含泥量對填砂路基動態(tài)模量的影響

陳宇亮，李雪連，周志剛

（長沙理工大學a.交通運輸工程學院；b.道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室，長沙 410004）

沖積平原地區(qū)高速公路建設(shè)缺乏優(yōu)質(zhì)路基填料。若就地取土，不僅占用耕地，而且填料質(zhì)量也難以保證；若長距運土，會造成建設(shè)成本大幅增加，中國不少地區(qū)擁有豐富的江（河）砂資源。若采用江（河）砂作為路基填料，不僅料源豐富、取料方便，還可以疏浚河道、保護生態(tài)、節(jié)約耕地，減少高速公路修筑對沿線環(huán)境的影響，同時砂具有水穩(wěn)性好，施工時受不利季節(jié)和水的影響小等特點，近年來在中國多條高速公路得到了一定應(yīng)用，其中江西省境內(nèi)有3條高速公路全線或部分路段采用填砂路基。

對于填砂路基的研究，目前主要集中在填砂路基的設(shè)計、施工與質(zhì)量控制［1－5］、填砂路基的防護［6］、填砂路基的邊坡穩(wěn)定性分析［7］和填砂路基的防排水［8－9］等方面，這些研究成果對于保證填砂路基的施工質(zhì)量起到了非常重要的作用。但隨著填砂路基工程建設(shè)的不斷推進，需要對填砂路基有更為深入的研究，當前，還沒有對填砂路基的力學特性尤其是動態(tài)模量方面進行系統(tǒng)研究。此外，科研和工程人員認識到含泥量對填砂路基的重要影響，但沒有開展深入細致的研究，得出的結(jié)論較為籠統(tǒng)，無法具體指導工程實踐。

本文通過現(xiàn)場便攜式落錘式彎沉儀（PFWD）試驗、壓實度試驗和室內(nèi)PFWD試驗，分析含泥量對填砂路基動彈性彈模量的影響。結(jié)合現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，建立動態(tài)模量隨壓實度、稠度和含泥量變化的回歸模型。并結(jié)合現(xiàn)場檢測與室內(nèi)試驗結(jié)果，提出填砂路基含泥量的控制標準。

1 現(xiàn)場PFWD測試

1.1 現(xiàn)場測試點位布置

現(xiàn)場測試地點為江西省德興至南昌（簡稱德昌高速公路）的填砂路基，在該高速公路選擇了3個路段進行試驗，第1個路段（編號為DC－1－1）和第2個路段（編號為DC－1－2）在同一標段，砂源相同，施工機械設(shè)備也相同。第3個路段（編號為DC－2）與前兩個路段砂源不同，而且在另一標段。每個路段在行車道上按10m左右間隔布點，檢測點位的布置示意圖如圖1所示。

圖1 檢測點位布置

1.2 試驗內(nèi)容與流程

首先選擇一個測試點位，進行PFWD動態(tài)模量檢測［10－11］，檢測完成后，在原位進行現(xiàn)場壓實度檢測，然后在該點位取樣，測試路段全部完成后，把所有點位的土樣標簽編號，送到實驗室采用烘干法和篩分法測定每一點位所取土樣的含水率和含泥量。試驗內(nèi)容與順序按圖2流程操作。

1.3 主要物性指標

各個檢測路段填砂路基的主要物性指標見表1。

圖2 試驗內(nèi)容與流程

表1 砂的主要物性指標

由表1可知，3個路段砂的不均勻系數(shù)均小于5，曲率系數(shù)小于3，因此，3個路段的砂均為級配不良的砂。顆粒分析試驗可知，DC－1－1路段和 DC－1－2路段粒徑大于0.25mm顆粒小于總質(zhì)量50%，粒徑大于0.075mm顆粒多于總質(zhì)量75%，故這2個路段的填砂路基為細砂。而DC－2路段粒徑大于0.5mm顆粒小于總質(zhì)量50%，而粒徑大于0.25mm顆粒多于總質(zhì)量50%，故該路段的填砂路基為中砂。

1.4 試驗結(jié)果與分析

1）動態(tài)模量與含泥量關(guān)系 含泥量與填砂路基動態(tài)模量的關(guān)系如圖3所示。

圖3 動態(tài)模量與含泥量關(guān)系

由圖3可知，除DC－1－2路段有一個點位的含泥量為6.6%外，該檢測路段填砂路基含泥量在3.0%～5.5%之間，DC－2路段與其他兩個路段相比，含泥量相對較大。3個路段的動態(tài)模量在70～140MPa之間，其值的大小隨含泥量增加而減少。采用冪函數(shù)Ep＝aKb對動態(tài)模量與含泥量進行回歸，回歸關(guān)系如表2所示。

表2 動態(tài)模量與含泥量回歸關(guān)系

由表2可知，3個路段的填砂路基動態(tài)模量與含泥量具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.7以上（R2＞0.49）。一般情況下，含泥量越大，路基動態(tài)模量減小，反之，含泥量越小，動態(tài)模量越小。需要指出的時，由于現(xiàn)場的含泥量絕大部分在3.0%～5.5%之間，變化不大。當含泥量不在這個范圍時，是否還具有這個規(guī)律，有待于進一步的研究。

2）動態(tài)模量與壓實度、稠度和含泥量關(guān)系 填砂路基動態(tài)模量的大小應(yīng)該是多因素綜合的結(jié)果，一方面，壓實狀態(tài)對填砂路基的動態(tài)模量具有決定性的影響，現(xiàn)場測試表明，壓實度越大，填砂路基的動態(tài)模量也越大；另一方面，填砂路基內(nèi)部儲水能力弱，路基成型后含水率一般較低，尤其是路基表層，對其動態(tài)模量有較大影響。為此，結(jié)合含泥量對動態(tài)模量的影響分析，根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，采用多元冪函數(shù)建立了動態(tài)模量與壓實度、稠度和含泥量的回歸關(guān)系，回歸公式見式（1），回歸系數(shù)如表3所示。

式中：EP為動彈性模量，MPa；K為壓實度；wc為稠度；MC為含泥量，%。

表3 動態(tài)模量與壓實度、稠度和含泥量的回歸關(guān)系

由表3可知，動態(tài)模量與壓實度、稠度和含泥量的回歸系數(shù)R均大于0.75，表明它們具有良好的回歸關(guān)系。

2 室內(nèi)PFWD測試

現(xiàn)場檢測與分析可知，德昌高速公路填砂路基的含泥量大部分3.0%～5.5%之間，變化范圍不大。動態(tài)模量與含泥量之間的關(guān)系只能得到部分體現(xiàn)。為全面掌握含泥量對填砂路基動態(tài)模量的影響，采用室內(nèi)PFWD測試方法進行相應(yīng)研究［12］。

2.1 室內(nèi)PFWD測試方法

PFWD進行路基回彈模量室內(nèi)測試的標準配置為：承載板直徑為10cm，落高位5～15cm，錘重10kg。所以，PFWD安裝不需要下滑桿，而直接將上滑竿擰緊固定到底座上即可，如圖4所示。由此，桿高為50cm左右。測試時PFWD直接作用于標準重型擊實頂面，并記錄荷載、位移傳感器的測量值。

圖4 室內(nèi)PFWD測試示意圖

根據(jù)測試過程中壓力和彎沉的峰值按式（2）計算土樣模量MR：

式中：MR為PFWD實測的土樣模量，MPa；p為承載板上荷載的平均壓力，MPa；δ為承載板半徑，cm；μ為土體泊松比，對于瀝青路面取0.35，對于水泥混凝土路面取0.30；K為綜合影響系數(shù)，考慮土工試筒筒底和筒壁的約束作用［13］，對于PFWD為10cm直徑的承載板，K取0.5931。

2.2 試驗內(nèi)容與程序

1）試驗材料的選擇。以上述3個路段的砂作為試驗材料。

2）成型試件。試件的含水率均為最佳含水率，壓實度分為94%和96%，按目標含泥量分別為0、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%成型試件。

3）室內(nèi)PFWD測試。根據(jù)上述室內(nèi)PFWD測試方法，對試件進行測試，并按要求計算每個試件的動態(tài)模量。

4）實際含泥量測定。由于目標配制的含泥量與實際含泥量存在一定誤差，為更好反映含泥量與動態(tài)模量的關(guān)系，室內(nèi)PFWD測試完成后，再進行實際含泥量的測定。

2.3 試驗結(jié)果與分析

1）壓實度為94% 由表4和圖5可知，當試件壓實度為94%時，隨著含泥量的增加，砂的動態(tài)模量先增大，后減小，具有典型的凸行拋物線特征。11個試件中，動態(tài)模量最大對應(yīng)的含泥量為4%。此外，當含泥量較?。ê嗔啃∮?%）和較大（含泥量大于8%）時，動態(tài)模量要明顯小于其他含泥量下的動態(tài)模量。當含泥量在3%～8%范圍時，動態(tài)模量變化幅度不大。

表4 室內(nèi)動態(tài)模量與含泥量關(guān)系

圖5 室內(nèi)動態(tài)模量與含泥量關(guān)系

2）壓實度為96% 壓實度為96%時，含泥量與室內(nèi)動態(tài)模量的關(guān)系如表5和圖6所示。

由表5和圖6可知，當試件壓實度為96%時，隨著含泥量的增加，砂的動態(tài)模量也先增大，后減小。11個試件中，動態(tài)模量最大對應(yīng)的含泥量為3%。與壓實度為94%相同，當含泥量較?。ê嗔啃∮?%）和較大（含泥量大于8%）時，動態(tài)模量要明顯小于其他含泥量下的動態(tài)模量。當含泥量在3%～8%范圍時，動態(tài)模量變化幅度很小。

表5 室內(nèi)動態(tài)模量與含泥量關(guān)系

圖6 動態(tài)模量Ep與含水率w關(guān)系

填砂路基中含泥量較少時，砂無塑性、透水性強，粘聚力小，易松散，壓實困難，整體強度較低。此外，當砂中含泥量過大時，填料中的泥漿填充在砂顆粒之間，使顆粒之間的滑動與滾動摩擦阻力減小，使顆粒之間咬合能力減弱，使填料剪脹性減小，從而使填料的抗剪強度大大減小，且泥漿較多的區(qū)域泥漿會和砂顆粒混合形成團狀，在填料中形成強度極低的空洞。所以較大的含泥量對砂填料的強度影響很大。綜合上述分析，在選取砂源時應(yīng)對砂的含泥量嚴格控制，建議含泥量控制標準為3%～8%。

3 結(jié)論

1）現(xiàn)場檢測路段填砂路基含泥量絕大部分在3.0%～5.5%之間，現(xiàn)場動態(tài)模量隨含泥量增大而減少，二者具有良好的冪函數(shù)回歸關(guān)系。

2）現(xiàn)場動態(tài)模量與壓實度、稠度和含泥量具有良好的回歸關(guān)系。

3）當試件壓實度為94%和96%時，隨著含泥量的增加，砂的動態(tài)模量先增大，后減小。當含泥量較?。ê嗔啃∮?%）和較大（含泥量大于8%）時，動態(tài)模量要明顯小于其他含泥量下的動態(tài)模量。當含泥量在3%～8%范圍時，動態(tài)模量變化幅度很小。

4）為保證填砂路基的強度與施工質(zhì)量，在選取砂源時應(yīng)對砂的含泥量嚴格控制，建議含泥量的控制標準為3%～8%。

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