红黏土CBR值影响因素分析

2020-05-29王磊陈开圣

广西大学学报（自然科学版） 2020年1期

王磊，陈开圣

(贵州大学土木工程学院，贵州贵阳550025)

0 前言

贵州省境内碳酸盐岩分布地区的地表普遍分布着残积红黏土，覆盖厚度一般5-7 m，最厚可达20 m以上，在公路建设中不可避免会遇到大量的红黏土[1]。CBR(California Bearing Ratio)即加州承载比[2-3]，由美国加州公路局提出来，用于评定路基土和路面材料强度的指标[4-5]。我国《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)中对高速公路、一级公路的路基填料CBR值均作出了明确规定[6]。《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)(以下简称规程)对CBR试验方法做了明确规定[7]，但也存在一些问题：①试样制备：规程中推荐的室内承载比试验方法利用击实仪分层击实成型试件，而现场碾压方法为静力压实和振动压实，压实原理与效果不一致，室内CBR结果不能代表路基实体的CBR值。②浸水方式：规程规定试件泡水时水面应保持在试件顶面以上约 25 mm，击实筒四周是封闭的，水分只能从上部的多孔板渗透，这与路基实际渗水状态并不吻合。③上覆压力：规程规定CBR泡水试验和贯入过程中需加上覆荷载50 N，但实际路基填筑层位不同所受上覆压力也不同[8-10]。④干湿循环：规程规定试件成型后应泡水 4昼夜来模拟材料在使用过程中处于最不利的状态，这是一种比较保守的方法，实际路基土含水率是受干湿循环影响而产生变化的，研究干湿循环作用对红黏土的CBR值有一定实际意义。针对这些现象，采用路面材料强度试验系统从试样制备方法、浸水方式、上覆压力和干湿循环等几个因素对红黏土的CBR值进行了分析。

1 土样基本物理指标

本次试验所采用的红黏土取自贵州大学二期工程图书馆附近。土料特征为：黄褐色及棕红色为主，级配良好，为不均匀土，有少量植物根尖及小石子，结构致密，天然含水率较高，土样潮湿。基本物理指标见表1。

表1 红黏土基本物理指标Tab.1 Basic physical index of red clay

2 试样制备方法对CBR值影响

分别采用静力压实、重型击实和振动压实方式制备压实度为96 %、93 %、90 %和含水率为30 %、22.2 %、15 %试样进行CBR试验，结果见图1。

(a) K=96 %

(b) K=93 %

由图1可知：三种成型方式(静力压实、重型击实和振动压实)，红黏土CBR值均在最佳含水率处最大。其次，不同成型方式对红黏土CBR值影响不同，振动压实制件CBR值最高，击实制件CBR值居中、静力压实制件CBR值最小。振动压实制件CBR最大值4.03 %，能满足二级公路下路床填料，高速公路、一级公路路堤填料承载比要求；击实制件CBR最大值3.69 %，能满足三、四级公路下路床填料，二级公路路堤填料承载比要求；静力压实制件CBR值最大值3.45 %，能满足三、四级下路床填料，二级公路路堤填料承载比要求。说明振动压实效果优于击实，击实效果优于静力压实。究其原因，三种成型方式的压实方法与机理不同。静力压实是用静压力使铺层材料获得永久变形，随着静荷载增加，颗粒间的摩擦力也增加，材料颗粒之间的摩擦力阻止颗粒进行大范围运动，因此，静力压实有一个极限压实效果。击实是利用物体从某高度上自由下落到与材料表面接触，冲击力产生的压力波传入铺层材料中，使材料颗粒运动。冲击荷载的影响深度比较大，所以压实效果比静力压实效果好。振动压实是通过振动压路机的往复作用，使被压实材料的颗粒在振动冲击作用下，由初始的静止状态过渡到运动状态。被压材料之间的摩擦力也由初始的静摩擦状态过渡到动摩擦状态。同时，由于材料中水分的离析作用，使材料颗粒的外层包围一层水膜，形成了颗粒之间的润滑剂，为颗粒的运动提供了十分有利的条件。静力压实主要作用于面层，而动力压实则可提高压实深度，形成材料的“骨架—密实”结构。

3 浸水方式对CBR值影响

浸水方式由标准试验的上部浸水改为侧向浸水。试筒侧向留孔，在标准CBR试筒壁上均匀钻5 mm左右直径的群孔(见图2)。土料倒入试筒前，先安放滤纸并使之紧贴筒壁覆盖所有透水孔，水由试件侧面自由渗入，且击实时土粒不易挤出。试件泡水时，水位尽可能高但不淹没试筒，使得水从试筒侧面浸入试样。采用重型击实法制备压实度为96 %、93 %、90 %，含水率为22.2 %的试件，两种方式浸水，上覆压力采用标准试验压力50 N，泡水4 d后进行标准贯入试验，结果见图3和图4。为探讨不同浸水方式含水率的变化，将试件脱模后沿不同高度取样测含水率，结果见图5。

由图3～图5可知：

① 侧向浸水条件下红黏土的CBR值比上部浸水(标准试验)的要大，膨胀量要小;

② 上部浸水条件下试件顶部含水率最大，底部最小，差值达10 %左右。侧向浸水条件下试件含水率变化相对比较均匀，效果优于上部浸水;

③ 侧向浸水条件下红黏土的CBR值最大为3.83 %，仍然达不到高速公路、一级公路路床对填料的CBR值要求。

图2 试件筒侧向开孔
Fig.2 Side opening of test cylinder

图3 浸水方式对红黏土CBR值的影响
Fig.3 Influence of soaking methodon CBR value of red clay

图4 浸水方式对红黏土膨胀量的影响Fig.4 Influence of soaking method on expansion ratio of red clay

(a) K=96 %

(b) K=93 %

4 上覆压力对CBR值影响

图6 上覆压力200 N
Fig.6 Overlying pressure 200 N

图7 上覆压力400 N
Fig.7 Overlying pressure 400 N

图8 上覆压力对红黏土CBR值影响
Fig.8 Influence of overlying pressureon CBR value of red clay

图9 上覆压力对红黏土膨胀量的影响
Fig.9 Influence of overlying pressureon expansion ratio of red clay

由图8、图9可知：

① 增大试件上覆压力可提高其 CBR 强度。因上覆压力增大，土中有效应力随之增大，同时试件中土颗粒间距变小，阻碍了水分向土中渗入;

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② 增大试件上覆压力红黏土膨胀量减小，说明增大上覆压力可以抑制红黏土的膨胀性;

③ 如果考虑路面结构重量和汽车荷载(公路—Ⅰ级)，当上覆压力为400 N时，红黏土CBR值为6.79 %，能满足高速公路、一级公路下路床、路堤填料承载比要求。

5 干湿循环作用对CBR值影响

5.1 试样制备

采用重型击实法制备最优含水率22.2 %，压实度为96 %、93 %、90 %三组试样。

5.2 先干后湿试验方法

烘干：试样在25 ℃条件下烘干，并连续监测每小时烘干的含水率，直至恒重。增湿：对烘干后的试样加到初始含水率。焖料：在保湿缸保湿24 h，以便水分均匀渗透，完成一次干湿循环试验。依此方法完成2次、3次、4次和5次干湿循环试验,如图10所示。

图10 先干后湿试验方法Fig.10 Test methodd of first dry then wet

5.3 先湿后干试验方法

为了解决试样增湿到多少含水率，以便符合实际情况，拟选定贵州大学新校区某土质边坡，土样呈棕红色，坡长约87 m，坡高约8 m，坡度约30°～40°，对其进行了含水率监测，部分监测结果如下。

依据现场含水率监测结果(图11)可知，边坡含水率最大为45 %。因此，对增湿过程，试样加水到45 %。然后焖料一昼夜再进行烘干，烘干温度为25 ℃，并连续监测每小时烘干的含水率，直到含水率为初始含水率22.2 %停止烘干，完成一次干湿循环试验。依此方法完成2、3、4、5次干湿循环试验。如图12所示。

(a) 坡脚

(b) 坡中

图12 先湿后干试验方法Fig.12 Test method of wet before dry

5.4 试验结果

(a) 先干后湿

(b) 先湿后干

图13 不同干湿循环路径下红黏土CBR值
Fig.13 CBR value of red clay under different dry and wet cycles

(a) 第1次干湿循环

(b) 第2次干湿循环

(d) 第4次干湿循环

(e) 第5次干湿循环

试验结果(见图13、图14)表明，不同干湿循环路径下，CBR值随循环次数的增加而降低，第一次循环降低幅度较大，其后趋于稳定，先干后湿最终CBR值基本处于0.82 %～1.10 %范围内，先湿后干最终CBR值基本处于1.26 %～1.52 %范围内。原因为首次干燥失水过程中，土体因干缩而开裂，土颗粒间的胶结作用减弱，首次增湿过程中，外面水通过裂缝进入土体内部，孔隙水压力增加，土颗粒间的粘结作用遭到破坏，团粒开始分散，土体内孔隙大幅增加，承载能力急剧下降。随着干湿循环进行，土体孔隙渐渐趋于平稳，土体内部达到了某种平衡状态，CBR值趋于稳定[10-12]。