膨胀土路基填料的路用性能评价分析

郭书翊

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)

膨胀土路基填料的路用性能评价分析

郭书翊

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)

膨胀土为特殊土，作为路基填料时，承载力和压实度难以满足规范要求，需要在应用前对其路用性能进行测试.对膨胀土填料进行变形及强度试验来评价强、中、弱膨胀土的路用性能.分析结果表明：变形特征方面，强、中膨胀土的无荷膨胀量与初始含水率之间呈现良好的线性关系；初始含水率越小，膨胀力也越大，随着初始含水率的增大，膨胀力逐渐减小；膨胀率随着含水率的增大而减小且随着上覆压力的增大也随之减小.强度特征方面，湿法击实CBR试验的CBR值均大于3%，且其最佳含水率较接近天然含水率，最大干密度相对较大.研究结果为膨胀土路基填筑的性能评价新方法的提出提供理论基础.

路基；膨胀土；路用性能；CBR值；膨胀量

公路穿越地区，由于膨胀土天然含水率较大，用于路堤填筑时往往很难压实且承载力低而达不到公路路基设计规范对填料的要求.通常改善其路用性能的处治方法有换填、化学改良、预浸水及防止含水量变化等工程措施.但这些方法会增工程造价而且耗时耗力，从而延误工程进度[1,2].基于此，“以土填土”即用施工场地的膨胀土经过翻晒等一系列物理处治后直接用于填筑路堤是最优化选择.张锐等[3]以京港澳高速公路弱膨胀土为研究对象，分别进行干法和湿法重型击实试验，得出湿法击实所得的最大干密度及最佳含水率更接近膨胀土的天然状态，更加易于施工.杨和平等[4]建立了以改进的CBR试验强度、CBR膨胀量和稠度为指标的膨胀土路堤填料分类指标体系，并对强、中、弱三类膨胀土开展了相关试验验证.该体系真正反映了膨胀土的本质特征及作为路堤填料的特殊工程性质.李国维等[5]通过室内试验研究了加石灰的改性膨胀土强度、压缩性及胀缩特征，并与正常固结土路堤的相关指标进行对比，指出了用重型击实试验得出的最佳含水率和最大干密度作为掺石灰土压实度控制标准是不合理的，提出了压实度达到90%以上时，土体的强度指标完全可以满足路堤的技术要求.

本文在前人的基础上，通过对高速公路强、中、弱膨胀土进行变形及对强度特征进行室内相关试验，对膨胀土填料的路用性能进行评价分析，为膨胀土路基填筑的性能评价新方法的提出提供理论基础.

1 膨胀土膨胀变形特性

由于膨胀土的膨胀变形特性，成为了不能直接作为路堤填料的主要原因[6].因此，研究膨胀土的变形特性至关重要.以南阳强、中膨胀土等为研究对象，针对公路路基工程中膨胀土所处的应力状态和含水率变化范围，利用常规固结仪对膨胀土不同密度、不同含水率和上覆压力进行一系列无荷和有荷膨胀量、膨胀力试验，得到压实膨胀土的膨胀变形特征规律.

1.1 无荷膨胀量试验

膨胀率是指土样在无荷载时且浸水后在高度方向上的单向膨胀与原高度的比值，以百分数表示.对于干密度为1.62g/cm3的强膨胀土和中膨胀土进行不同初始含水率的无荷膨胀率试验，试验结果见图1.由图1可看出，由于没有上覆压力的影响，无荷膨胀量相对较大.且随着含水率的增大而逐渐减小.

图1 无荷膨胀量与含水率的关系

根据图1，分别对强、中膨胀土的试验值进行线性拟和，得出拟合公式如下：

p(ω)=-cω+d

(1)

式(1)中，p表示膨胀率，%；c为常数；w为含水率，%；d为常数.中膨胀土和强膨胀土的相关系数分别为0.9739和0.9231.表明在相同的干密度下，无荷膨胀量与初始含水率之间呈现良好的线性关系.

1.2 膨胀力试验

膨胀力是膨胀土体受到侧向应力的控制，吸水膨胀后产生的内应力.通常是测定土体在体积保持不变时膨胀所产生的最大内应力.膨胀力试验结果如图2所示.由图2可看出，初始含水率愈小，膨胀力反而愈大、随着初始含水率的增大，膨胀力逐渐减小.

图2 膨胀力与含水率的关系

1.3 有荷膨胀量试验

为探索膨胀土的初始含水率与上覆压力对膨胀量的影响，依据《公路路基设计规范》(JTGD30-2015)对三、四级公路下路堤压实度控制标准，以压实度90%为作为土样的压实标准.本次试验对于中膨胀土以干密度1.62g/cm3，对于强膨胀土以干密度为1.62g/cm3为基准来制备试样.由于初始含水率高出最佳含水率很大时，土样接近饱和.因此膨胀土的压实度很难得到保证；当初始含水率高于缩限时，膨胀变形量随初始含水率增加而减小，具有线形相关，初始含水率低于缩限以后膨胀变形量则变化较小.因此，对于中膨胀土，土样配置了13.4%、15.6%、17.4%、20.5%和22.1%五种初始含水率，分别按一次加载要求施加25、50、100、150和200kPa的荷载；对于强膨胀土，土样配置了12.5%、16.7%、18.9%、21.7%、23.3%和24.7%六种初始含水率，分别按一次加载要求施加25、50、100、150、200和250kPa的荷载.试验结果见图3和图4.

图3 上覆压力与膨胀率的关系(中膨胀土)

图4 上覆压力与膨胀率的关系(强膨胀土)

根据图3和图4可得，膨胀率随着含水率的增大而减小且随着上覆压力的增大也随之减小.

2 膨胀土强度特性

利用膨胀土作为路基填料，不仅要满足变形要求同时也要满足强度的要求.在路堤填筑中，用以评价路堤强度最重要的指标就是CBR值.针对公路工程中膨胀土难以直接用于路基填筑的技术问题，分别开展了现场调查和取样、基本物理性质指标试验、湿法CBR试验等.

考虑到影响击实膨胀土的工程力学特性除膨胀土的种类外，主要受控于含水率、干密度，因此希望通过制备不同含水率的膨胀土.在同一干密度条件下配制不同含水率的试件进行击实试验，开展相应的湿法CBR试验，找出影响击实膨胀土承载能力CBR的主要因素，揭示膨胀土的种类、含水率、干密度和膨胀性强弱对CBR的影响，并得出膨胀土CBR这些影响因素变化的规律.土的含水率会逐渐增大，直到达到稳定的天然状态，由于含水率增加较多，土体膨胀量也要增大，致使路基的强度和稳定性降低.因此，开展干法击实试验、湿法击实试验与湿法击实CBR试验进行对比，认为湿法击实最佳含水率大于干法击实最佳含水率，但最大干密度相对较小；湿法重型击实最佳含水率接近膨胀土的天然含水率，然而湿法击实CBR最佳含水率接近天然含水率且其最大干密度相对较大，大部分施工现场开挖的膨胀土不需经过翻晒等可以直接用于填筑.此法简化了施工工艺，从而节省了工程造价.

2.1 击实试验

击实试验按《公路土工试验规程》(JTJ51-93)执行.采用重型击实试验设备，备样采用干法和湿法(土样不重复使用)，以研究不同备样方法对膨胀土击实特性的影响.干法是指先将土样风干或在50℃温度下烘干，然后依次加水配制成不同含水率样品后作击实试验；湿法是采集5个以上的高含水率土样分别晾干至不同含水率，然后按照同样的击实方法进行击实试验.

2.1.1 湿法击实CBR试验

《公路路基设计规范》[7]中明确了路堤填料选择的首要依据为CBR强度指标，已有的关于开展的膨胀土试验研究中发现，膨胀土的标准CBR测试值均<3%，它们都是不能用作路堤填料的.因此利用了湿法击实CBR试验[4]，以得到膨胀土用于路堤填筑时的控制标准.将湿法击实且浸水四天后的试样进行贯入试验，得出的试验数据整理如下：

表1 湿法击实CBR试验结果(弱膨胀土)

2.1.2 试验结果整理及分析

图5 干法与湿法击实对比曲线(弱膨胀土)

为了合理高效地利用膨胀土作为路堤填料，需要提出一套简便、有效的指标和方法对膨胀土填料进行分类.基于此，从膨胀土用作填料后的变形特性、强度特性、稳定性和施工方向出发，在总结大量室内外试验、实体工程修筑的基础上提出由击实试验、CBR试验方法测得的最佳含水率、最大干密度和CBR值作为膨胀土填料路用性能评价的指标.击实试验所得的最佳含水率和最大干密度见图5.

图6 CBR与含水率的关系(湿法击实CBR试验)

如图5所示，干法击实所得的最佳含水率比湿法击实的要小，而干法击实最大干密度大于湿法击实的.如图6所示，湿法击实CBR试验最佳含水率更加接近天然含水率，且最大干密度相对较大.在工程实际中，膨胀土天然含水率较高，尤其是海南等沿海地区降雨量较大的地区，很难通过翻晒达到干法击实所得的含水率.因此，湿法击实CBR试验所得的参数应用于工程实际中更加具有现实意义.

在膨胀土的路用性能评价中，击实试验所得最佳含水率及最大干密度是其中的两项指标，而CBR值是用于评价路用性能更为关键的因素，CBR是路基土和路面材料的强度指标.如图 6可知，起始含水率对膨胀土CBR值影响显著，且膨胀土体在最大干密度条件下其CBR值并非最大，CBR值随起始含水率呈抛物线变化趋势.膨胀量随起始含水率增大而减小，起始含水率越低，膨胀量就越大，路基的水稳性越差.膨胀土在天然含水率下，与其他含水率状态下的相比，其浸水CBR值最大且大于3%，即满足现行公路路基设计规范对下路堤填料承载力的要求.

3 结语

通过对膨胀土填料进行变形及强度试验来评价强、中、弱膨胀土的路用性能.主要结论如下：

(1)变形特征方面，强、中膨胀土的无荷膨胀量与初始含水率之间呈现良好的线性关系；初始含水率越小，膨胀力也越大，随着初始含水率的增大，膨胀力逐渐减小；膨胀率随着含水率的增大而减小且随着上覆压力的增大也随之减小.

(2)强度特征方面，湿法击实CBR试验的CBR值均>3%，且其最佳含水率较接近天然含水率，最大干密度相对较大.

(3)需要加强对膨胀土用于填筑路堤时的评价方法等方面的研究，推动公路膨胀土路堤工程的发展.

[1] 张宗战,葛忻声.浅谈山岭重丘区高速公路地基处理方法[J].山西交通科技,2013, (5) :7-9.

[2] 刘龙武.公路膨胀土路堑边坡的破坏特征及勘察技术研究[D].长沙：长沙理工大学博士学位论文,2011.

[3] 张锐,刘军.膨胀土填料路用性能评价试验研究[J].公路与汽运,2013, (159) :121-125.

[4] 杨和平,赵鹏程,郑健龙.膨胀土用作路基填料的分类指标体系研究[J].岩土工程学报，2009,(2):194-202.

[5] 李国维,翟立群,邓宇飞.改性膨胀土路基填筑施工压实控制标准研究[J].公路,2000, (3) :22-25.

[6] 郑健龙,杨和平.公路膨胀土工程[M].北京:人民交通出版社,2009.

[7] 中华人民共和国交通部.JTJ033-95 公路路基施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,1995.

(责任编校：晴川)

Performance Evaluation of Expansive Soil as Subgrade Filling Material

GUO Shuyi

(Shanxi Traffic Science Research Institute, Taiyuan Shanxi 030006, China)

Deformation and strength tests of expansive soil filler are utilized to evaluate the road performance of strong, medium and weak expansive soil. Analysis results show that in the aspect of deformation characteristics, there is a good linear relationship between the swelling capacity and the initial moisture content of the strong and medium expansive soils; the smaller the initial moisture content is, the larger the swelling force is, and with the increase of initial moisture content, the swelling force decreases gradually; the expansion rate is decreased with the increase of moisture content and overburden pressure is decreased with the increase of moisture content. In terms of strength characteristics, CBR value of wet compaction CBR test was above 3%, and its best moisture content is close to natural moisture content, and the maximum dry density is relatively large. The research results provide theoretical basis for the new method of performance evaluation of expansive soil subgrade filling.

subgrade; expansive soil; road performance; CBR value; swelling capacity

2016-03-13

郭书翊(1982— )，男，山西应县人，山西省交通科学研究院高级工程师，硕士.研究方向：工程造价.

U416.1

A

1008-4681(2017)02-0020-03