现场CBR试验在路堤填筑中的应用分析

马 庆

（十四局集团铁正检测科技有限公司，山东 济南 250116）

0 引言

加州承载比（CBR）是美国工程行业最先提出的评定路堤填筑材料承载强度的技术方法，CBR主要代表填筑材料强度相对碎石标准强度的比值，其以碎石标准承载强度为基准，代表填筑材料抵抗局部荷载的承载能力水平，通常用百分数来表示。CBR值主要用来对路堤施工垫层、基层、筑路材料进行承载相对水平的评定。该值能够表现出路堤材料抵抗垂直变形的能力，在极端条件下能够反映出筑路材料的抗压强度。当前，在公路建设活动中极易出现筑路材料缺乏的情况，直接采用现场的强风化花岗岩进行路堤填料施工具有现实意义，而其CBR值则需要进行必要的试验检测，现场CBR试验具有设备应用简便、操作简单，因此应用于很多工程行业中。

1 现场CBR试验技术要求

现场CBR试验开展采取的设备材料如下。荷载装置为后轴重大于65 kN且装有集料的载重汽车，需要在后轴位置装设反力架（加劲横梁）；测试设备则为球座、测力计、千斤顶等，其中千斤顶能够控制贯入装置的贯入速度（一般设置在1 mm/min），测力计的最大容许值需要大于路堤填料的抗剪强度，其精度则要大于整个计量量程的1%；除此之外还需要有加载结构，如承压板、贯入板、贯入测量设备等。测试要点如下。将测点范围30 cm直径内的试验段找平；现场安装测试设备，路基表面需要和贯入杆紧密接触；千斤顶启动贯入杆以1 mm/min速率进行路基压入，对贯入量及荷载进行记录，贯入量达到12.5 mm时则可以结束试验；测点卸载取样分析内部含水量，测点旁采取环刀法分析路基密度。

CBR值的计算需要按照以下流程，绘制贯入量-荷载压强曲线图，如图1所示，其中各级压强=贯入试验获取的等级荷载/贯入面积（19.63 cm），当贯入量-荷载压强曲线中存在明显的拐点时（图1曲线2所示），则需要在该处进行切线处理，实现坐标轴相交数据调整处理，以此获取修正后的曲线（图1中所示）；其次，荷载压强的计算则直接从贯入量-压强曲线上读取2.5mm、5mm贯入量处的压强值，并且按式CBR=P/P×100%计算数据，其中为等级荷载压强；则为压强标准值，一般选取为7MPa固定值。CBR值计算一般以2.5mm贯入量时的数据为主。只有在重复试验状态下，5mm贯入量CBR值大于2.5mm贯入量CBR值时，才选取贯入量5mm时的数据。

图1 贯入量-荷载压强关系示意图

2 工程概况

西乡至镇巴高速公路工程标段K29＋644～K33＋820，全长4.176 km，其中路堤工程占其中的1.381km，路堤项目所处地质整体以变质岩为主，且地表出露较多的花岗岩、砂质片岩和硅质板岩，岩石整体呈现碎块状，富含节理裂隙，且极容易产生破碎现象，现场岩石材料的抗水性、抗风化能力及变性能力较差；考虑到该路段的地形地质环境较为复杂，且气候变化剧烈，道路宽度较小，为了充分保护当地生态，现场的大量花岗岩作为路堤填筑材料使用，则能够大大减少建设成本和耕地占用情况。对现场取材的优化，重点在于弥补花岗岩填料的力学缺陷。

路堤填筑材料CBR值的改善主要通过以下两种方式，首先是提升填筑材料的密实度，但是仅改变结构孔隙率而不优化材料颗粒胶结和摩擦力结构，其密实度对材料承载强度提升却极为有限；其次是对大量不符和路堤填筑的材料进行掺灰处理，如加入适量的水泥、粉煤灰、石灰等胶凝材料用量，通过胶凝材料不同用量的搭配对花岗岩进行必要的改良。该文主要针对不同水泥用量的掺加来对路堤材料进行路用性能测试。

3 路堤填筑现场性能分析

3.1 试验介绍

为了研究路堤填筑材料花岗岩的力学效果，该项目在标段K29+644-K29+744和标段K29+780-K29+980进行试验段的修筑，并且现场开展试验段的指标检测，对其最佳路用性能方案进行分析。花岗岩水泥改良填筑试验段全长为300m，试验方案分别采取不同配合比及里程，具体要求如下。K29+644-K29+744全长100m，路堤设计宽度为13m，路堤设计高度达到了18m，并且采取水泥质量为填料质量6%进行花岗岩改良处治，路堤分为三层进行填筑，每层虚铺厚度达到了30cm；其余路段则分别设置在K29+780-K29+880、K29+880-K29+980，长度都为100m，且路堤设计宽度都控制在13m，分别采取水泥含量3%、5%进行花岗岩改良，路堤填筑高度也和第一标段保持一致（30cm，分三层填筑）。

3.2 现场CBR要点控制

考虑到花岗岩混和填筑材料的CBR试验和普通土料CBR试验有较大的相似性，在进行现场操作时，需要注意以下几点，保证数据测试的准确性。首先是击实试验的标准性问题，击实不标准就会导致填筑材料承载力难以准确获取，如花岗岩碎粒中存在较大粒径的颗粒没有及时筛分，且没有对其进行有效含量统计，为此，花岗岩混合料填筑前，对其中粗大颗粒、针片状颗粒进行了及时筛分（去除粒径60mm以上的颗粒），确保级配的连续性。现场击实中击实位置不合理、含水率在局部没有达到最佳含水率等。为解决上述缺陷，技术人员需要在室内开展必要的筛分试验和液塑限试验，对花岗岩碎粒中的粗粒土和细粒土含量进行初步判断，并且测定其液限类别，估算含水率。

现场花岗岩填料贯入试验中，贯入量的取值往往由于不同百分表数据读取相差过大而难以确定包括首先是仪器没有进行水平设置，导致重力影响下贯入杆钢球和装置凹座难以紧密接触，此时如果有外界作用力，则会造成钢球轻微移动，使百分表计数的剧烈变化，为此，现场仪器需要保持水平安置，且每次测试前都需要进行及时调整；由于贯入杆和顶面的接触不完全，导致外力作用下贯入杆贯入深度的不均匀，百分表差异极大，技术人员需要合理控制升降台高程，对偏球座进行调整，以便达到顶面和贯入杆之间的充分接触，在贯入杆上还需要施加50 N左右的荷载，使读数之前的贯入杆处于稳定静止状态，此时技术人员需要将测力和位移百分表及时调零处理；花岗岩碎粒粗细程度对百分表读数影响极大，如果花岗岩大粒径颗粒含量偏少，整体级配分布在较小粒径区间时，在现场贯入过程中，贯入杆的速度及受力较为均匀，现场计数波动也不会很大。如果当花岗岩碎粒呈现不均匀级配分布时，则在现场贯入过程中会造成贯入杆的受力变化不均匀，极容易由于粗颗粒的存在造成计数的较大差异性。为此，现场需要多做几组贯入试验，以便获取计数相对均匀的那一组进行分析。

4 CBR结果分析

4.1 不同水泥含量

现场改良水泥3%、5%、6%的花岗岩CBR试验开展获取数据和贯入量值关系如图2所示。对比曲线结果表明，水泥改良作用下，花岗岩混合材料的力学指标有明显的优化，其CBR值都满足了相关技术指标要求，尤其是改良水泥含量为6%时所表现出来的CBR值最高，这主要归因于花岗岩在水泥胶凝材料作用下，水、水泥、花岗岩碎石之间存在较多的化学物理作用，花岗岩碎粒之间较大的孔隙在水泥的水化作用下形成了一个相对密实的整体，最终形成的整体结构较为致密和稳定。且花岗岩CBR值随着改良水泥用量的增大而增大，但是其中存在一定的不可控性，这主要在现场试验选取的试验方法和填料自身的性质上，具备不一致性因素，如填料的粗粒含量、均匀性及局部含水率变化、现场贯入速度、机械击实效果等，这些都与CBR值大小有关。

图2 CBR值-干密度在不同水泥含量下对比曲线

4.2 碾压遍数

针对改良水泥掺量6%试验路段开展不同碾压遍数的现场CBR值分析，其中现场碾压遍数控制如下。1遍静压、2遍振压、4遍振压、6遍振压，且路段监测点位数量需要在2个以上，现场获取数据统计分别如表1、图3所示。

图3 碾压遍数和CBR值关系图（虚铺厚度30cm）

根据表1、图3统计结果可知，现场CBR值随着碾压遍数的增加而不断增大，且在碾压前期过程中，CBR值增长速率较快，后期碾压则会造成CBR值增长缓慢；30cm虚铺厚度情况下，6遍振压的CBR 值相较于碾压4遍的增长幅度在1%以内，且存在监测点位的CBR值较4遍振压的情况要偏小；4遍振压之后开展多次振压造成的路基填筑强度提升有限，为此，全路段施工需要控制其合理振压遍数为4遍。现场另外开展不同虚铺厚度的CBR值检测，虚铺厚度不同情况下的CBR值普遍在25%以上，满足设计规范中相关强度指标要求（CBR≥8%），为此，控制现场压实检测的最低标准条件为CBR=25%。

表1 虚铺厚度30cm不同碾压遍数对应CBR值

4.3 p-s曲线

图4为虚铺厚度30cm下不同碾压遍数荷载-沉降（p-s）关系曲线，结果表明，p-s曲线在多次碾压变数情况下，具备较缓的发展趋势；填筑路堤在一致外载荷在情况下，其沉降会不断减小，这主要是填筑路堤的弹性模量随着碾压遍数的提升会不断增加，继而加大了路基的强度；碾压遍数的增大，4遍碾压过程中的路堤强度优化最显著；虚铺厚度的提升基本很难造成路堤强度的再次提高。

图4 虚铺厚度30cm下p-s关系曲线

4.4 回弹模量

回弹模量测定采取承载板试验，过程如下。千斤顶荷载施加采取逐级加载法，加载量采取压力表控制，荷载施加小于0.1 MPa时，则控制逐级递增荷载为0.02 MPa。为简便化加载过程，可以适当调整加载为整数值，达到预定荷载时，则需要进行1 min以上的稳压处理，并且及时记录弯沉仪数据；卸载后1 min，进行再次读数。两台弯沉仪读数差值小于平均值30%，则取平均值，否则需要重新开展测试。其中，加载停止以回弹变形值大于1 mm为基准，回弹变形值=弯沉仪杠杆比×（加载后平均值-卸载后平均值），总变形=弯沉杠杆比×（加载后平均值-加载初平均值），逐级荷载下路基回弹模量E计算如公式（1）所示，路基回弹模量计算如公式（2）所示。

式中：E为逐级荷载下回弹模量，MPa；为土泊松比；为承载板直径，cm；P为各级承载板压力，MPa；L为各级实测回弹变形值，cm。

现场CBR值和回弹模量之间也具有一定的关系，且以此指导路基路面的相关施工，通过式（1）、式（2）结合相应CBR值经线性拟合可以发现，=25.33·CBR-0.3849，其中为路基模量。根据以上计算可知，CBR值为25%时，其路基回弹模量为42.4 MPa。

5 结语

在交通工程和水利工程等行业中，我国的建设重点已经逐步转向西部，更多的公路工程建设都深入一些地质地形生态水文等较为复杂的山岭重丘区域，这就导致公路工程路堤施工中经常出现高填方、深路堑等情况，现场对路堤填料的运输环境极为严峻，填料的利用更多需要结合当地建设实际情况进行就地取材处理，对路堤填料的力学使用性能就需要进行现场CBR试验的开展，强风化花岗岩经过水泥含量6%混合处理后具备较好的力学性能，可以将花岗岩碎粒作为路堤填筑材料推广应用。