最佳含水率。

進一步觀察壓實度變化曲線發現，當改良填料含水率處于最佳含水率時，其壓實度可達百分之百。2%改良填料達到100%密實度時的最佳含水率位12.4%。當提升改良填料石灰摻入比至4%、6%和8%時，其所對應的最佳含水率提高到14.6%、15.3%和16.8%。綜上所述，提升改良填料石灰摻入比例，可以提高改良填料所對應的最佳含水率。但與此同時其所對應的最佳干密度隨之降低。

圖2依據上述結果給出了不同擊實數下改良填料的CBR隨含水率變化的曲線。同樣對比了不同摻灰率的工況（擊打量為35、55、95，摻灰率分別為2%、4%、6%、8%）。

從圖2中可以看出，在任意擊實數和任意含水率下，不同摻灰率的石灰改良填料的CBR值均大于規范規定的8%的限制要求。可見，石灰的摻入能有效改良水敏性軟巖填料的CBR值。改良填料CBR的變化規律如下：當擊實數相同時，改良填料CBR值隨著含水率先增大;當含水率達到某一定值時，CBR值達到峰值;隨著含水率的進一步增加，CBR值迅速減小。這說明路基填筑施工中，合理提升填料含水率，可以減少浸水后路基填料的吸水能力，從而減少因浸水導致的強度降低。但含水率不能過高，否則會造成CBR值減小。

圖3給出了CBR峰值隨石灰摻灰率的變化曲線。從圖3中可以看出，改良填料在98擊下的 CBR峰值隨著參石灰摻入率先迅速增大，隨后增速下降并趨于穩定。改良填料石灰摻入率為2%、4%、6%、8%條件下，對應的CBR峰值分別為53.3%、68.9%、87.6%、91.6%。基于上述試驗結果可知，石灰能有效改良該路基填料的CBR，最合理的摻灰率為6%。

3.2" "回彈模量特性研究

在不同含水率條件下，將4種不同摻灰率的石灰改良填料，分別制成壓實度為93%、95%、97%的試件，對其開展回填模量試驗。依據試驗結果繪制不同壓實度試件的回彈模量隨含水率的變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，提升改良填料的壓實度會減小土顆粒間孔隙，使填料更加密實，從而提升改良填料抵抗變形的能力。因此，當填料含水率相同時，提升改良填料的壓實度能提升其回彈模量。

分析改良填料摻灰率為6%的工況，當改良填料壓實度為93%時，初始含水率對應的回彈模量為160kPa，最高含水率對應的回彈模量為127kPa，較初始含水率較低了20.6%;當改良填料壓實度為95%時，初始含水率對應的回彈模量為168kPa，最高含水率對應的回彈模量為141kPa，較初始含水率較低了16.1%;當改良填料壓實度為97%時，初始含水率對應的回彈模量為176kPa，最高含水率對應的回彈模量為157kPa，較初始含水率較低了10.8%。可見，含水率對改良填料的影響隨著其壓實度提升而越小。這表明不僅石灰改良填料的強度顯著提升，其水穩定性也顯著提升。

不同壓實度改良填料初始含水率所對應的回彈模量隨摻灰率的變化曲線，如圖5所示。從圖5可知，回彈模量隨改良填料摻灰率的提升先增大后減小，在摻灰率為6%時，回彈模量達到峰值。石灰能有效改良該路基填料的回彈模量，最合理的摻灰率同樣為6%。

4" "結論

本文以水敏性軟巖高填方路基工程為背景，對路基的水敏性軟巖開展承載比和回彈模量試驗。研究了不同條件下摻灰率、含水率等影響。主要得到以下結論：當含水率較低時，擊實功的增加能顯著提升改良填料的壓實度和CBR值，隨著含水量的增加，這種影響逐漸削弱。并且改良填料石灰摻入比例的提升可以提高改良填料所對應的最佳含水率。當填料含水率相同時，提升改良填料的壓實度能提升其回彈模量。且含水率對改良填料的影響隨著其壓實度的提升而越小。本工程水敏性軟巖最合理的摻灰率為6%，能最有效的改善該路基填料的CBR值和回彈模量。

參考文獻

[1] 周翠英，譚祥韶，鄧毅梅，等.特殊軟巖軟化的微觀機制研究[J].巖石力學與工程學報， 2005（3）：394-400.

[2] 周翠英，鄧毅梅，譚祥韶.飽水軟巖力學性質軟化的試驗研宄與應用[J].巖石力學與工程學報， 2005， 24（1）：33-38.

[3] 郭寅川，申愛琴，高韜，等.風化巖路基填料路用性能試驗與風化程度評價[J].交通運輸工程學報， 2014， 14（3）：15-23.

[4] 談云志，胡莫珍，周瑋韜，等. 荷載-干濕循環共同作用下泥巖的壓縮特性[J].巖土力學， 2016， 37（08）：165-171.

[5] 方燾，鄭明新，郭建湖.軟巖填筑路基的壓實特性研究[J].路基工程， 2006（1）：52-55.

[6] 陳寶，李永剛.石灰改良路基土動彈性模量的影響因素分析[J].地下空間與工程學報，2011， 7（S1）：524-528.

[7] 周葆春，孔令偉，郭愛國.石灰改良膨脹土的應力-應變-強度特征與本構描述[J].巖土力學， 2012， 33（4）：999-1005.

[8] 中華人民共和國交通部.JTGD30—2015公路路基設計規范[S].北京：人民交通出版社，2015.