山西黃土CBR 的影響分析

吳喜榮， 申俊敏

(山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006)

0 引言

加州承載比(CBR)，是起源于美國加尼福尼亞州的一種以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征其承載能力的試驗(yàn)方法［1-2］。許多學(xué)者對于CBR 的影響因素，以及與含水量和壓實(shí)度的關(guān)系做過很多的研究，哪個(gè)影響因素對于CBR 值的大小起著關(guān)鍵的作用，這方面的研究還比較少，對于相同名稱的土質(zhì)，含水量和壓實(shí)度對于CBR 值的影響規(guī)律是否一致，在不同壓實(shí)度條件下，含水量與CBR 具有怎樣的相關(guān)關(guān)系，這些問題有待進(jìn)一步的研究。通過室內(nèi)試驗(yàn)研究，對上述問題開展部分研究。

1 影響因素及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1．1 土樣的物理特性

在山西省的不同地區(qū)選取5 種黃土，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)［3］的試驗(yàn)步驟和方法進(jìn)行土樣的物理指標(biāo)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 路基黃土物理性質(zhì)指標(biāo)表

5 個(gè)土樣的顆粒主要集中在0．075 ～0．002 mm 之間，粉粒含量大于50%以上，粘粒含量很小。不均勻系數(shù)Cu＜5，粒徑分布均勻，顆粒大小差別不大，曲率系數(shù)主要集中在0 ～1．5，較小粒徑顆粒偏多，沒有形成良好的級(jí)配。由于土的粒徑分布曲線不能同時(shí)滿足Cu＞5，Cc=1 ～3 的要求。因此它是以粉粒為主，含粘粒極少的級(jí)配不良土。

1．2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)已有研究結(jié)果表明，CBR 值的主要影響因素有壓實(shí)度，含水量和土樣的種類［4-6］。對5 種土樣，采用重型擊實(shí)方法，按照(3 層×98 次、3 層×75 次、3 層×50 次、3 層×30 次)的擊實(shí)次數(shù)制備兩組試件，含水量分別取最佳含水量，最佳含水量±2%含水量共3 至4 個(gè)水平的含水量，一組試件按照規(guī)范的試驗(yàn)步驟和方法進(jìn)行CBR 值的測定，另一組試件不進(jìn)行浸水，直接進(jìn)行CBR 的試驗(yàn)。

2 浸水CBR 試驗(yàn)結(jié)果分析

2．1 試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖1 中可以看出，①5 種黃土土樣在不同擊實(shí)次數(shù)下的變化趨勢大致相同，CBR 都是隨著含水量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;②5 種黃土土樣都是隨著擊實(shí)次數(shù)越高，浸水CBR 值越大;③某一含水量下，無論是否飽水，這幾種黃土的CBR 值均受壓實(shí)度的影響，大體趨勢是隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，CBR 值增大。

圖1 不同擊實(shí)次數(shù)條件下浸水CBR 與含水量的相關(guān)關(guān)系

在最佳含水量的干測時(shí)，試樣處于非飽和狀態(tài)，CBR 值隨壓實(shí)度增大而增大，并且隨著擊實(shí)次數(shù)的增大，CBR 增大幅度變大;在最佳含水量的濕測，隨著的壓實(shí)度的增大，造成空隙水壓力越大，空隙也越大，土體的凝聚力、內(nèi)摩擦力減小，CBR 值增加幅度降低，并且當(dāng)含水量繼續(xù)增大時(shí)，在同一含水量條件下，浸水CBR 不再隨著壓實(shí)度的增大而增大，反而有減小的趨勢，當(dāng)含水量超過一定值時(shí)，無論壓實(shí)度如何提高，CBR 值都很難得到提高。

另外，雖然制備含水量低于最佳含水量的壓實(shí)土樣在浸水飽和前的強(qiáng)度很高，但浸水飽和后的強(qiáng)度卻大大降低，愈干的土樣，強(qiáng)度降低的幅度愈大，即強(qiáng)度穩(wěn)定性愈差。而在最佳含水量時(shí)被壓實(shí)的土樣，浸水飽和后的強(qiáng)度最高，且浸水前后的強(qiáng)度差異不大，強(qiáng)度穩(wěn)定性最好。由此可見，要提高路基的強(qiáng)度就要控制土基的壓實(shí)度，而碾壓時(shí)的含水量是影響壓實(shí)度和浸水后路基強(qiáng)度的重要因素，即土基強(qiáng)度和壓實(shí)度及含水量有密切的相關(guān)性。

2．2 不同擊實(shí)次數(shù)下的浸水CBR 與含水量的相關(guān)關(guān)系

對上述圖1 中的4 種不同擊實(shí)次數(shù)下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析并建立表2 ～表6 的關(guān)系式。

從表2 ～表6 中5 個(gè)土樣的相關(guān)關(guān)系式可以看出，隨著擊實(shí)次數(shù)的增大，浸水CBR 與含水量的相關(guān)關(guān)系式呈現(xiàn)相同的規(guī)律性，關(guān)系式的一次項(xiàng)系數(shù)、二次項(xiàng)系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)的絕對值都是隨著擊實(shí)次數(shù)的增大呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢。

從上述規(guī)律性可以看出，浸水CBR 與含水量的關(guān)系曲線呈現(xiàn)開口向下的拋物線形式。并且隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，拋物線的開口越小，說明隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，浸水CBR 與含水量的關(guān)系曲線越陡，浸水CBR 值在含水量的兩側(cè)附近隨著含水量的增大，變化趨勢越明顯。

3 未浸水CBR 試驗(yàn)結(jié)果分析

3．1 試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖2 可以看出，不浸水CBR 在不同壓實(shí)度條件下，變化規(guī)律基本一致:

(1)5 個(gè)土樣的不浸水CBR 都是隨著含水量的增大而逐漸減小。對于這個(gè)變化規(guī)律的解釋，一般是以土的水膜理論來說明，該理論認(rèn)為土樣中的水呈兩種狀態(tài)，一種是符合液體規(guī)律的自由水，另一種是包圍土粒周圍的結(jié)合水。土樣在小于最佳含水量下壓實(shí)時(shí)，土樣中的水以結(jié)合水的形式包圍與土粒周圍，由于土粒表面電子力的作用，使這層結(jié)合水膜具有類似固體的性質(zhì)，即具有特殊的粘滯性、抗剪性和彈性，構(gòu)成土粒間相互位移的阻力。這層水膜越薄這種特性就會(huì)越明顯，隨著水膜的增厚土粒表面電子力的控制作用減弱，從而使這些性能迅速喪失，因此，相同壓實(shí)度下，隨著含水量的增加水膜厚度的增厚，路基強(qiáng)度不浸水CBR 在變小。而當(dāng)土樣在大于最佳含水量下壓實(shí)時(shí)土樣逐漸飽和，隨著自由水的增多束縛水的電子力作用逐漸消失，土粒間的粘結(jié)力和摩擦力逐漸消失，使土粒間產(chǎn)生潤滑作用，同時(shí)土粒位移的阻力大為減小，導(dǎo)致土粒間小范圍內(nèi)產(chǎn)生相互錯(cuò)動(dòng)，使強(qiáng)度降低。

(2)5 個(gè)土樣的不浸水CBR 是隨著擊實(shí)次數(shù)的增大而增大。對這一現(xiàn)象的解釋是，當(dāng)含水量一定時(shí)，隨著壓實(shí)度的增加密實(shí)度增加，顆粒間的粘聚力、摩擦力都在增加，因此強(qiáng)度在增大。

圖2 不同擊實(shí)次數(shù)條件下不浸水CBR 與含水量的相關(guān)關(guān)系

3．2 不同擊實(shí)次數(shù)下的不浸水CBR 與含水量的相關(guān)關(guān)系

對上述圖2 中的4 種不同擊實(shí)次數(shù)下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析并建立表7 ～表11 的關(guān)系式。

從表7 ～表11 中5 個(gè)土樣相關(guān)關(guān)系式可以看出，由于試驗(yàn)誤差或者操作等原因?qū)е翪 土樣、A 土樣和E 土樣在30 次擊實(shí)次數(shù)條件下規(guī)律性反常以外，其它數(shù)據(jù)的規(guī)律性都比較明顯，規(guī)律性同上述浸水CBR 與含水量的規(guī)律性相同。

從上述浸水和未浸水CBR 試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的試驗(yàn)條件下，飽水96 h 和未飽水試件的CBR 值有很大差異，尤其是在最佳含水量的干測，未浸水試件的CBR 值比最佳含水量條件下的CBR 值更大或者相差不大，而飽水96 h 試件的CBR 值比最佳含水量條件下的CBR 值降低很多，因此，水浸泡試驗(yàn)對CBR 值有著非常重要的影響。路基在不利情況下，路基土的含水量將大于最佳含水量，都會(huì)帶來填料CBR 值的急劇下降，路基的強(qiáng)度和剛度也隨之降低。

表2 A 土樣浸水CBR 與含水量的相關(guān)關(guān)系式

表3 B 土樣浸水CBR 與含水量的相關(guān)關(guān)系式

表4 C 土樣浸水CBR 與含水量的相關(guān)關(guān)系式

表5 D 土樣浸水CBR 與含水量的相關(guān)關(guān)系式

表6 E 土樣浸水CBR 與含水量的相關(guān)關(guān)系式

表7 A 土樣不浸水CBR 與含水量的相關(guān)關(guān)系式

表8 B 土樣不浸水CBR 與含水量的相關(guān)關(guān)系式

表9 C 土樣不浸水CBR 與含水量的相關(guān)關(guān)系式

表10 D 土樣不浸水CBR 與含水量的相關(guān)關(guān)系式

表11 E 土樣不浸水CBR 與含水量的相關(guān)關(guān)系式

4 結(jié)論

(1)浸水CBR 與含水量的關(guān)系曲線呈現(xiàn)開口向下的拋物線形式，并且隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，拋物線的開口越小，說明隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，浸水CBR 與含水量的關(guān)系曲線越陡，浸水CBR 值在含水量的兩側(cè)附近隨著含水量的增大，變化趨勢越明顯。

(2)影響CBR 的3 個(gè)因素中，最為敏感的因素是含水量，在最佳含水量條件下的CBR 值最大。在最佳含水量條件下，試件的CBR 值是隨著擊實(shí)次數(shù)的增加而增大。

(3)同一地區(qū)，不同種黃土種類，在相同的試驗(yàn)條件下，CBR 存在的較大的差異，表明黃土的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與CBR 值密切相關(guān)。

(4)低液限粉土的粘聚性很差，只有借助土壤中孔隙水的潤滑作用，才能達(dá)到壓實(shí)目的，另外，其保水性不好，在施工過程中易失水，壓實(shí)出現(xiàn)“返松”，施工可以在壓實(shí)時(shí)適當(dāng)提高含水量予以彌補(bǔ)。

［1］辛強(qiáng)，王選倉，穆柯．干旱半干旱地區(qū)路基CBR 值標(biāo)準(zhǔn)的修訂［J］．長安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，33(2):25-28．

［2］鄧露，李向東．路基土的CBR 強(qiáng)度與壓實(shí)度關(guān)系的試驗(yàn)研究［J］． 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):城市科學(xué)版，2005，22(5):109-112．

［3］中華人民共和國交通部．JTJ051—93 公路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］．北京:人民交通出版社，1993．

［4］魏玉峰，胡長智，李有．CBR 試驗(yàn)作用機(jī)理與影響因素研究［J］．華東公路，2006(10):73-75．

［5］陳柏年，朱風(fēng)艷，韓勤．CBR 試驗(yàn)機(jī)理研究及影響因素的分析［J］．交通標(biāo)準(zhǔn)化，2001(1):28-30．

［6］龐巍，楊廣慶，呂鵬．影響公路路基填料CBR 試驗(yàn)值的因素分析［J］．石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，19(4):26-29．