公路工程承载比试验及应用研究

2021-06-10肖国峰

工程与建设 2021年1期

肖国峰

(中国水利水电第十二工程局有限公司，浙江杭州 310000)

1 公路工程承载比试验

承载比是公路路基及路面强度的重要指标，也是柔性路面设计的基础参数，我国公路柔性路面设计方面，路基与路面回弹模量是主要设计参数，但承载比在相关施工规范中仍为主要的力学指标。随着国内公路路基路面检测技术的不断完善，承载比试验在设计、施工及监理领域的受重视程度日益提升。承载比试验主要用于公路路基填筑土料承载能力的评定，并以试验土料贯入量为2.5 mm且单位压力对标准碎石压入相同贯入量的标准荷载强度比值即CBR值作为公路路基土设计参数[1]。当前，承载比试验已经成为我国公路工程设计中路基填料选择的基本依据之一。

1.1 试验原理

根据标准击实试验所确定的最佳含水量与最大干密度制备承载比试验所需试件，并确定出土料最不利状态后先将试件泡水4 d，浸水后进行贯入试验，并施加荷载板于试件顶面，模拟出路基结构对土基施加附加应力的状态。在通过贯入试验确定出贯入深度的基础上，进行土料承载比与所施加荷载关系[2]的分析。

1.2 试验仪器选用

根据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)，承载比试验所需仪器主要有内径15.2 cm、筒高17 cm的金属圆试筒，高5 cm的套环，直径15.0 cm、高5 cm的垫块及夯击底板，底面直径5 cm、总重量4.5 kg且在导管内总行程45 cm的夯锤，端面直径5 cm、长10 cm的金属柱贯入杆，能量至少为50 kN且贯入速度0.1 cm/min的测力计式路面材料强度测试仪等装置。在试验开始前必须根据试验规程进行试筒体积、垫块尺寸及形状等所需仪器性能的检测，保证试筒内壁光滑无变形、无棱角，垫块及底板表面平整光滑。

1.3 技术要求

承载比试验之前先将试料彻底风干，按照四分法准备好，并在夯实试验前，选择代表性试料测定其含水量值。准备好后开始击实试验，通过试验得到试料的最佳含水量及最大干密度取值，再根据试验标准进行最佳含水量试件制备。将荷载板施加于试件顶面并泡水4 d，按照1.00～1.25 mm/min的加荷速度进行贯入试验并对试件施加荷载，进行测力计内3个百分表读数所对应贯入量的测记，总贯入量不能超过7 mm，并保证贯入量为250×10-2mm时，百分表读数至少有5个。将贯入试验数据绘制成单位压力-贯入量曲线(图1)，横坐标表示单位压力值，纵坐标表示贯入量值，为保证数据的准确度，应进行原点修正，即从变曲率点处引出一条切线使其与纵坐标相交于O′点，并以O′点为修正后的原点。

图1 单位压力-贯入量曲线

曲线中贯入量2.5 mm所对应的单位压力值p和标准压力值之比即为承载比CBR，即：

CBR2.5=(p/7000)×100%

(1)

贯入量为5 mm的承载比为：

CBR5=(p/10500)×100%

(2)

如式(2)所求得贯入量为5 mm时的承载比,比式(1)贯入量2.5 mm时的承载比大，则应重新进行试验，若重新试验的结果仍如此，则采用式(2)贯入量5 mm的承载比。

2 公路工程承载比试验的工程实践

2.1 工程概况

常山县美丽公路(一期)工程PPP项目是浙江省衢州市沿江公路工程的重要组成部份，项目建设内容主要包括公路主线工程、慢行道工程。下游段公路主线起点(K0+000)接柯城区段，经过招贤镇泉目山村、观山镇以南象湖村，青石镇以西阁底村，终点K13+130.886。公路主线长13.130 km。本工程公路主线采用《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)中双向两车道四级公路标准设计，设计速度20 km/h，路面宽度6.0 m，一般路段路基宽度6.5 m，土路肩2×0.25 m，局部路段放宽至8 m，利用现有公路路段按原标准改造；桥梁宽度12.5 m(与慢行道合并设置)；涵洞与路基同宽；加宽标准为二类加宽；路面标准轴载BZZ-100，桥涵设计载荷公路-Ⅱ级。

拟建公路工程区内区域构造较发育，表层褶皱强烈。工程区内第四系覆盖层厚度较小，仅为3～8 m，岩性以第四系冲洪积层为主，下伏基岩多为软岩、较软岩，层位稳定，中风化基岩完整性较好。拟建公路工程区内主要水系属衢江支流，位于衢江上游，是衢江的主源，属典型山区河流，河床常年流水，主要受季节性降雨量影响，雨季水位暴涨暴落，洪水期流速急，水位主变幅受季节降水调节。

2.2 试验操作要点

2.2.1 规范要求

根据《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)，不同等级公路和不同填土深度所对应的填料强度及粒径必须符合相关规定[3]，具体见表1。

表1 填料强度及粒径要求

《公路土工试验规程》中并无不同填土深度承载比是否为试样压实度所对应的试验值的相关规定，笔者认为，通过承载比试验得到的压实度93%、94%、96%所对应的承载比值与工程实际相符。也就是说，路基施工过程中，按照填筑深度分区的压实度值与按照填筑深度分区的承载比值一致。

2.2.2 最大干密度与最佳含水率

依据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)对试料进行标准击实试验，并进行试样最佳含水率和最大干密度的确定，在试验过程中必须注意，最佳含水率与最大干密度取值与承载比试验的精确度直接相关，也是保证试验结果精度的基础性参数，所以，本工程标准击实试验采用平行试验[4]，以所得的最佳含水率均值与最大干密度均值为承载比试件制备的依据。

2.2.3 测力环矫正系数

根据试验规程进行击实试验时同时进行平行试验，确定试件最佳含水量和最大干密度取值，并保证取值的精确性。综合考虑土质进行公路工程土料强度仪测力环的选择，黏性土和砂土测力环取10 kN和30 kN，碎石和砾石测力环取30 kN和50 kN。

由于路面材料强度仪测力环所读取的数值仅为测力表可能的变形量，还应根据变形量值进行校正系数压力值的计算，计算过程中不能简单通过百分表读数和所对应的压力数据内插，必须先进行测力环标定数据回归方程的模拟，再将测力计百分表取值和回归系数相乘求出压力值。

2.3 试件制备

进行试筒编号和质量的称量，并将试筒固定在底板上，将垫块放入试筒内，再在垫块上放置滤纸、安装套环，防止试样与垫块粘连而影响试件顶面平整性及承载比试验结果的精确度。在试件制备前，测定试件含水量，并按标准击实试验所得到的最佳含水量调整试件实际含水量，并按要求进行试件闷料处理，闷料时间要求详见表2，并按试验规程制备不同压实度下的承载比试件。

表2 试件闷料时间要求

2.4 试验方法及试验数据

根据击数30次/层、50次/层和98次/层进行试件制备，并进行不同击数所对应干密度及承载比值的检测，并以承载比值为横坐标轴、以干密度值为纵坐标轴，绘制干密度～承载比关系曲线，通过关系曲线进行压实度所对应承载比值的读取，如图2所示。

图2 干密度-承载比关系曲线

经过调查，设计规划的取土场土质为黏土或黏土夹带强风化泥岩，液塑限高，受雨水影响很大。本工程公路主线标段内共设计2个取土坑，分别取土并进行承载比试验，若素土承载比值达不到规范及设计要求，应按设计比掺加消石灰和粉煤灰，以保证其承载比符合规范要求，具体指标详见表3。

表3 公路主线标段取土坑承载比试验结果

2.5 试验数据分析

2.5.1 承载比值的变化

通过表3试验数据可以看出，掺和料对填料承载比的影响较大，土体掺加石灰和粉煤灰改性后，承载比取值表现出明显的差异，且混合料改性成分掺加越多，填料承载比取值越大。在本工程公路主线标段路基填筑施工过程中，考虑到不同压实区对填料的承载比有不同要求，为此，必须通过颗粒分析及液限塑限试验确定填料中石灰与粉煤灰掺加比例，以保证填料承载比取值达到规范要求。

取土坑的选择必须考虑承载比取值的合理利用，通过压实度的提高及掺合料掺加比例的改变提升填料的承载比，并使其达到规范要求。承载比试验数据是路基填料水稳性能、强度及结构承载力的真实反映，也能从侧面反映出路基按设计要求碾压成型后可能的不均匀沉降[5]等情况。

2.5.2 承载比值的合理性分析

试验数据反映出同一土样在不同击数、不同压实度下承载比值的偏差情况，当每层击数为98时，同一土样的承载比值偏差系数最小，说明在这一击数下土样承载力均匀，试验所得贯入量变形差异程度小。当每层击数为50击和30击时，土样承载比取值的偏差系数较大，说明在击数较小的情况下，土样承载比试验中不均匀沉降较大。

通常情况下，填土高度与土体承载比取值呈正向变化，但是对于工程实际而言，路基下层填土承载比除受填土高度影响外，还与地表水、地下水、降水等因素有关，所以仅根据填土高度划分承载比值并不科学，还应根据土体含水量进行土料承载比值的区别分析。

3 承载比技术指标的应用建议

承载比是公路工程选择路基填料的依据，对于无法达到设计施工要求的路基填料，应通过掺加石灰、粉煤灰等稳定材料进行改性处理，并在承载比试验中将试件泡水4 d处理。如果试件泡水4 d后含水量与土基含水程度差异较大时，必须结合工程实际和试验原理调整泡水试件和试验方式，使土基承载比取值更加契合工程实际。根据公路土工试验规程，土基承载比试验过程中必须测定试件泡水后的膨胀量，但是相关规范并未对土样膨胀量的合理取值给出规定，进行土样膨胀量检测并无任何实际意义，但考虑到土样含水量和压实度与室内条件不同，也未泡水处理，应通过试验确定土样膨胀量与其余参数之间的关系，再根据关系换算为工程土样承载比取值，用于工程路基施工强度的评定。