粉土路基压实控制指标的分析研究

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(1.太原理工大学建筑与土木工程学院， 山西太原030024；2.黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室， 山西太原030006；3.岩土与地下工程山西省重点实验室， 山西太原030024)

0 引言

粉土广泛分布于我国的西北、华北等地，是一种区域性特殊土，是山西部分地区公路建设的路基填料。回填土由于经过开挖、搬运以及填筑使得天然黄土原有的结构发生破坏，物理力学状态改变，使其具有不同于原状黄土的力学特性[1-2]。粉土粒径比较单一具有可压实性(土体在不规则荷载作用下其密度增加的性状)和水敏性(压实土遇水饱和会发生附加压缩，其强度有潜在下降的一面，即浸水软化使其强度降低)[3]。有关分析研究表明粉土击实后在最密实状态下孔隙率仍较大，很容易产生毛细现象继而引起翻浆对公路造成破坏[4]。武科等研究认为粉土压实按现行规范标准偏低[5]，在山区施工时地形地貌等各种环境因素对施工机械的限制，路基的压实质量很难得到保证，而路基压实质量的好坏直接影响着道路的使用性能和耐久性。为了保证压实质量，我国新实行的《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)将原有的压实标准提高了1到3个百分点。有研究表明细粒填土压实过度，会使其易于吸水膨胀，强度降低，发生失稳破坏[6]。Braja等总结得出在同一能级同等压实度条件下干侧的压实土体趋于絮凝式结构，这种结构下的压实土体具有高渗透和低压缩的特性[7-9]。如果施工含水量较低路基在压实后受地表水、地下水等自然因素的影响，水份渗入极易造成路基承载能力和稳定性不足产生工后不均匀沉降进而引发一系列的工程病害。

多数土体材料会在一定含水量下击实得到最大干密度[10]，但由于土体的非匀质和各向异性导致不同土体的最大干密度和最优含水量差别很大。在实际工程中可能会因为现场与室内试验所采用压实能量等不一致造成压实度超百的现象，这会对填土的压实质量造成误判进而产生崩塌、沉降变形等隐患。因此需要对不同类型的填土路基制定不同的压实控制指标，本文通过对粉土室内试验研究分析指出压实度作为粉土路基压实质量控制的单一指标的不足，并提出压实度与含气率共同作为粉土压实质量的双控指标的可行性。

1 试验土样基本物理性质

试验土样取自山西忻州市原神高速工地，依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[11]进行颗粒分析、比重和液塑限等基本试验。得到土样的基本物理指标列于表1。

表1 试样的基本物理性质指标Tab.1 Basic physical properties of soil samples used in lab

由表1数据结合《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007)[12]可得试验土样细粒含量超过50 %，且塑性指数Ip<10可判定为粉土。已有的工程经验表明这类土体作为填筑土极易引起路基病害。

2 室内击实试验

本试验所用土样采用干法制备，采用标准重型击实试验测定其击实曲线，击实层数为5层。试验结果见下表2。

表2 击实试验结果Tab.2 Results of compaction test

由击实试验结果拟合土样在2 684.9 kJ/m3击实能下的干密度与含水量曲线，得到该击实能下试验所用粉土的最大干密度为1.973 g/cm3，最优含水量为12.87 %。如图1所示。

图1 试验土样的击实曲线Fig.1 Compaction curve for the used in test

3 压实度作为压实质量控制指标的缺陷

3.1 压实度自身的不准确性

压实度是工程中填土质量的主要技术指标之一，土的压实系数λc定义为现场土质材料压实后的干密度ρd与室内试验标准击实试验测得土样的最大干密度ρdmax之比[3]，由下式表示:

λc=ρd/ρdmax,

(1)

式中：λc为土的压实度，以百分率表示；

ρd为现场土质材料压实后实测干密度，g/cm3；

ρdmax为室内标准击实试验所得最大干密度，g/cm3。

由式(1)可知土体的压实程度可以通过该土体的密度来反映，最大干密度是控制回填土压实度的重要参数。而最大干密度是根据室内击实试验确定的，与击实能的大小有密切关系。这样就可能存在施工现场和室内试验能级是否一致的问题。同时室内外试验环境的差异性以及现场施工含水量不易控制等因素都会导致压实系数作为压实质量控制的唯一指标的不准确性。

3.2 现行规范规定的压实质量要求

根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)对填方路基、路床的压实度规定见表3。

在ρmax=1.973 g/cm3的条件下，当取压实度不小于95 %作为标准时，即控制干密度为1.874 g/cm3。由图1可知，压实曲线上会有2个点满足这个要求，即击实含水量为ωa=10.22 %，偏干侧和击实含水量为ωb=15.56 %，偏湿侧。也就是表明，如果在击实能为2 684.9 kJ/m3的条件下，击实含水量在10.22 %～15.56 %区间时，压实度就可以达到≥95 %。在最优含水量两侧不同含水量下击实的土样，虽然具有相同的干密度和压实度，但是是否具有相同的工程特性呢？下面将对此问题进行试验和分析。

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

3.3 抗剪强度试验及结果分析

分别配制含水量为10.22 %和15.56 %的试样，采用击实能为2 684.9 kJ/m3击实试样后制备剪切样，每个含水量制备2组剪切样一组浸水一组不浸水分别进行快剪试验，试验结果如下表4。

表4 直剪试验结果Tab.4 Results of direct shear test

由表4的试验结果得两种含水量浸水与不浸水条件下抗剪强度的对比图见图2。

(a) 含水量为10.22 %土样浸水前后抗剪强度对比

图2击实试样浸水前后抗剪强度比较
Fig.2Comparisonofshearstrengthofcompactedspecimensbeforeandafterimmersioninwater

由表4和图2可知两种击实的试样含水量不浸水条件下在不同围压下的抗剪强度相差10～15 kPa，但浸水以后的抗剪强度基本相同。同时浸水后试样的黏聚力下降明显，内摩擦角则变化不大。而且含水量为10.22 %试样浸水后抗剪强度下降更多。如果路基填土在达到压实度规定标准的前提下施工含水量偏干侧，一旦工后遇水浸湿，其强度降低明显，可能会降低公路的承载能力。

4 含气率指标

4.1 含气率的含义

含气率na在德国和日本是作为填土压实的控制指标之一，顾名思义，它是指土体中空气所占体积的百分数，当土体的孔隙全部被气占据，则含气率最大，如果土体理想的完全饱和，含气率近乎为零，此时土体是水敏性最低的。含气率可由下式表示：

nA=Va/V×100 %,

(2)

在相应的干密度ρd和含水量ω下，含气率na又可用下式[14]表示：

(3)

根据式(3)得在同一击实能下五种不同含水量击实后土样的含气率列于表5。

表5 试样不同含水量下对应的含气率Tab.5 Corresponding gas holdup under different water content

根据上表得出相应满足压实度要求区间的含水量下对应的含气率见图3。

由图3可知在满足规范中压实度要求的含水量区间对应的含气率为11.4 %～2 %。而且在偏干测含气率变化较大，说明土中空气体积较大，故其吸水能力强，浸水后土体强度下降快，压缩变形也随之增大。

4.2 含气率作为控制指标的科学性分析

路基施工通常是利用压实机械使土颗粒克服粒间阻力重新排列，土中孔隙减小、密度增加，在短时间内得到新的结构强度[3]。在实际的填方工程中，要使回填土的含水量刚好达到最优含水量是很难实现的。当使用粉土等细粒土作为填筑土时即使压实度满足相关规范要求，如果施工含水量处于偏干侧时，土体的水稳定性相对较差；处于偏湿侧时孔隙充满自由水，压实效果则会下降，为此我们引入与含水量和干密度均有联系的含气率指标来补充压实度指标的不足。如图4可知不同能量下压实粉土达到最大干密度的含气率却相差不大，因此使用含气率作为粉土压实质量控制的第二指标是可行的，同时还可以部分消除能量变化的影响。表6列出了不同能级下最优含水量所对应的含气率，可知含气率稳定在6 %左右(最大击实能取图4陡降段的末端)因此对粉土作为填筑土压实后在满足压实度的标准之外还需要控制其含气率不高于6 %，才能保证此回填路基具有良好的承载力和稳定性。

图3含水量与含气率关系
Fig.3Relationshipbetweenwatercontentandgascontent

图4不同击实能下干密度与含气率的关系
Fig.4Relationshipbetweendrydensityandgascontentunderdifferentcompactionenergy

表6 不同能级最优含水量对应的含气率Tab.6 Gas content corresponding to the optimal water content of different energy levels

5 结语

本文通过室内标准击实试验得出试验粉土的标准击实曲线，以压实度为0.95为控制指标，对干湿两个击实含水量击实土样浸水前后抗剪强度各指标的变化进行了分析，得出压实度作为压实标准控制唯一指标的不足，并提出粉土用作填筑土时需在满足压实度基本指标的前提上，还要控制填土压实后的含气率不高于6 %(na≤6 %)的第二条指标。以压实度和含气率作为粉土压实回填质量的双控制标。