压实度对高速公路路基粗粒土水力特性的影响

2020-12-07司马军

公路与汽运 2020年6期

司马军

(湖南宏特试验检测有限公司，湖南长沙 410118)

由粗土和细土(粉土和黏土)混合而成的路堤广泛应用于高速公路基础设施中。根据JTG B01-2003《公路工程技术标准》，细料占干重的比例小于30%，路堤主体压实度大于92%。在高速公路使用寿命期内，雨天可能会有水从上部路面板裂缝流入路堤，影响其使用性能，这是因为粗粒土的力学性质很大程度上依赖于含水量。因此，确定路堤中水分分布非常必要，这就需要了解粗粒土的水力特性。压实度和细粒含量是影响粗粒土水力特性的主要因素。而目前对压实度对高速公路路堤粗粒土影响的研究鲜见。该文采用大型渗透柱测定不同压实度粗粒土的水力性质，采用瞬时剖面法得到水工建筑物的水工系数，并计算其导水率，分析压实度的影响。

1 试验材料

研究路段为冷水江—新化公路，起止桩号为K4+230—K13+009.5，全长8.779 5 km。以该路段的白云岩和细粉为原料配制试验土，并作为模型的填料。土体中细粉含量(粒径≤0.075 mm)为15%，土体颗粒最大粒径为60 mm。出于实际原因，将直径大于20 mm的土壤切断。这些土壤的粒度分布见图1。对土样进行标准土壤压实试验，结果显示：在最佳含水量为6%时，最大干密度为2.33 g/cm3。

2 试验程序

采用大型渗透柱(见图2)测定不同压实度粗粒土的水力性质。渗透柱的内径为300 mm，壁厚为10 mm，高度为600 mm。配有5个体积含水量传感器(TDR1～TDR5)和5个基质吸入传感器(T1～T5)，以100 mm等距布置。顶部钻一个直径为50 mm的孔，以便在需要时安装吸入传感器。中心的第二个孔允许排水或排气。TDR传感器由3根杆组成，直径6 mm，长度200 mm，精度2%。试验前进行TDR定标，确定介电常数Ka与体积含水量θ之间的关系，试验过程中通过测定的介电常数Ka确定体积含水量。试验采用2100F型张力计，其工作压力为0～100 kPa，精度为±2 kPa。

图1 研究土壤的粒度分布

图2 渗透柱示意图(单位：mm)

将土壤烘干24 h，确保土壤完全干燥；在干燥的土壤上喷洒一定量与最佳含水量相对应的水，再将湿润的土壤密封72 h，使其均匀化。将制备好的土逐层压实成柱状，共6层，前5层每层高度为100 mm，第6层高度为150 mm。压实度分别为85%、90%和93%，3种压实度土样分别记为D85、D90和D93。一层压实完成后，在该层顶部以90°的交叉角安装TDR探头和张力计，TDR1～TDR5、T1～T5距离底座的高度分别为100、200、300、400和500 mm。

压实后，试样经历水分均匀化、饱和、排水、蒸发4个阶段，在这些阶段的开始记录TDR探针和张力计的响应。水分均匀化持续50 h。随后将水从底部注入柱中，启动饱和过程，在1 h后在试样顶部能观察到水。24 h后形成恒定流，认为试样完全饱和，得到饱和导水率。然后对试样进行另一次水分均匀化。最后将试样置于排水和蒸发阶段，这个阶段需要165 h。在排水阶段，打开阀门排水，每级排水300 mL。蒸发阶段采用风机加速，张力计T5达到50 kPa时蒸发阶段结束。

3 试验结果与分析

3.1 体积含水量和基质吸力的变化

由于4个阶段的体积含水量和基质吸力的变化对所有土样都是相似的，选择D85的结果(见图3)进行分析。

图3 D85土样的体积含水量和基质吸力

由图3可知：开始时，TDR测量的体积含水量无明显变化，说明水分沿水平方向分散，没有沿垂直方向的扩散趋势，这可能是由压实过程中的不均匀性造成的；在饱和阶段，体积含水量在不到1 h的时间内增加到29.5%～30.6%，之后由于土样处于饱和阶段，体积含水量保持相对恒定；在排水和蒸发过程中，体积含水量大幅下降，直至达到一个常数。基质吸力则呈相反的趋势。当该层含水量变化较大时，应特别注意TDR5和T5的变化。