粉土路基壓實(shí)控制指標(biāo)的分析研究

，，，，*,2,3

(1.太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 山西太原030024；2.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；3.巖土與地下工程山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西太原030024)

0 引言

粉土廣泛分布于我國(guó)的西北、華北等地，是一種區(qū)域性特殊土，是山西部分地區(qū)公路建設(shè)的路基填料。回填土由于經(jīng)過(guò)開(kāi)挖、搬運(yùn)以及填筑使得天然黃土原有的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，物理力學(xué)狀態(tài)改變，使其具有不同于原狀黃土的力學(xué)特性[1-2]。粉土粒徑比較單一具有可壓實(shí)性(土體在不規(guī)則荷載作用下其密度增加的性狀)和水敏性(壓實(shí)土遇水飽和會(huì)發(fā)生附加壓縮，其強(qiáng)度有潛在下降的一面，即浸水軟化使其強(qiáng)度降低)[3]。有關(guān)分析研究表明粉土擊實(shí)后在最密實(shí)狀態(tài)下孔隙率仍較大，很容易產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象繼而引起翻漿對(duì)公路造成破壞[4]。武科等研究認(rèn)為粉土壓實(shí)按現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)偏低[5]，在山區(qū)施工時(shí)地形地貌等各種環(huán)境因素對(duì)施工機(jī)械的限制，路基的壓實(shí)質(zhì)量很難得到保證，而路基壓實(shí)質(zhì)量的好壞直接影響著道路的使用性能和耐久性。為了保證壓實(shí)質(zhì)量，我國(guó)新實(shí)行的《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)將原有的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)提高了1到3個(gè)百分點(diǎn)。有研究表明細(xì)粒填土壓實(shí)過(guò)度，會(huì)使其易于吸水膨脹，強(qiáng)度降低，發(fā)生失穩(wěn)破壞[6]。Braja等總結(jié)得出在同一能級(jí)同等壓實(shí)度條件下干側(cè)的壓實(shí)土體趨于絮凝式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)下的壓實(shí)土體具有高滲透和低壓縮的特性[7-9]。如果施工含水量較低路基在壓實(shí)后受地表水、地下水等自然因素的影響，水份滲入極易造成路基承載能力和穩(wěn)定性不足產(chǎn)生工后不均勻沉降進(jìn)而引發(fā)一系列的工程病害。

多數(shù)土體材料會(huì)在一定含水量下?lián)魧?shí)得到最大干密度[10]，但由于土體的非勻質(zhì)和各向異性導(dǎo)致不同土體的最大干密度和最優(yōu)含水量差別很大。在實(shí)際工程中可能會(huì)因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)與室內(nèi)試驗(yàn)所采用壓實(shí)能量等不一致造成壓實(shí)度超百的現(xiàn)象，這會(huì)對(duì)填土的壓實(shí)質(zhì)量造成誤判進(jìn)而產(chǎn)生崩塌、沉降變形等隱患。因此需要對(duì)不同類型的填土路基制定不同的壓實(shí)控制指標(biāo)，本文通過(guò)對(duì)粉土室內(nèi)試驗(yàn)研究分析指出壓實(shí)度作為粉土路基壓實(shí)質(zhì)量控制的單一指標(biāo)的不足，并提出壓實(shí)度與含氣率共同作為粉土壓實(shí)質(zhì)量的雙控指標(biāo)的可行性。

1 試驗(yàn)土樣基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)土樣取自山西忻州市原神高速工地，依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[11]進(jìn)行顆粒分析、比重和液塑限等基本試驗(yàn)。得到土樣的基本物理指標(biāo)列于表1。

表1 試樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic physical properties of soil samples used in lab

由表1數(shù)據(jù)結(jié)合《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50145—2007)[12]可得試驗(yàn)土樣細(xì)粒含量超過(guò)50 %，且塑性指數(shù)Ip<10可判定為粉土。已有的工程經(jīng)驗(yàn)表明這類土體作為填筑土極易引起路基病害。

2 室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)

本試驗(yàn)所用土樣采用干法制備，采用標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定其擊實(shí)曲線，擊實(shí)層數(shù)為5層。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表2。

表2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of compaction test

由擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果擬合土樣在2 684.9 kJ/m3擊實(shí)能下的干密度與含水量曲線，得到該擊實(shí)能下試驗(yàn)所用粉土的最大干密度為1.973 g/cm3，最優(yōu)含水量為12.87 %。如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)土樣的擊實(shí)曲線Fig.1 Compaction curve for the used in test

3 壓實(shí)度作為壓實(shí)質(zhì)量控制指標(biāo)的缺陷

3.1 壓實(shí)度自身的不準(zhǔn)確性

壓實(shí)度是工程中填土質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)之一，土的壓實(shí)系數(shù)λc定義為現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)材料壓實(shí)后的干密度ρd與室內(nèi)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得土樣的最大干密度ρdmax之比[3]，由下式表示:

λc=ρd/ρdmax,

(1)

式中：λc為土的壓實(shí)度，以百分率表示；

ρd為現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)材料壓實(shí)后實(shí)測(cè)干密度，g/cm3；

ρdmax為室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)所得最大干密度，g/cm3。

由式(1)可知土體的壓實(shí)程度可以通過(guò)該土體的密度來(lái)反映，最大干密度是控制回填土壓實(shí)度的重要參數(shù)。而最大干密度是根據(jù)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)確定的，與擊實(shí)能的大小有密切關(guān)系。這樣就可能存在施工現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)芗?jí)是否一致的問(wèn)題。同時(shí)室內(nèi)外試驗(yàn)環(huán)境的差異性以及現(xiàn)場(chǎng)施工含水量不易控制等因素都會(huì)導(dǎo)致壓實(shí)系數(shù)作為壓實(shí)質(zhì)量控制的唯一指標(biāo)的不準(zhǔn)確性。

3.2 現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的壓實(shí)質(zhì)量要求

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)對(duì)填方路基、路床的壓實(shí)度規(guī)定見(jiàn)表3。

在ρmax=1.973 g/cm3的條件下，當(dāng)取壓實(shí)度不小于95 %作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即控制干密度為1.874 g/cm3。由圖1可知，壓實(shí)曲線上會(huì)有2個(gè)點(diǎn)滿足這個(gè)要求，即擊實(shí)含水量為ωa=10.22 %，偏干側(cè)和擊實(shí)含水量為ωb=15.56 %，偏濕側(cè)。也就是表明，如果在擊實(shí)能為2 684.9 kJ/m3的條件下，擊實(shí)含水量在10.22 %～15.56 %區(qū)間時(shí)，壓實(shí)度就可以達(dá)到≥95 %。在最優(yōu)含水量?jī)蓚?cè)不同含水量下?lián)魧?shí)的土樣，雖然具有相同的干密度和壓實(shí)度，但是是否具有相同的工程特性呢？下面將對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)和分析。

表3 路基(床)壓實(shí)度要求[13]Tab.3 Requirements for compaction of subgrade (bed)

3.3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)及結(jié)果分析

分別配制含水量為10.22 %和15.56 %的試樣，采用擊實(shí)能為2 684.9 kJ/m3擊實(shí)試樣后制備剪切樣，每個(gè)含水量制備2組剪切樣一組浸水一組不浸水分別進(jìn)行快剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下表4。

表4 直剪試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of direct shear test

由表4的試驗(yàn)結(jié)果得兩種含水量浸水與不浸水條件下抗剪強(qiáng)度的對(duì)比圖見(jiàn)圖2。

(a) 含水量為10.22 %土樣浸水前后抗剪強(qiáng)度對(duì)比

圖2擊實(shí)試樣浸水前后抗剪強(qiáng)度比較
Fig.2Comparisonofshearstrengthofcompactedspecimensbeforeandafterimmersioninwater

由表4和圖2可知兩種擊實(shí)的試樣含水量不浸水條件下在不同圍壓下的抗剪強(qiáng)度相差10～15 kPa，但浸水以后的抗剪強(qiáng)度基本相同。同時(shí)浸水后試樣的黏聚力下降明顯，內(nèi)摩擦角則變化不大。而且含水量為10.22 %試樣浸水后抗剪強(qiáng)度下降更多。如果路基填土在達(dá)到壓實(shí)度規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的前提下施工含水量偏干側(cè)，一旦工后遇水浸濕，其強(qiáng)度降低明顯，可能會(huì)降低公路的承載能力。

4 含氣率指標(biāo)

4.1 含氣率的含義

含氣率na在德國(guó)和日本是作為填土壓實(shí)的控制指標(biāo)之一，顧名思義，它是指土體中空氣所占體積的百分?jǐn)?shù)，當(dāng)土體的孔隙全部被氣占據(jù)，則含氣率最大，如果土體理想的完全飽和，含氣率近乎為零，此時(shí)土體是水敏性最低的。含氣率可由下式表示：

nA=Va/V×100 %,

(2)

在相應(yīng)的干密度ρd和含水量ω下，含氣率na又可用下式[14]表示：

(3)

根據(jù)式(3)得在同一擊實(shí)能下五種不同含水量擊實(shí)后土樣的含氣率列于表5。

表5 試樣不同含水量下對(duì)應(yīng)的含氣率Tab.5 Corresponding gas holdup under different water content

根據(jù)上表得出相應(yīng)滿足壓實(shí)度要求區(qū)間的含水量下對(duì)應(yīng)的含氣率見(jiàn)圖3。

由圖3可知在滿足規(guī)范中壓實(shí)度要求的含水量區(qū)間對(duì)應(yīng)的含氣率為11.4 %～2 %。而且在偏干測(cè)含氣率變化較大，說(shuō)明土中空氣體積較大，故其吸水能力強(qiáng)，浸水后土體強(qiáng)度下降快，壓縮變形也隨之增大。

4.2 含氣率作為控制指標(biāo)的科學(xué)性分析

路基施工通常是利用壓實(shí)機(jī)械使土顆?？朔ｉg阻力重新排列，土中孔隙減小、密度增加，在短時(shí)間內(nèi)得到新的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[3]。在實(shí)際的填方工程中，要使回填土的含水量剛好達(dá)到最優(yōu)含水量是很難實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)使用粉土等細(xì)粒土作為填筑土?xí)r即使壓實(shí)度滿足相關(guān)規(guī)范要求，如果施工含水量處于偏干側(cè)時(shí)，土體的水穩(wěn)定性相對(duì)較差；處于偏濕側(cè)時(shí)孔隙充滿自由水，壓實(shí)效果則會(huì)下降，為此我們引入與含水量和干密度均有聯(lián)系的含氣率指標(biāo)來(lái)補(bǔ)充壓實(shí)度指標(biāo)的不足。如圖4可知不同能量下壓實(shí)粉土達(dá)到最大干密度的含氣率卻相差不大，因此使用含氣率作為粉土壓實(shí)質(zhì)量控制的第二指標(biāo)是可行的，同時(shí)還可以部分消除能量變化的影響。表6列出了不同能級(jí)下最優(yōu)含水量所對(duì)應(yīng)的含氣率，可知含氣率穩(wěn)定在6 %左右(最大擊實(shí)能取圖4陡降段的末端)因此對(duì)粉土作為填筑土壓實(shí)后在滿足壓實(shí)度的標(biāo)準(zhǔn)之外還需要控制其含氣率不高于6 %，才能保證此回填路基具有良好的承載力和穩(wěn)定性。

圖3含水量與含氣率關(guān)系
Fig.3Relationshipbetweenwatercontentandgascontent

圖4不同擊實(shí)能下干密度與含氣率的關(guān)系
Fig.4Relationshipbetweendrydensityandgascontentunderdifferentcompactionenergy

表6 不同能級(jí)最優(yōu)含水量對(duì)應(yīng)的含氣率Tab.6 Gas content corresponding to the optimal water content of different energy levels

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)得出試驗(yàn)粉土的標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)曲線，以壓實(shí)度為0.95為控制指標(biāo)，對(duì)干濕兩個(gè)擊實(shí)含水量擊實(shí)土樣浸水前后抗剪強(qiáng)度各指標(biāo)的變化進(jìn)行了分析，得出壓實(shí)度作為壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)控制唯一指標(biāo)的不足，并提出粉土用作填筑土?xí)r需在滿足壓實(shí)度基本指標(biāo)的前提上，還要控制填土壓實(shí)后的含氣率不高于6 %(na≤6 %)的第二條指標(biāo)。以壓實(shí)度和含氣率作為粉土壓實(shí)回填質(zhì)量的雙控制標(biāo)。