紅黏土CBR值影響因素分析

王磊，陳開(kāi)圣

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院， 貴州貴陽(yáng)550025)

0 前言

貴州省境內(nèi)碳酸鹽巖分布地區(qū)的地表普遍分布著殘積紅黏土，覆蓋厚度一般5-7 m，最厚可達(dá)20 m以上，在公路建設(shè)中不可避免會(huì)遇到大量的紅黏土[1]。CBR(California Bearing Ratio)即加州承載比[2-3]，由美國(guó)加州公路局提出來(lái)，用于評(píng)定路基土和路面材料強(qiáng)度的指標(biāo)[4-5]。我國(guó)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)中對(duì)高速公路、一級(jí)公路的路基填料CBR值均作出了明確規(guī)定[6]。《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)(以下簡(jiǎn)稱規(guī)程)對(duì)CBR試驗(yàn)方法做了明確規(guī)定[7]，但也存在一些問(wèn)題：①試樣制備：規(guī)程中推薦的室內(nèi)承載比試驗(yàn)方法利用擊實(shí)儀分層擊實(shí)成型試件，而現(xiàn)場(chǎng)碾壓方法為靜力壓實(shí)和振動(dòng)壓實(shí)，壓實(shí)原理與效果不一致，室內(nèi)CBR結(jié)果不能代表路基實(shí)體的CBR值。②浸水方式：規(guī)程規(guī)定試件泡水時(shí)水面應(yīng)保持在試件頂面以上約 25 mm，擊實(shí)筒四周是封閉的，水分只能從上部的多孔板滲透，這與路基實(shí)際滲水狀態(tài)并不吻合。③上覆壓力：規(guī)程規(guī)定CBR泡水試驗(yàn)和貫入過(guò)程中需加上覆荷載50 N，但實(shí)際路基填筑層位不同所受上覆壓力也不同[8-10]。④干濕循環(huán)：規(guī)程規(guī)定試件成型后應(yīng)泡水 4晝夜來(lái)模擬材料在使用過(guò)程中處于最不利的狀態(tài)，這是一種比較保守的方法，實(shí)際路基土含水率是受干濕循環(huán)影響而產(chǎn)生變化的，研究干濕循環(huán)作用對(duì)紅黏土的CBR值有一定實(shí)際意義。針對(duì)這些現(xiàn)象，采用路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)從試樣制備方法、浸水方式、上覆壓力和干濕循環(huán)等幾個(gè)因素對(duì)紅黏土的CBR值進(jìn)行了分析。

1 土樣基本物理指標(biāo)

本次試驗(yàn)所采用的紅黏土取自貴州大學(xué)二期工程圖書(shū)館附近。土料特征為：黃褐色及棕紅色為主，級(jí)配良好，為不均勻土，有少量植物根尖及小石子，結(jié)構(gòu)致密，天然含水率較高，土樣潮濕?；疚锢碇笜?biāo)見(jiàn)表1。

表1 紅黏土基本物理指標(biāo)Tab.1 Basic physical index of red clay

2 試樣制備方法對(duì)CBR值影響

分別采用靜力壓實(shí)、重型擊實(shí)和振動(dòng)壓實(shí)方式制備壓實(shí)度為96 %、93 %、90 %和含水率為30 %、22.2 %、15 %試樣進(jìn)行CBR試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖1。

(a) K=96 %

(b) K=93 %

(c) K=90 %

由圖1可知：三種成型方式(靜力壓實(shí)、重型擊實(shí)和振動(dòng)壓實(shí))，紅黏土CBR值均在最佳含水率處最大。 其次，不同成型方式對(duì)紅黏土CBR值影響不同，振動(dòng)壓實(shí)制件CBR值最高，擊實(shí)制件CBR值居中、靜力壓實(shí)制件CBR值最小。振動(dòng)壓實(shí)制件CBR最大值4.03 %，能滿足二級(jí)公路下路床填料，高速公路、一級(jí)公路路堤填料承載比要求；擊實(shí)制件CBR最大值3.69 %，能滿足三、四級(jí)公路下路床填料，二級(jí)公路路堤填料承載比要求；靜力壓實(shí)制件CBR值最大值3.45 %，能滿足三、四級(jí)下路床填料，二級(jí)公路路堤填料承載比要求。說(shuō)明振動(dòng)壓實(shí)效果優(yōu)于擊實(shí)，擊實(shí)效果優(yōu)于靜力壓實(shí)。究其原因，三種成型方式的壓實(shí)方法與機(jī)理不同。靜力壓實(shí)是用靜壓力使鋪層材料獲得永久變形，隨著靜荷載增加，顆粒間的摩擦力也增加，材料顆粒之間的摩擦力阻止顆粒進(jìn)行大范圍運(yùn)動(dòng)，因此，靜力壓實(shí)有一個(gè)極限壓實(shí)效果。擊實(shí)是利用物體從某高度上自由下落到與材料表面接觸，沖擊力產(chǎn)生的壓力波傳入鋪層材料中，使材料顆粒運(yùn)動(dòng)。沖擊荷載的影響深度比較大，所以壓實(shí)效果比靜力壓實(shí)效果好。振動(dòng)壓實(shí)是通過(guò)振動(dòng)壓路機(jī)的往復(fù)作用，使被壓實(shí)材料的顆粒在振動(dòng)沖擊作用下，由初始的靜止?fàn)顟B(tài)過(guò)渡到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。被壓材料之間的摩擦力也由初始的靜摩擦狀態(tài)過(guò)渡到動(dòng)摩擦狀態(tài)。同時(shí)，由于材料中水分的離析作用，使材料顆粒的外層包圍一層水膜，形成了顆粒之間的潤(rùn)滑劑，為顆粒的運(yùn)動(dòng)提供了十分有利的條件。靜力壓實(shí)主要作用于面層，而動(dòng)力壓實(shí)則可提高壓實(shí)深度，形成材料的“骨架—密實(shí)”結(jié)構(gòu)。

3 浸水方式對(duì)CBR值影響

浸水方式由標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的上部浸水改為側(cè)向浸水。試筒側(cè)向留孔，在標(biāo)準(zhǔn)CBR試筒壁上均勻鉆5 mm左右直徑的群孔(見(jiàn)圖2)。土料倒入試筒前，先安放濾紙并使之緊貼筒壁覆蓋所有透水孔，水由試件側(cè)面自由滲入，且擊實(shí)時(shí)土粒不易擠出。試件泡水時(shí)，水位盡可能高但不淹沒(méi)試筒，使得水從試筒側(cè)面浸入試樣。采用重型擊實(shí)法制備壓實(shí)度為96 %、93 %、90 %，含水率為22.2 %的試件，兩種方式浸水，上覆壓力采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)壓力50 N，泡水4 d后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。為探討不同浸水方式含水率的變化，將試件脫模后沿不同高度取樣測(cè)含水率，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖3～圖5可知：

① 側(cè)向浸水條件下紅黏土的CBR值比上部浸水(標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn))的要大，膨脹量要小;

② 上部浸水條件下試件頂部含水率最大，底部最小，差值達(dá)10 %左右。側(cè)向浸水條件下試件含水率變化相對(duì)比較均勻，效果優(yōu)于上部浸水;

③ 側(cè)向浸水條件下紅黏土的CBR值最大為3.83 %，仍然達(dá)不到高速公路、一級(jí)公路路床對(duì)填料的CBR值要求。

圖2 試件筒側(cè)向開(kāi)孔
Fig.2 Side opening of test cylinder

圖3 浸水方式對(duì)紅黏土CBR值的影響
Fig.3 Influence of soaking methodon CBR value of red clay

圖4 浸水方式對(duì)紅黏土膨脹量的影響Fig.4 Influence of soaking method on expansion ratio of red clay

(a) K=96 %

(b) K=93 %

(c) K=90 %

4 上覆壓力對(duì)CBR值影響

圖6 上覆壓力200 N
Fig.6 Overlying pressure 200 N

圖7 上覆壓力400 N
Fig.7 Overlying pressure 400 N

圖8 上覆壓力對(duì)紅黏土CBR值影響
Fig.8 Influence of overlying pressureon CBR value of red clay

圖9 上覆壓力對(duì)紅黏土膨脹量的影響
Fig.9 Influence of overlying pressureon expansion ratio of red clay

由圖8、圖9可知：

① 增大試件上覆壓力可提高其 CBR 強(qiáng)度。因上覆壓力增大，土中有效應(yīng)力隨之增大，同時(shí)試件中土顆粒間距變小，阻礙了水分向土中滲入;

教育部逐步加強(qiáng)了高等院校在城市化進(jìn)程中的重要作用。因此，從高等教育資源的合理安排入手，緊密結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與高等教育的發(fā)展進(jìn)程，將高等教育作為中小城市尤其是縣城發(fā)展的重要引擎。小城市高校建設(shè)不僅投資少，而且成本相對(duì)較低，在人口素質(zhì)的提高，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的促進(jìn)上作用重大。在城市化進(jìn)程中，高等教育資源由特大城市向中小城市尤其是縣城甚至中心城鎮(zhèn)的流動(dòng)，對(duì)新型城鎮(zhèn)化和高等教育的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

② 增大試件上覆壓力紅黏土膨脹量減小，說(shuō)明增大上覆壓力可以抑制紅黏土的膨脹性;

③ 如果考慮路面結(jié)構(gòu)重量和汽車荷載(公路—Ⅰ級(jí))，當(dāng)上覆壓力為400 N時(shí)，紅黏土CBR值為6.79 %，能滿足高速公路、一級(jí)公路下路床、路堤填料承載比要求。

5 干濕循環(huán)作用對(duì)CBR值影響

5.1 試樣制備

采用重型擊實(shí)法制備最優(yōu)含水率22.2 %，壓實(shí)度為96 %、93 %、90 %三組試樣。

5.2 先干后濕試驗(yàn)方法

烘干：試樣在25 ℃條件下烘干，并連續(xù)監(jiān)測(cè)每小時(shí)烘干的含水率，直至恒重。增濕：對(duì)烘干后的試樣加到初始含水率。燜料：在保濕缸保濕24 h，以便水分均勻滲透，完成一次干濕循環(huán)試驗(yàn)。依此方法完成2次、3次、4次和5次干濕循環(huán)試驗(yàn),如圖10所示。

圖10 先干后濕試驗(yàn)方法Fig.10 Test methodd of first dry then wet

5.3 先濕后干試驗(yàn)方法

為了解決試樣增濕到多少含水率，以便符合實(shí)際情況，擬選定貴州大學(xué)新校區(qū)某土質(zhì)邊坡，土樣呈棕紅色，坡長(zhǎng)約87 m，坡高約8 m，坡度約30°～40°，對(duì)其進(jìn)行了含水率監(jiān)測(cè)，部分監(jiān)測(cè)結(jié)果如下。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)含水率監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖11)可知，邊坡含水率最大為45 %。因此，對(duì)增濕過(guò)程，試樣加水到45 %。然后燜料一晝夜再進(jìn)行烘干，烘干溫度為25 ℃，并連續(xù)監(jiān)測(cè)每小時(shí)烘干的含水率，直到含水率為初始含水率22.2 %停止烘干，完成一次干濕循環(huán)試驗(yàn)。依此方法完成2、3、4、5次干濕循環(huán)試驗(yàn)。如圖12所示。

(a) 坡腳

(b) 坡中

(c) 坡肩

圖12 先濕后干試驗(yàn)方法Fig.12 Test method of wet before dry

5.4 試驗(yàn)結(jié)果

(a) 先干后濕

(b) 先濕后干

圖13 不同干濕循環(huán)路徑下紅黏土CBR值
Fig.13 CBR value of red clay under different dry and wet cycles

(a) 第1次干濕循環(huán)

(b) 第2次干濕循環(huán)

(c) 第3次干濕循環(huán)

(d) 第4次干濕循環(huán)

(e) 第5次干濕循環(huán)

試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖13、圖14)表明，不同干濕循環(huán)路徑下，CBR值隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低，第一次循環(huán)降低幅度較大，其后趨于穩(wěn)定，先干后濕最終CBR值基本處于0.82 %～1.10 %范圍內(nèi)，先濕后干最終CBR值基本處于1.26 %～1.52 %范圍內(nèi)。原因?yàn)槭状胃稍锸^(guò)程中，土體因干縮而開(kāi)裂，土顆粒間的膠結(jié)作用減弱，首次增濕過(guò)程中，外面水通過(guò)裂縫進(jìn)入土體內(nèi)部，孔隙水壓力增加，土顆粒間的粘結(jié)作用遭到破壞，團(tuán)粒開(kāi)始分散，土體內(nèi)孔隙大幅增加，承載能力急劇下降。隨著干濕循環(huán)進(jìn)行，土體孔隙漸漸趨于平穩(wěn)，土體內(nèi)部達(dá)到了某種平衡狀態(tài)，CBR值趨于穩(wěn)定[10-12]。

6 結(jié)論

① 三種成型方式(靜力壓實(shí)、重型擊實(shí)和振動(dòng)壓實(shí))，紅黏土CBR值在最佳含水率處最大。不同成型方式對(duì)紅黏土CBR值影響不同，振動(dòng)壓實(shí)效果優(yōu)于擊實(shí)，擊實(shí)效果優(yōu)于靜力壓實(shí)。

② 側(cè)向浸水條件下紅黏土的CBR值比上部浸水的要大，膨脹量要小。側(cè)向浸水條件下試件含水率變化相對(duì)比較均勻，效果優(yōu)于上部浸水，建議CBR試驗(yàn)改為側(cè)向浸水。

③ 無(wú)論哪種成型方式，不管是側(cè)向浸水還是上部浸水，紅黏土CBR值均不能滿足高速公路、一級(jí)公路對(duì)路床填料CBR值的要求。

④ 增大試件上覆壓力可提高其CBR 值，減小膨脹量，說(shuō)明增大上覆壓力可以抑制紅黏土的膨脹性。建議CBR泡水試驗(yàn)上覆壓力應(yīng)考慮路面結(jié)構(gòu)及車輛荷載作用，改原上覆壓力50 N為400 N。

⑤ 不同干濕循環(huán)路徑下，紅黏土CBR值隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低，第一次循環(huán)降低幅度較大，其后趨于穩(wěn)定。建議考慮干濕循環(huán)對(duì)紅黏土CBR值影響。