軟巖質粗顆粒用作公路路基填料的級配及力學性能探討

劉鵬飛

摘要 為有效探究軟巖質粗顆粒路基填料級配及力學特性，文章以某山區公路路基填筑施工為背景，利用四分法，并結合顆粒填充基本原理，對軟巖填料實施分級及級配組合，通過室內模型動力加載試驗，系統分析了各種級配條件下軟巖填料力學性能。結果顯示：（1）軟巖填料力學性能與顆粒級配密切相關；（2）軟巖填料承載性能是由其內部粗顆粒決定的，尤其是對于粗礫組顆粒（20～60 mm）組成的骨架結構發揮著至關重要的作用；（3）軟巖填料回彈模量最大值出現在最佳含水率及粒徑大于P5顆粒含量為60%～70%的條件下，該狀態下填料級配最優，容易組成骨架密實結構，具有優良的力學性能。

關鍵詞 公路項目；軟巖粗顆粒路基填料；級配類型；力學特性

中圖分類號 U416.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0110-03

0 引言

軟巖粗顆粒路基填料力學性能與其內部顆粒級配組成及強度密切相關，尤其以級配影響最為突出[1-2]。根據以往工程實踐，大部分粗顆粒填料路基出現沉降過大或失穩坍塌的根本原因，均是路基填料級配不合理。為此，該文結合某山區公路路基填筑案例，通過相關試驗，系統分析了各種級配條件下軟巖粗粒土力學性能，以期能有效提升軟巖粗粒土路基填筑質量，保證公路運營安全[3]。

1 工程概況

某山區公路項目，沿線地理環境復雜多變，局部路段位于丘陵地帶，路基填筑高度較大，由于優質路基填筑材料較為匱乏，難以滿足該路段路基填筑實際需要，因此，擬采用現場挖方路段產生的天然軟巖代替局部區域灰土填料進行填筑施工，以有效解決填料短缺問題。經現場提取土樣檢測發現，軟巖材料為土石混合狀態，粗顆粒含量較大，質地較軟，但經壓實處理后其承載性能完全符合標準要求，是一種價格低廉的優質路基填料[4]。

2 軟巖質粗粒土顆粒組成及試驗方案

2.1 原材料取樣

現場提取土樣為土石混合料，其成分以花崗巖為主，呈輕微風化狀態[5]。通過試驗檢測，其相關技術指標完全符合標準要求。篩分結果顯示：提取土樣中粒徑大于60 mm的顆粒比例介于15%～18%范圍內，天然含水率15.1%。通過標準擊實試驗檢測，土樣最大干密度2.118 g/cm3，最佳含水率7.5%。

2.2 試驗目的及項目

在工程實踐中，天然軟巖粗粒土加工階段，由于其粒度變化較大，導致其工程性能出現差異。該項目針對軟巖質粗粒土的級配特征、力學特性開展研究，通過對自然條件下軟巖質粗粒土的級配、中粗粒含量及其力學性能的分析，為類似工程的設計提供借鑒[6]。

該次試驗細目分析的內容包括瀝青混合料的級配、力學性質測試。采用級配實驗對軟巖石粗顆粒填料的粗顆粒含量、粒徑分布進行了研究。在此基礎上，采用室內實驗、室內模擬相結合的方法，開展軟巖石細顆粒級配、含水量等因素對動態彈性模量的影響規律探究，并討論其與路基填料之間的相關性[7]。

2.3 試驗方案

（1）級配試驗：根據現行《公路土工試驗規程》相關規定，采用四分法提取試樣，實施篩分及粒徑等級劃分，并通過相關計算準確求出三種顆粒等級的質量比[8]。結合顆粒填充基本原理，并依據質量比進行配制，從而獲得5種級配不同的混合料，分析其級配特征，具體如下：①A類土：1/3中料+1粗料；②B類土：2/3中料+1粗料；③C類土：3/3中料+1粗料；④D類土：1/2細料+3/3中料+1粗料；⑤原狀土：2/2細料+3/3中料+1粗料。

（2）力學特性試驗：采用粗顆粒填料進行路基填筑時，填料級配類型、含水率等相關指標均會在一定程度上影響結構承載性能[9]。所以，按照規范要求制備不同級配及含水率條件下的路基填料，實施室內模型動力加載試驗，從而有效獲得材料的力學特性。

2.4 試件制備及試驗設備

為獲得各種級配的路基材料，按照細、中、粗三種等級對土樣實施篩選后，根據各種級配材料配比，準確稱量出相應粒徑材料用量，充分攪拌均勻后，依據試驗確定的含水率加水拌和，試樣配制完成后，及時放置于模具內充分壓實，并施加荷載實施檢測[10]。

試驗模具選用特定規格、硬度較大的組拼式木模具，檢測時采用便攜式彈性模量檢測儀實施加載，采用該儀器能夠隨時獲取加載狀態下填料回填模量。

3 試驗結果與分析

3.1 不同摻配比填料級配分析

通過篩分計算得到試樣初始級配組成，其質量比細∶中∶粗=1∶3.84∶1.87，中、粗顆粒比例較大，約占總量的75%，符合相關標準中粗顆粒含量大于50%的基本要求。結合篩分結果可知，填料最大粒徑大部分位于15 cm以內，符合最大粒徑限制標準要求。由此可知，所取試樣屬于代表性軟巖粗粒土填料。提取適量軟巖粗粒土試樣，根據逐級復原摻配標準分別制備A、B、C、D及原狀土混合料，并對其級配實施分析，得到各種配比條件下混合料級配曲線、不均勻系數Cu和曲率系數CC，如圖1所示。

由圖1可知：針對粒徑為0～60 mm的粗顆粒軟巖填料，以0～2 mm、2～20 mm及20～60 mm三個等級進行分級后，通過逐級復原方式可有效恢復土體級配，能夠獲得各種標準型路基填料。級配優良的填料，必須符合Cu>5，CC=1～3的標準要求，并且顆粒級配曲線應平順。據此能夠判定，B、C類填料CC＜1，為級配不良填料；A類填料Cu、CC盡管符合優良填料標準要求，但優良率較低；而D類填料Cu、CC完全滿足級配優良標準，并且級配曲線較為平順，所以此級配標準為優質填料，隨填料摻量的逐漸增大，混合料級配越來越好，優良程度顯著增大。

3.2 不同級配土的回彈模量試驗結果分析

（1）中、粗顆粒土彈性模量分析。選取軟巖粗顆粒中的中、粗粒料實施加載試驗，從而獲得中、粗粒料對應的回彈模量，分析級配對回彈模量的影響。分別向中、粗試樣中摻加8%左右的水實施拌和，以分層厚度20 cm為標準實施分層壓實，依次測取中、粗試樣自下而上1～4層的壓實土彈性模量，如圖2所示。

由圖2可知：粗顆粒填料彈性模量顯著高于中顆粒模量。按照現行《公路土工試驗規程》相關規定，粗顆粒屬于粗礫組。根據軟巖粗粒土結構強度表現特征，粗粒料嵌擠強烈，具有優良的骨架支撐作用。

（2）摻配土彈性模量分析。選取A、B、C、D及原狀土混合料實施加載試驗，分層壓實后模型整體厚80 cm。測得各土樣含水率為8%，5種土樣回彈模量Ed，如圖3所示。

從圖3可知：

（1）當路基填料按照級配等級進行逐級填充時，土體彈性模量不斷增大，結合篩分試驗對5類土中粒徑大于P5的顆粒含量統計結果可知，粒徑大于P5的顆粒含量由83.96%下降至62.12%。由此可知，A、B、C三類土中粒徑大于P5的顆粒含量均位于70%以上，此類土體壓實狀態下為骨架-空隙型結構，細粒料含量相對較少，無法有效充填骨架間隙，所以壓實度相對較差。

（2）D類土與原狀土中粒徑大于P5的顆粒含量為70%左右，細粒料含量較大，能夠完全充填骨架間隙，形成骨架-密實結構，所以此級配狀態下土體力學性能較好，能夠表現出較強的承載性能，且彈性模量較大。由此可知，軟巖填料承載性能是由其內部粗顆粒決定的，尤其對于粗礫組顆粒（20～60 mm）組成的骨架結構發揮至關重要的作用，同時，細粒料有效填充于骨架間隙，對保證填料承載性能也具有一定的增強作用。

3.3 不同含水率土的動態回彈模量試驗結果分析

選取原狀土實施加載試驗，分層壓實后土體模型整體厚60 cm，測得含水率主要包括三個梯度，依次為2.355%、8.361%、13.945%，處于干燥、中濕、過濕狀態。而中濕狀態含水率接近土體最佳含水率7.6%。各種含水率條件下土體彈性模量，如圖4所示。

由圖4可知：

（1）三種含水率梯度條件下，路基填料彈性模量依次為22.5 MPa、30.0 MPa和24.8 MPa。

（2）結合現有粗粒料試驗檢測結果可知，當含水率增大時，填料干密度出現雙峰值變化形態。其中第一峰值出現在干燥狀態下，而當含水率逐漸增大時，填料干密度持續下降，待降至一定值后又呈現上升趨勢，達到最佳含水率狀態下出現第二次峰值。

（3）粗顆粒土干密度具有雙峰值變化特性，且干密度在一定程度上決定填料壓實度，所以工程實踐中，要嚴格控制路基填料含水率，確保其處于最佳狀態，能有效提升路基壓實度，保證路基填筑質量。

通過上述分析可知，公路工程路基填筑施工時，為有效提升路基壓實度和力學特性，最大限度保證路基施工質量，應嚴格控制填料含水率，確保處于最佳含水率水平。同時，還要合理確定填料級配組成，使其處于優良水平，從而全面提升路基填筑質量。針對軟巖填料，應將其粒徑大于P5顆粒含量控制在60%～70%范圍內，使其內部細粒料充分填充骨架間隙，有效提升填料力學強度。

4 結語

綜上所述，該文結合某山區公路路基填筑施工實踐，針對軟巖質粗顆粒用作公路路基填料的級配及力學性能展開綜合探究，通過相關試驗，系統分析了各種級配條件下軟巖粗粒土力學性能，主要結論如下：

（1）軟巖粗粒土是一種價格低廉的優質土石混填料，可組成骨架-密實結構。軟巖填料承載性能是由其內部粗顆粒決定的，尤其對于粗礫組顆粒（20～60 mm）組成的骨架結構發揮至關重要的作用，同時，細粒料有效填充于骨架間隙，對保證填料承載性能也具有一定的增強作用。

（2）對于軟巖粗顆粒填料，當其含水率處于最佳含水率及大于P5顆粒含量處于60%～70%范圍內力學特性最優。工程實踐中，采用此類填料填筑施工時，需嚴格控制填料含水率，使其保持在最佳含水率狀態，并控制好大于P5顆粒含量。文中D類土與原狀土中粒徑大于P5的顆粒含量為70%左右，土體力學性能較好，能夠用于路基填筑施工中。

（3）天然狀態下，軟巖粗粒土內部含有巨粒土（＞60 mm）和細粒土（＜2 mm），會在一定程度上影響填料壓實度，從而顯著降低土體承載性能。所以，工程實踐中，對于含有粗、細粒土的填料，如何科學確定其含量限值及其對填料力學性能的影響，有待進行更加深入的探究。

參考文獻

[1]王龍生. 道路受基坑開挖影響沉降變形的有限元分析[J]. 江西建材， 2023（4）： 244-246.

[2]李永奎， 馬鵬. 粗顆粒含量對川西混合土抗剪強度的影響研究[J]. 路基工程， 2020（1）： 67-70.

[3]劉曼曼， 王磊， 劉亞濤. 粗集料針片狀顆粒含量對瀝青混凝土性能的影響研究[J]. 科技創新與應用， 2022（13）： 80-82+87.

[4]張生林. 高速公路路基防護與加固處理技術研究[C]. 2020萬知科學發展論壇論文集（智慧工程三）， 中國智慧工程研究會智能學習與創新研究工作委員會， 2020： 212-218.

[5]廖祎來， 林寰宇， 蔡俊峰， 等. 細顆粒含量及含水率對粉砂土抗剪強度影響研究[J]. 路基工程， 2022（1）： 49-52.

[6]翟世聰， 方明鏡， 高昌建， 等. 顆粒組成對冰水堆積土路基填料工程特性的影響[J]. 公路， 2021（1）： 25-30.

[7]王浩， 鄭永杰， 王琳， 等. 粗骨料針片狀顆粒含量對混凝土性能的影響研究[J]. 中國建材， 2020（4）： 115-118.

[8]王貴榮， 董晨， 段釗， 等. 粗顆粒組分含量對中細砂抗剪強度的影響[J]. 西安科技大學學報， 2020（1）： 24-30.

[9]李巖. 公路路基與橋涵過渡段施工技術[J]. 交通世界， 2021（9）： 47-48.

[10]董洪新. 公路路基施工及其壓實質量控制[J]. 交通世界， 2020（Z1）： 62-63.