软岩质粗颗粒用作公路路基填料的级配及力学性能探讨

刘鹏飞

摘要 为有效探究软岩质粗颗粒路基填料级配及力学特性，文章以某山区公路路基填筑施工为背景，利用四分法，并结合颗粒填充基本原理，对软岩填料实施分级及级配组合，通过室内模型动力加载试验，系统分析了各种级配条件下软岩填料力学性能。结果显示：（1）软岩填料力学性能与颗粒级配密切相关；（2）软岩填料承载性能是由其内部粗颗粒决定的，尤其是对于粗砾组颗粒（20～60 mm）组成的骨架结构发挥着至关重要的作用；（3）软岩填料回弹模量最大值出现在最佳含水率及粒径大于P5颗粒含量为60%～70%的条件下，该状态下填料级配最优，容易组成骨架密实结构，具有优良的力学性能。

关键词 公路项目；软岩粗颗粒路基填料；级配类型；力学特性

中图分类号 U416.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）08-0110-03

0 引言

软岩粗颗粒路基填料力学性能与其内部颗粒级配组成及强度密切相关，尤其以级配影响最为突出[1-2]。根据以往工程实践，大部分粗颗粒填料路基出现沉降过大或失稳坍塌的根本原因，均是路基填料级配不合理。为此，该文结合某山区公路路基填筑案例，通过相关试验，系统分析了各种级配条件下软岩粗粒土力学性能，以期能有效提升软岩粗粒土路基填筑质量，保证公路运营安全[3]。

1 工程概况

某山区公路项目，沿线地理环境复杂多变，局部路段位于丘陵地带，路基填筑高度较大，由于优质路基填筑材料较为匮乏，难以满足该路段路基填筑实际需要，因此，拟采用现场挖方路段产生的天然软岩代替局部区域灰土填料进行填筑施工，以有效解决填料短缺问题。经现场提取土样检测发现，软岩材料为土石混合状态，粗颗粒含量较大，质地较软，但经压实处理后其承载性能完全符合标准要求，是一种价格低廉的优质路基填料[4]。

2 软岩质粗粒土颗粒组成及试验方案

2.1 原材料取样

现场提取土样为土石混合料，其成分以花岗岩为主，呈轻微风化状态[5]。通过试验检测，其相关技术指标完全符合标准要求。筛分结果显示：提取土样中粒径大于60 mm的颗粒比例介于15%～18%范围内，天然含水率15.1%。通过标准击实试验检测，土样最大干密度2.118 g/cm3，最佳含水率7.5%。

2.2 试验目的及项目

在工程实践中，天然软岩粗粒土加工阶段，由于其粒度变化较大，导致其工程性能出现差异。该项目针对软岩质粗粒土的级配特征、力学特性开展研究，通过对自然条件下软岩质粗粒土的级配、中粗粒含量及其力学性能的分析，为类似工程的设计提供借鉴[6]。

该次试验细目分析的内容包括沥青混合料的级配、力学性质测试。采用级配实验对软岩石粗颗粒填料的粗颗粒含量、粒径分布进行了研究。在此基础上，采用室内实验、室内模拟相结合的方法，开展软岩石细颗粒级配、含水量等因素对动态弹性模量的影响规律探究，并讨论其与路基填料之间的相关性[7]。

2.3 试验方案

（1）级配试验：根据现行《公路土工试验规程》相关规定，采用四分法提取试样，实施筛分及粒径等级划分，并通过相关计算准确求出三种颗粒等级的质量比[8]。结合颗粒填充基本原理，并依据质量比进行配制，从而获得5种级配不同的混合料，分析其级配特征，具体如下：①A类土：1/3中料+1粗料；②B类土：2/3中料+1粗料；③C类土：3/3中料+1粗料；④D类土：1/2细料+3/3中料+1粗料；⑤原状土：2/2细料+3/3中料+1粗料。

（2）力学特性试验：采用粗颗粒填料进行路基填筑时，填料级配类型、含水率等相关指标均会在一定程度上影响结构承载性能[9]。所以，按照规范要求制备不同级配及含水率条件下的路基填料，实施室内模型动力加载试验，从而有效获得材料的力学特性。

2.4 试件制备及试验设备

为获得各种级配的路基材料，按照细、中、粗三种等级对土样实施筛选后，根据各种级配材料配比，准确称量出相应粒径材料用量，充分搅拌均匀后，依据试验确定的含水率加水拌和，试样配制完成后，及时放置于模具内充分压实，并施加荷载实施检测[10]。

试验模具选用特定规格、硬度较大的组拼式木模具，检测时采用便携式弹性模量检测仪实施加载，采用该仪器能够随时获取加载状态下填料回填模量。

3 试验结果与分析

3.1 不同掺配比填料级配分析

通过筛分计算得到试样初始级配组成，其质量比细∶中∶粗=1∶3.84∶1.87，中、粗颗粒比例较大，约占总量的75%，符合相关标准中粗颗粒含量大于50%的基本要求。结合筛分结果可知，填料最大粒径大部分位于15 cm以内，符合最大粒径限制标准要求。由此可知，所取试样属于代表性软岩粗粒土填料。提取适量软岩粗粒土试样，根据逐级复原掺配标准分别制备A、B、C、D及原状土混合料，并对其级配实施分析，得到各种配比条件下混合料级配曲线、不均匀系数Cu和曲率系数CC，如图1所示。

由图1可知：针对粒径为0～60 mm的粗颗粒软岩填料，以0～2 mm、2～20 mm及20～60 mm三个等级进行分级后，通过逐级复原方式可有效恢复土体级配，能够获得各种标准型路基填料。级配优良的填料，必须符合Cu>5，CC=1～3的标准要求，并且颗粒级配曲线应平顺。据此能够判定，B、C类填料CC＜1，为级配不良填料；A类填料Cu、CC尽管符合优良填料标准要求，但优良率较低；而D类填料Cu、CC完全满足级配优良标准，并且级配曲线较为平顺，所以此级配标准为优质填料，随填料掺量的逐渐增大，混合料级配越来越好，优良程度显著增大。

3.2 不同级配土的回弹模量试验结果分析

（1）中、粗颗粒土弹性模量分析。选取软岩粗颗粒中的中、粗粒料实施加载试验，从而获得中、粗粒料对应的回弹模量，分析级配对回弹模量的影响。分别向中、粗试样中掺加8%左右的水实施拌和，以分层厚度20 cm为标准实施分层压实，依次测取中、粗试样自下而上1～4层的压实土弹性模量，如图2所示。

由图2可知：粗颗粒填料弹性模量显著高于中颗粒模量。按照现行《公路土工试验规程》相关规定，粗颗粒属于粗砾组。根据软岩粗粒土结构强度表现特征，粗粒料嵌挤强烈，具有优良的骨架支撑作用。

（2）掺配土弹性模量分析。选取A、B、C、D及原状土混合料实施加载试验，分层压实后模型整体厚80 cm。测得各土样含水率为8%，5种土样回弹模量Ed，如图3所示。

从图3可知：

（1）当路基填料按照级配等级进行逐级填充时，土体弹性模量不断增大，结合筛分试验对5类土中粒径大于P5的颗粒含量统计结果可知，粒径大于P5的颗粒含量由83.96%下降至62.12%。由此可知，A、B、C三类土中粒径大于P5的颗粒含量均位于70%以上，此类土体压实状态下为骨架-空隙型结构，细粒料含量相对较少，无法有效充填骨架间隙，所以压实度相对较差。

（2）D类土与原状土中粒径大于P5的颗粒含量为70%左右，细粒料含量较大，能够完全充填骨架间隙，形成骨架-密实结构，所以此级配状态下土体力学性能较好，能够表现出较强的承载性能，且弹性模量较大。由此可知，软岩填料承载性能是由其内部粗颗粒决定的，尤其对于粗砾组颗粒（20～60 mm）组成的骨架结构发挥至关重要的作用，同时，细粒料有效填充于骨架间隙，对保证填料承载性能也具有一定的增强作用。

3.3 不同含水率土的动态回弹模量试验结果分析

选取原状土实施加载试验，分层压实后土体模型整体厚60 cm，测得含水率主要包括三个梯度，依次为2.355%、8.361%、13.945%，处于干燥、中湿、过湿状态。而中湿状态含水率接近土体最佳含水率7.6%。各种含水率条件下土体弹性模量，如图4所示。

由图4可知：

（1）三种含水率梯度条件下，路基填料弹性模量依次为22.5 MPa、30.0 MPa和24.8 MPa。

（2）结合现有粗粒料试验检测结果可知，当含水率增大时，填料干密度出现双峰值变化形态。其中第一峰值出现在干燥状态下，而当含水率逐渐增大时，填料干密度持续下降，待降至一定值后又呈现上升趋势，达到最佳含水率状态下出现第二次峰值。

（3）粗颗粒土干密度具有双峰值变化特性，且干密度在一定程度上决定填料压实度，所以工程实践中，要严格控制路基填料含水率，确保其处于最佳状态，能有效提升路基压实度，保证路基填筑质量。

通过上述分析可知，公路工程路基填筑施工时，为有效提升路基压实度和力学特性，最大限度保证路基施工质量，应严格控制填料含水率，确保处于最佳含水率水平。同时，还要合理确定填料级配组成，使其处于优良水平，从而全面提升路基填筑质量。针对软岩填料，应将其粒径大于P5颗粒含量控制在60%～70%范围内，使其内部细粒料充分填充骨架间隙，有效提升填料力学强度。

4 结语

综上所述，该文结合某山区公路路基填筑施工实践，针对软岩质粗颗粒用作公路路基填料的级配及力学性能展开综合探究，通过相关试验，系统分析了各种级配条件下软岩粗粒土力学性能，主要结论如下：

（1）软岩粗粒土是一种价格低廉的优质土石混填料，可组成骨架-密实结构。软岩填料承载性能是由其内部粗颗粒决定的，尤其对于粗砾组颗粒（20～60 mm）组成的骨架结构发挥至关重要的作用，同时，细粒料有效填充于骨架间隙，对保证填料承载性能也具有一定的增强作用。

（2）对于软岩粗颗粒填料，当其含水率处于最佳含水率及大于P5颗粒含量处于60%～70%范围内力学特性最优。工程实践中，采用此类填料填筑施工时，需严格控制填料含水率，使其保持在最佳含水率状态，并控制好大于P5颗粒含量。文中D类土与原状土中粒径大于P5的颗粒含量为70%左右，土体力学性能较好，能够用于路基填筑施工中。

（3）天然状态下，软岩粗粒土内部含有巨粒土（＞60 mm）和细粒土（＜2 mm），会在一定程度上影响填料压实度，从而显著降低土体承载性能。所以，工程实践中，对于含有粗、细粒土的填料，如何科学确定其含量限值及其对填料力学性能的影响，有待进行更加深入的探究。

参考文献

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