透水路面砂土路基CBR值試驗研究

封攀新 孔盼峰

(1.中國民航大學機場學院，天津 300300; 2.鄭州弘銳工程技術咨詢有限公司，河南鄭州 450000)

0 引言

隨著我國城市化進程腳步的加快，硬化路面在城市建設中所占的比重不斷增加，極大地改善了人們的出行環(huán)境。但是，硬化路面阻斷了地下土壤和地表之間的水汽交換，使得熱量交換、濕度交換都很難進行，這樣不僅加重了城市排水系統(tǒng)的負荷，容易形成地表徑流、污染環(huán)境，而且人們的出行都會遭受涉水和濺水的困擾。為了減少上述問題的危害，透水路面在世界各國都得到了廣泛的應用，例如美國聯(lián)鎖混凝土道面研究所采用小砌塊聯(lián)鎖方式，將雨水通過塊體接縫下滲，從而減少道面的積水，這種技術已經(jīng)在美國華盛頓、中國香港機場的機坪建設中得到應用，且獲得了較好效果。就目前的透水路面而言，面層的研究方面比較多，在路基方面的研究內(nèi)容比較少［1］，嚴重制約著透水路面的進一步發(fā)展。因此，本文基于兼有透水性能和一定承載強度的透水路面，重點研究適用于該路面結(jié)構(gòu)的路基，使其在滿足透水性能的條件下也具有一定的強度。

CBR是評價土質(zhì)路基及路面材料的強度和水穩(wěn)定性的指標［2］。目前關于CBR試驗方法和取值都進行了一定程度上的研究［3-5］，但是對于砂土路基 CBR的影響因素的研究還不夠深入［6，7］。

本文通過室內(nèi)裝置對砂土CBR值進行試驗分析，找出影響CBR取值的因素及其敏感程度，為透水路面路基設計和施工提供有價值的依據(jù)。

1 試驗過程與方法

1.1 原材料

原材料的物理性質(zhì)指標見表1，細砂和粘土的顆粒級配曲線見圖1。

細砂的擊實曲線如圖2所示，并不像粘土的擊實曲線那樣是一條單峰曲線(干密度隨著含水率的增大呈現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律)，而是一條雙峰曲線，干密度隨著含水率的逐漸增大，呈現(xiàn)出先減小，后增大，再減小的規(guī)律。

表1 原材料的物理性質(zhì)指標表

對于細砂的擊實曲線主要是細砂本身的結(jié)構(gòu)特點和性質(zhì)所決定的。當含水率接近于零時，細砂顆粒易于移動，幾乎沒有粘聚力，具有較大的干密度;當含水率在0%～3%時，細砂顆粒表面的水膜產(chǎn)生假粘聚力，擊實過程中的一部分擊實能量消耗在克服這種假粘聚力做功上，所以會出現(xiàn)最低的干密度;隨著含水率的增加(＜12.2%)，細砂顆粒表面水膜厚度不斷增加，間距逐漸增加，擊實作用容易克服粒間引力而使其相互位移，趨于密實;當含水率增加至12.2%時，細砂接近飽和，由于細砂具有良好的透水性能，在擊實作用下，水分向著孔隙方向流動，帶著細砂顆粒向孔隙方向移動，使得細砂定向排列和分布，細砂逐漸變得密實起來;當含水率超過12.2%時，擊實僅能導致細砂顆粒更高程度的定向排列，而其體積幾乎不發(fā)生變化，所以其干密度呈現(xiàn)出下降的趨勢。

圖1 細砂和粘土的顆粒級配曲線

圖2 細砂和粘土的擊實曲線

1.2 試驗方法

采用正交試驗的設計方法［8］，選取含砂率、壓實度、浸水時間作為影響砂土CBR的三個主要因素。正交分析采用四因素三水平，選擇L9(34)的正交試驗方案，其方案布置選取表和影響因素水平取值表如表2和表3所示。

表2 砂土CBR影響因素選取表

表3 砂土CBR影響因素水平取值表

1.3 砂土等效最大干密度和等效最佳含水率

將細砂和粘土分別在烘箱里面進行烘干處理，使其干燥不含水分。依據(jù)表1擊實試驗的結(jié)果可知細砂的最大干密度為ρd，max=1.766 g/cm3，最佳含水率為 w0=12.2%，粘土的最大干密度 ρd，max=1.843 g/cm3，最佳含水率為w0=14.3%。用式(1)和式(2)計算含砂量為ωi時砂土的等效最大干密度和等效最佳含水率。

1.4 壓實度的確定

計算出砂土的等效最大干密度和等效最佳含水率后，需要在此最大干密度和最佳含水率的條件下制備試樣。為了消除試件擊實過程中的人為操作和讀數(shù)帶來的壓實度誤差，本文采用靜力預壓成型法，以達到預定的壓實度。

先根據(jù)試筒的體積、預定的壓實度以及砂土的等效最大干密度和等效最佳含水率，按照式(3)求出試件所需的砂土質(zhì)量，然后采用壓力機把稱量好的砂土準確壓實到試筒的體積為止。在制備試件時采取基層抗壓強度制件方法中規(guī)定的分層搗實，模具上下面預留2 cm～3 cm的高度，再壓實成型，以保證所制試件的壓實均勻性(見圖3，圖4)。

圖3 靜力預壓成型

圖4 CBR貫入試驗

其中，m試樣為試驗中試筒所裝試樣的質(zhì)量;V容器為試筒的體積;為砂土的等效最大干密度;為砂土的等效最優(yōu)含水率;K為砂土的壓實度。考慮到試樣的損失和預留6 mm的高度，最終的試樣質(zhì)量須乘以1.2的綜合系數(shù)。

1.5 浸水時間的確定

將采用靜力預壓法制備好的試樣取出，不需要浸泡的直接可以進行貫入試驗。需要進行浸泡處理的，在試樣制成后，試件頂面放一張好濾紙，在套筒上放置4塊荷載板。放入筒內(nèi)，浸泡2 d(或4 d)，記錄好浸泡開始的時間和結(jié)束時間。

1.6 CBR試驗簡介

CBR試驗貫入過程是試件中的部分砂土與整體之間產(chǎn)生相對位移時在剪切面上所產(chǎn)生的抗剪切力的表現(xiàn)，它反映出的強度就是土體的局部抗剪強度。CBR(承載比)值一般采用貫入量為2.5 mm時的單位壓力與標準碎石壓入相同貫入量時標準荷載強度的比值，同時計算貫入量為5 mm時的承載比，若大于2.5 mm時的承載比則重做試驗，若結(jié)果仍然如此則應采用5 mm時的承載比［9］。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 直觀分析

直觀分析方法就是通過分析表3中的試驗數(shù)據(jù)，判別含砂率、壓實度、浸水時間三個因素的水平變動對考核指標CBR值的影響程度。其計算方法是每一個因素在每個水平下的所有CBR值進行相加，求出其算術平均值，然后比較這些值兩兩之差的絕對值的最大值，稱為極差R。極差越大表示該列因素的水平是對CBR值影響最大的因素。因此對CBR值各影響因素的重要性有直觀上的認識，并通過進一步分析影響因素和考核指標的關系，可以確認最佳組合。

表4 試驗結(jié)果直觀分析表

從表4中可以看到，各因素影響程度大小關系為浸水時間＞壓實度＞含砂率，說明浸水時間和壓實度是影響CBR值的主要因素，含砂率是次要因素，而且還可以得到最優(yōu)組合為A3B3C1。但由于該組合只是統(tǒng)計的結(jié)論并未做試驗，需要進一步做試驗驗證。做A3B3C1方案下的 CBR試驗，試驗結(jié)果為29.3%，大于A2B3C1實驗方案中的22.1%，證明該組合的最優(yōu)性。

以每個因素的水平為橫坐標，以考核指標的CBR的平均值為縱坐標，繪制各個因素的趨勢圖，見圖5。

圖5 CBR各影響因素影響趨勢圖

從圖5中可以看出，CBR值隨著含砂率和壓實度的增大而呈現(xiàn)出增加的趨勢，隨著浸水時間的增加而明顯的下降，且前兩天下降的幅度明顯大于后兩天，從后兩天的下降幅度緩慢可以預測，4 d以后的浸水對CBR的影響程度將會變得很小，因為砂土已經(jīng)達到了飽水狀態(tài)。

2.2 方差分析

方差反映了CBR試驗結(jié)果的波動特征，方差大小反映某因素影響對CBR均值的偏離程度，數(shù)值越大，表明該因素水平的微小變動會導致CBR指標值的較大波動。因此，方差大的是主要因素，方差小的是次要因素。方差分析可以評價出重要的影響因素，并且能夠給出影響大小的順序，為確定進一步的試驗方向提供了可靠的依據(jù)。

表5 試驗結(jié)果方差分析

從表5中可以看到，在所考察的三個因素中，F(xiàn)A=1.75＜F0.10(2，2)=9 影響程度很小，F(xiàn)0.05(2，2)=19 ＜ FB=19.1 ＜ F0.01(2，2)=99 影響效果顯著，F(xiàn)0.05(2，2)=19 ＜ FC=80.95 ＜ F0.01(2，2)=99 影響效果非常顯著，所以其影響大小的順序為浸水時間＞壓實度＞含砂率。所得結(jié)果與直觀分析一致，符合工程實際狀況。

3 結(jié)語

1)粘土擊實曲線是一個單峰值曲線，細砂的擊實曲線是一個雙峰值曲線，且存在最大干密度和最優(yōu)含水率。

2)影響CBR值的三個主要因素中，浸水時間是最主要因素，壓實度次之，含砂率的影響程度最小。就本試驗條件下，含砂率為90%、壓實度為99%、浸水時間為0 d的CBR最大，是最優(yōu)組合，CBR 值為29.3%。

3)砂土的CBR值隨著含砂率的增加而增加，但是其增加的幅度較小;隨著壓實度的增加而不斷增加，壓實度越大，越可以承受外界不利的環(huán)境和荷載作用;隨著浸水時間的增加，砂土的CBR值顯著降低，前兩天降低的幅度明顯大于后兩天降低的幅度。

［1］錢振東，陳春紅.透水性道路研究進展［J］.上海公路，2008(1):23-27.

［2］JTG E40-2007，公路土工試驗規(guī)程［S］.

［3］朱志鐸，郝建新，黃力平.CBR試驗影響因素及其在工程中應注意的幾個問題［J］.巖土力學，2006(9):1593-1600.

［4］張新財.探討路基填土CBR值與壓實度、浸水時間的關系［J］.北方交通，2008(7):51-53.

［5］仇群鉆，張培君，張曉鵬.路基填土室內(nèi)CBR試驗研究［J］.交通標準化，2005(12):153-157.

［6］張巨松，張?zhí)砣A，朱桂林，等.透水路面路基性能的試驗研究［J］.沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2007(12):961-964.

［7］舒 玉，嚴戰(zhàn)友，劉洪峰.砂土路基力學與變形指標的室內(nèi)試驗研究［J］.石家莊鐵道學院學報(自然科學版)，2010(3):22-25.

［8］唐 明，陳 寧.工程試驗優(yōu)化設計［M］.北京:中國計量出版社，2009.

［9］侍 倩.土工試驗與測試技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2005.