長江青砂壓實和承載強(qiáng)度特性研究*

方　正　李　磊　柳子堯　羅　蓉　馮光樂

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)　武漢　430063)　(湖北長江路橋股份有限公司2)　武漢　430212) (湖北省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督局3)　武漢　430014)

長江青砂壓實和承載強(qiáng)度特性研究*

方正1)李磊2)柳子堯1)羅蓉1)馮光樂3)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢430063)(湖北長江路橋股份有限公司2)武漢430212) (湖北省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督局3)武漢430014)

摘要：針對填砂路基施工過程中施工機(jī)械容易發(fā)生陷輪的現(xiàn)象，選取湖北潛江至江陵高速公路江陵段中的填砂路基進(jìn)行了室內(nèi)加州承載比試驗，探討了青砂的壓實度和CBR值在含水率，以及擊實功變化下的變化情況.研究結(jié)果表明，在擊實功較小時，青砂CBR峰值含水率要略小于其最佳含水率，對于不同擊實功，青砂CBR峰值都對應(yīng)于最大干密度處；試驗室及現(xiàn)場結(jié)果都說明在當(dāng)?shù)叵募娟幪鞖夂驐l件下，對灑水半天后的青砂進(jìn)行碾壓，不會產(chǎn)生機(jī)械陷輪的現(xiàn)象；在施工過程中需要不斷灑水，維持青砂的含水率在最佳含水率附近，從而保證青砂碾壓后的壓實度.

關(guān)鍵詞：青砂；含水率；擊實功；壓實度；加州承載比(CBR)

0引言

在江漢平原地區(qū)，由于地下水位高，往往需要填筑較高的路基，而由于某些地帶土資源較為匱乏，高速公路的修筑當(dāng)中需要尋找其他的路基填料.湖北潛江至江陵高速公路的江陵段臨近長江，擁有豐富的河砂資源，而河砂作為路基填筑材料對項目而言是一種經(jīng)濟(jì)又方便的選擇.砂作為一種路基填筑材料，具有水穩(wěn)定性好、透水性強(qiáng)、飽水易壓實的特點，但同時也存在易沉陷、干穩(wěn)定性差等缺點[1].項目的施工過程中，由于對灑水后的砂路基的強(qiáng)度不能進(jìn)行很好的主觀判斷，往往會出現(xiàn)砂的承載力不夠，導(dǎo)致機(jī)械陷輪的問題.

目前我國施工規(guī)范中沒有關(guān)于填砂路基施工工藝及質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)[2]，國內(nèi)關(guān)于填砂路基的工程實例大多為沙漠戈壁地區(qū)的風(fēng)積沙路基[3]，以及江河密集地區(qū)的吹填砂路基[4].由汽車運(yùn)輸河砂在高速公路大規(guī)模應(yīng)用的工程實例較少，僅有江西省樂化至溫家圳段高速公路和上海崇明島接線工程等[5].本文針對填砂路基施工過程中，施工機(jī)械容易發(fā)生陷輪的現(xiàn)象，并結(jié)合項目實際情況，對青砂的壓實和承載力進(jìn)行了相關(guān)研究.

1砂的基本性質(zhì)

1.1青砂的顆粒分析

砂取于湖北省江陵縣郝穴鎮(zhèn)長江碼頭，砂為長江內(nèi)采集的青砂.采用《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)中的篩分法(T 0115-1993)進(jìn)行顆粒分析試驗[6]，其結(jié)果見表1.

表1　砂的顆粒分析

由顆粒分析試驗結(jié)果可得，砂的不均勻系數(shù)Cu為3.33，屬于不良級配.粒徑大于1 mm的砂很少，而0.075 mm以上砂的顆粒超過了總質(zhì)量85%，根據(jù)規(guī)范分類為細(xì)砂.

1.2青砂的擊實試驗

參照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)，在現(xiàn)場和室內(nèi)試驗室分別進(jìn)行了青砂的擊實試驗，用來測定青砂的最佳含水率和最大干密度.試驗儀器為多功能電動擊實儀，試驗具體參數(shù)見表2.

表2　試驗具體參數(shù)

依照規(guī)范，砂的粒徑應(yīng)該按照輕型擊實試驗的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行擊實試驗，但為保證與后續(xù)的CBR試驗試件的一致，統(tǒng)一采用重型擊實試驗的標(biāo)準(zhǔn).按照干土法制備樣料，總共預(yù)加了8個含水率，6%，8%，10%，12%，14%，16%，18%，20%，悶料一夜，開始擊實試驗.分3層進(jìn)行擊實，每層放入1 500～1 700 g砂，每層擊實數(shù)為98次，將成型后的試件脫模稱重，并測得試件的含水率，然后計算出試件的濕密度和干密度.

最終得到青砂的最佳含水率和最大干密度，見圖1.

圖1　青砂的擊實試驗

由圖1可見，青砂的干密度先是減少然后逐漸增大，在含水率16%處出現(xiàn)了最高點，然后下降.青砂的干密度也有2個峰值，一個最大干密度在含水率5%之前，另一個在含水率16%處.考慮到填砂路基的施工當(dāng)中，一般都會過量灑水，砂的含水率普遍是大于5%的，因此這里選擇16%處的干密度作為青砂的最大干密度，最佳含水率為16%.

2青砂的CBR試驗

在填砂路基的施工中，往往會因為砂的強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致機(jī)械無法進(jìn)行攤鋪碾壓，而影響砂強(qiáng)度的主要原因是砂的壓實度，砂的壓實度又由含水率和壓實功控制.所以本文在進(jìn)行砂的承載比試驗(CBR)時，考慮了含水率和擊實功兩方面的影響，分別研究了在30次、50次、98次擊實下，不同含水率試件的承載比.

根據(jù)擊實試驗確定的最佳含水率為16%，承載比試驗選擇的5個含水率為10%，12%，14%，16%，18%，為保證同擊實試驗的一致性，試驗儀器采用同擊實試驗一樣的多功能電動擊實儀，試驗參數(shù)也保持一致.

2.1青砂的干密度和濕密度

不同含水率以及擊實功下，試件干密度和濕密度見圖2～3.

圖2　干密度隨含水率以及擊實功的變化曲線

圖3　濕密度隨含水率以及擊實功的變化曲線

由圖2～3可見，隨著擊實功的增加，試件的干密度和濕密度都在增大.從圖3可以得到，不同擊實功作用下，試件濕密度隨著含水率的增大呈上升趨勢；在圖2中可以得到，在30和50次擊實下，試件干密度在12%左右達(dá)到最大值，而在98次擊實下，試件干密度在16%處達(dá)到最大值.這說明試件在30次和50次擊實下的密實情況與98次有一定的區(qū)別，在30次和50次擊實下的最佳含水率相對于98次擊實下的最佳含水率偏小，但是擊實次數(shù)越多試件都越密實.

2.2青砂的CBR值

在試件成型以后，在試件上添加荷載板和百分表，讀取百分表的讀數(shù)，然后在水中浸泡4 d.養(yǎng)護(hù)完成之后，取出試件讀取百分表讀數(shù)，并利用路面強(qiáng)度測試儀，進(jìn)行承載比的試驗，具體步驟見圖4.

圖4　承載比試驗過程

試驗完后，根據(jù)路面強(qiáng)度測試儀上的百分表讀數(shù)，利用公式計算出青砂的承載比(CBR).具體試驗數(shù)據(jù)見表3和圖5.

表3　不同含水率和擊實功下的青砂的CBR值

圖5　青砂CBR隨含水率以及擊實功的變化曲線

由圖5可知，在30次擊實的條件下，不同含水率的試件承載比變化不大，在50次擊實的條件下，試件在含水率12%處的承載比最大，而不是在最佳含水率16%處，并隨著含水率的增加承載比不斷下降，在98次擊實的條件下，試件在16%處的承載比最大.

結(jié)合圖2可見，在 50次擊實條件下，試件干密度最大時，試件的CBR也達(dá)到峰值(含水率12%的試件，干密度為1.57，CBR值為7.2)，說明砂越密實，其承載能力也越強(qiáng).可是在30次擊實條件下，試件干密度最大時，其CBR值并不是最大(含水率12%的試件，干密度為1.53，CBR值為3.94，CBR不是最大).分析其原因，在30次擊實條件下，如圖5所示，5個含水率試件的CBR值變化不大(3.54～4.09)，并且遠(yuǎn)小于50次擊實條件下的試件CBR值(4.5～7.2)，這說明在30次擊實條件下，試件不夠密實，此時試件承載力隨含水率的變化并沒有明顯規(guī)律，并且承載能力較弱.

圖5中，在98次擊實條件下，試件在含水率16%處的干密度達(dá)到峰值，其承載比的變化規(guī)律與干密度的變化一致，因此也說明對于該青砂，越密實其承載能力就越強(qiáng).對比50次和98次擊實，可以發(fā)現(xiàn)青砂的最大干密度不在同一個點處，說明擊實功對青砂的最大干密度和最佳含水率有影響.

3青砂含水率的變化規(guī)律

當(dāng)砂的含水率接近最佳含水率時，砂料有較好的承載力，進(jìn)行機(jī)械碾壓也可使砂料的壓實度更高，保證填砂路基的強(qiáng)度.實際施工過程中，一般會對攤鋪完后的砂料進(jìn)行過量灑水，然后等待一段時間，使砂料含水率到最佳含水率并具有一定強(qiáng)度后再進(jìn)行碾壓.因此，對青砂的含水率隨時間的變化規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)試驗，來確定施工中過量灑水后的青砂，進(jìn)行碾壓所需等待的時間.

由于青砂含水率隨時間的變化規(guī)律與施工環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速等眾多因素有關(guān)，在進(jìn)行模擬試驗時，重點考慮溫度對其含水率的影響.青砂初始含水率為25%，置于室外避光處，室外溫度為22.2～28.4 ℃，相對濕度81.4%～96.6%，風(fēng)速為1.7～3.3 m·s-1，每隔1 h取樣烘干測定含水率，青砂含水率隨時間變化，見圖6.

圖6　青砂含水率隨時間的變化

由上文可知，青砂從初始含水率25%下降到了最佳含水率16%大約需要12 h時間，然后在晚上會少量的吸水，在36 h后含水率下降到13%.結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，在施工現(xiàn)場，對灑水半天后的青砂進(jìn)行碾壓，發(fā)現(xiàn)不會產(chǎn)生機(jī)械陷輪的現(xiàn)象，并且在施工過程中不斷灑水，使青砂的含水率維持在最佳含水率附近，從而保證青砂碾壓后的壓實度.

4結(jié)論

1) 對于青砂來說，干密度隨含水率的變化曲線是一個雙峰曲線，存在2個干密度峰值，但第1個最大干密度對應(yīng)的含水率一般小于5%，而在填砂路基施工中一般是過量灑水，含水率肯定是大于5%的，所以選取第2個干密度峰值1.63 g·cm-3作為青砂的最大干密度，最佳含水率為16%.

2) 擊實功不同時，青砂的CBR峰值對應(yīng)的含水率也不相同，擊實功較小時，青砂CBR峰值出現(xiàn)于最佳含水率之前，擊實功較大時，青砂CBR峰值與最佳含水率相對應(yīng).

3) 不同的擊實功以及含水率下，青砂的CBR峰值都對應(yīng)于其最大干密度，說明青砂越密實，其承載力也越高.因此，施工需要保證青砂壓實度達(dá)到規(guī)范的要求.

4) 根據(jù)青砂含水率隨時間的變化規(guī)律，總結(jié)出了灑水后的青砂需要放置半天再進(jìn)行碾壓，可以避免出現(xiàn)機(jī)械陷輪的現(xiàn)象，碾壓過程中需要適量灑水，使青砂的含水率在最佳含水率附近，保證青砂路基的壓實度.

參 考 文 獻(xiàn)

[1]董明.砂土填筑高速公路路基新技術(shù)[J].甘肅科技,2006,22(1):54-55.

[2]中交第一公路工程局有限公司.公路路基施工技術(shù)規(guī)范：JTG F10-2006[S].北京：標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[3]董秀坤.毛烏素沙漠地區(qū)特殊路基處理技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué),2011.

[4]張務(wù)民.路基用吹填泥砂穩(wěn)定性能研究[J].中外公路,2011,31(3):1-5.

[5]張利杰.河砂在路基填筑中的應(yīng)用研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2012.

[6]交通部公路科學(xué)研究院.公路土工試驗規(guī)程：JTG E40-2007[S].北京：標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

Characterization of the Compaction and Bearing Strength of the Yangtze Sand

FANG Zheng1)LI Lei2)LIU Ziyao1)LUO Rong1)FENG Guangle3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(ChangJiangRoadandBridge,Wuhan430212,China)2)(EngineeringQualitySupervisionBureau,TransportationDepartmentofHubeiProvince,Wuhan430014,China)3)

Abstract：Indoor California Bearing Ratio (CBR) tests are performed on Yangtze sand, which is sampled from the raw materials used for the sand-filling subgrade construction in the Jiangling section of the Qianjiang-Jiangling Highway, Hubei Province, to investigate why the wheels of the construction trucks are prone to sink during the sand-filling subgrade construction period. CBR tests serve the purpose of investigating how the degree of compaction and the CBR value of Yangtze sand changed with the water content and compaction work. The test results indicate that 1) the water content at the maximum CBR value is slightly lower than the optimum water content when the compact work is relatively small; 2) the CBR value reaches to the maximum value at the maximum dry density regardless of the compact work. It can be concluded from laboratory and field tests that 1) the sink of construction truck wheels could be avoided if it is half a day after the water pouring to the subgrade when the rolling compaction on the sand-filling subgrade is conducted in the local overcast climate; 2) water should be constantly poured on the subgrade during the sand-filling subgrade construction period so as to maintain the water content of Yangtze sand around the optimum water content and to ensure the degree of compaction.

Key words：green sand; moisture content; compaction work; degree of compaction; California bearing ratio (CBR)

收稿日期：2016-04-19

中圖法分類號：U415.6

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.032

方正(1994- )：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域為道路工程

*湖北省交通運(yùn)輸廳交通運(yùn)輸建設(shè)研究項目資助(2014-721-2-6)