寒冷地區(qū)多孔玄武巖碎石土路基級配研究

樊旭英 張 星 劉玉騫 倪中田 孟曉風(fēng) 葉倩華

(1.河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000;2.河北省瀝青路面工程固廢綜合利用技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 075000)

0 引 言

張家口地區(qū)地勢西北高，東南低，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長，嚴(yán)寒少雪，夏季炎熱，降水集中，地面蒸發(fā)強烈，年均降水量476.2 mm，年均蒸發(fā)量1707.2 mm.并且擁有6個月的低溫期，全年平均氣溫為4.9℃，最低氣溫可達(dá)-39.9℃，是典型的季節(jié)性凍土區(qū)[1-4].綜上所述該地區(qū)土體一直因季節(jié)變化而受到干濕循環(huán)和凍融循環(huán)的影響.同時張家口擁有豐富的礦場資源，其中多孔玄武巖[5]分布最為廣泛.研究多孔玄武巖碎石土作為路基填料的路用性能逐漸成為該地區(qū)高速公路發(fā)展的一大主題.

CBR值是一種能表征材料抵抗局部荷載壓入變形能力并且可以評定土基或其它路面材料承載能力的強度指標(biāo)[6].本文結(jié)合張家口市特有地理環(huán)境和氣候條件，通過對多孔玄武巖碎石土這一粗顆粒土路基填料進(jìn)行CBR室內(nèi)試驗，得出多孔玄武巖碎石土的力學(xué)性質(zhì)，分析其在寒冷地區(qū)作為高速公路路基填料的適宜性和耐久性，總結(jié)最佳級配，使多孔玄武巖碎石土充分發(fā)揮作用，為今后寒冷地區(qū)的高速公路路基填料的應(yīng)用和推廣提供強有力的借鑒.

1 試驗原材料

試驗土樣為取自張尚高速公路沿線的多孔玄武巖碎石土路基填料，其土體堅硬，壓實性好，填筑密度大，透水性強，沉陷變形小，作為一種填方材料廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中.

1.1 擬定級配

工程上規(guī)定當(dāng)?shù)[類土或砂類土同時滿足不均勻系數(shù)Cu≥5和曲率系數(shù)Cc=1～3兩個條件時，則為級配良好的土.級配良好的粗粒土特點在于較粗顆粒間的空隙被較細(xì)的顆粒所充填，這一連鎖充填效應(yīng)，使土的密實度較好[8].在此理論基礎(chǔ)上，以前人研究粗粒土級配為參考，并結(jié)合張家口多孔玄武巖碎石土各粒徑區(qū)間百分含量，設(shè)置試驗級配.本試驗以Cu和Cc為約束點，在Cc一定時(為2)，設(shè)定Cu分別是：0-10、10-20、20-40，擬定6個級配，見表1.通過各試樣顆粒粒徑的百分比，畫出試樣的級配曲線，見圖1.

表1 擬定級配

圖1 擬定級配曲線

1.2 擊實試驗

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》[7](JTG E40-2020)，對不同級配填料進(jìn)行重型11-1擊實試驗，制備各級配下不同含水率的試樣，測得最大干密度和最佳含水率見表2.根據(jù)所得參數(shù)計算各試樣的土水配比，進(jìn)行擊實試驗，得到常規(guī)狀態(tài)下、干濕循環(huán)和凍融循環(huán)條件下的試驗所需試樣.

表2 擊實試驗結(jié)果

2 級配選擇

本試驗設(shè)定3種Cu的區(qū)間，共有6個試樣.通過路面材料強度綜合測定儀(圖2)對6個常規(guī)狀態(tài)下的試樣進(jìn)行室內(nèi)CBR實驗，得到6個CBR值和P-L曲線，見圖3.分析試驗結(jié)果，選取較良級配，為下一步試驗做好準(zhǔn)備.

圖2 路面材料強度綜合測定儀

圖3 常規(guī)狀態(tài)下試樣的P-L曲線

表3 試樣顆粒含量分析

圖4 常規(guī)狀態(tài)下CBR試樣

根據(jù)常規(guī)狀態(tài)下試樣的P-L曲線，如圖3所示，在常規(guī)狀態(tài)下各試樣的貫入量隨著單位壓力的增加而增加，在相同的貫入量下，CBR值隨著Cu增加而增大.依照前人研究[6]，以P5(粒徑5mm以上顆粒占試樣的百分含量)為研究點，通過各試驗分析P5對土樣力學(xué)性質(zhì)的影響，結(jié)果表明：當(dāng)P5≤30%時，粗粒土的壓實特性決定于細(xì)粒料；當(dāng)P5>30%時，粗顆粒開始起骨架作用，粗細(xì)料共同影響粗粒土壓實特性.分析試樣1、試樣2各粒徑含量，見表3，試樣1和試樣2的P5分別為20%、30%，所以試樣1和試樣2的壓實特性取決于細(xì)顆粒.觀察各級配試樣在常規(guī)狀態(tài)下進(jìn)行貫入試驗所得的試驗結(jié)果，如圖4，各試樣經(jīng)過貫入試驗后，試樣表面有明顯的凹陷.試樣1、試樣2表面破壞嚴(yán)重，其試樣成型主要依靠細(xì)顆粒，試樣內(nèi)部顆粒骨架不穩(wěn)定，易受外力的影響而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致路基不穩(wěn)定.試樣3、試樣4、試樣5、試樣6含P5占試樣30%以上，符合前人研究粗顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論，并且結(jié)合圖8，四個試樣表面無明顯破壞，具有較好的完整性.綜上所述，試樣1和試樣2不具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，單位壓力增加，表面破壞嚴(yán)重，試樣完整性被破壞，對于試驗來說，其試樣的Cu不具備最佳級配的備選條件應(yīng)剔除.試樣3、試樣4、試樣5和試樣6具有較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和完整性，作為備選級配試樣.本試驗下階段通過干濕循環(huán)和凍融循環(huán)模擬實際氣候環(huán)境，進(jìn)一步驗證備選級配試樣的穩(wěn)定性、完整性、耐久性，發(fā)現(xiàn)和總結(jié)級配與不均勻系數(shù)之間的規(guī)律，為找出最佳級配提供科學(xué)依據(jù).

3 最佳級配選擇

通過對常規(guī)狀態(tài)下試驗結(jié)果分析，選試樣3、試樣4、試樣5、試樣6的Cu所對應(yīng)的級配為備選級配.下階段將試樣于干濕循環(huán)和凍融循環(huán)條件下進(jìn)行室內(nèi)CBR試驗，以期得到最佳級配.

3.1 干濕循環(huán)試驗

在干濕循環(huán)過程中毛細(xì)作用使試樣充分飽和，該方法可模擬干濕循環(huán)中的吸濕過程.通過檢測試樣浸水過程中質(zhì)量的變化，來確定試樣的飽和時間，檢測試樣放入烘箱后質(zhì)量的變化，來確定脫水的時間，見圖7、圖8.根據(jù)試驗結(jié)果，設(shè)置浸水時間為1d，烘干時間為2d.參照《土工試驗規(guī)范》設(shè)置循環(huán)次數(shù)為0、1、2、3、5次，試樣最后一次干濕循環(huán)后進(jìn)行浸水4 d處理.

圖5 浸水時間檢測圖 圖6 烘干時間檢測圖

(1)0次干濕循環(huán)，擊實初始含水率為Wopt→浸水4d，至此為0次干濕循環(huán)，使用路強儀測定試樣的CBR值.

(2)1次干濕循環(huán)，擊實初始含水率為Wopt→吸濕至飽和狀態(tài)→干燥至脫水狀態(tài)→浸水4d，1次干濕循環(huán)完成，使用路強儀測定試樣的CBR值.

(3)2、3、5次干濕循環(huán)：循環(huán)重復(fù)1次干濕循環(huán)過程，直至試驗所需的循環(huán)次數(shù)，使用路強儀測定試樣的CBR值.

3.2 凍融循環(huán)試驗

將擊實試樣編號并放置于凍融箱中，通過設(shè)置凍融箱的溫度來控制試驗條件，基于張家口氣候條件設(shè)置凍結(jié)溫度為-10℃，融化溫度為15℃，在做貫入試驗之前對進(jìn)行凍融0次、1次、3次、7次的試樣進(jìn)行浸泡4d處理.

(1)1次凍融循環(huán)：常規(guī)狀態(tài)下為最優(yōu)含水率的試樣→低溫-10℃條件下24h→常溫15℃條件下48h→1次凍融循環(huán)完成，浸泡4d后，測得試樣的CBR值.

(2)3次凍融循環(huán):0次凍融循環(huán)狀態(tài)→低溫-10℃條件下24h→常溫15℃條件下48h→1次凍融循環(huán)完成，直至循環(huán)重復(fù)3次凍融循環(huán)過程，浸水4d，測得試樣的CBR值.

(3)7次凍融循環(huán):0次凍融循環(huán)狀態(tài)→低溫-10℃條件下24h→常溫15℃條件下48h→1次凍融循環(huán)完成，直至循環(huán)重復(fù)7次凍融循環(huán)過程，浸水4d，測得試樣的CBR值.

3.3 試驗結(jié)果分析

備選級配試樣經(jīng)過干濕循環(huán)和凍融循環(huán)條件下的貫入試驗，得到圖8、圖9.從圖8、圖9可以看出：在干濕循環(huán)和凍融循環(huán)條件下，各試樣的CBR值和Cu之間的變化規(guī)律與常規(guī)狀態(tài)下呈現(xiàn)的規(guī)律基本一致；各試樣CBR值隨著Cu增加而增加，隨著循環(huán)次數(shù)的增加而慢慢趨于穩(wěn)定，試樣經(jīng)過干濕循環(huán)和凍融循環(huán)后，CBR值均有所衰減，且干濕循環(huán)比凍融循環(huán)的CBR值衰減幅度大.如圖7，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)后，試樣破壞形態(tài)要比凍融循環(huán)嚴(yán)重，凍融循環(huán)狀態(tài)下試樣基本保持原狀，干濕循環(huán)下試樣質(zhì)量有明顯的損失，但各試樣CBR值均滿足路基強度規(guī)范.結(jié)合圖7和表3分析可得出，試樣在水的侵蝕下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，流失更多細(xì)小顆粒，各顆粒的百分含量發(fā)生了變化，增大了孔隙率，形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu).試樣3、試樣4的P5在50%-60%之間，經(jīng)過數(shù)次干濕循環(huán)后，結(jié)構(gòu)破壞比試樣5、試樣6嚴(yán)重.隨著P5的增大，試樣粘聚力減小，咬合力增大，顆粒之間的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，不再發(fā)生劇烈變化，形成更穩(wěn)定的路基結(jié)構(gòu)，所以試樣5、試樣6更加具有穩(wěn)定性和完整性.干濕循環(huán)對各級配試樣破壞性很大，在實際工程中，壓實土體會經(jīng)常經(jīng)歷多雨天氣，其孔隙結(jié)構(gòu)和多孔玄武巖碎石土的性質(zhì)對水分在土體中的滲透路徑、土體的穩(wěn)定性和完整性有重要影響，因此要加強干濕循環(huán)對公路路基破壞的防范要求.

綜上所述，結(jié)合各試樣的Cu和P5的大小，可以確定本文的最佳級配為試樣5、試樣6.在張家口地區(qū)，多孔玄武巖碎石土路基填料級配滿足Cu為28.88-35.28且P5在60%-70%兩個條件時，可確定此級配路基填料具有穩(wěn)定性和耐久性，為最佳級配.

圖7 干濕循環(huán)試樣圖

圖8 干濕循環(huán)下試樣的CBR圖 圖9 凍融循環(huán)下試樣的CBR圖

4 結(jié) 論

通過室內(nèi)試驗，研究寒冷地區(qū)多孔玄武巖碎石土在不同條件下，擬定級配對其路用性能的影響，得到主要結(jié)論如下：

(1)各級配試樣在常規(guī)狀態(tài)下、干濕循環(huán)和凍融循環(huán)狀態(tài)下測量的CBR值均隨著不均勻系數(shù)Cu的增加而增加；在循環(huán)次數(shù)不斷增加的過程中，CBR值逐漸趨于穩(wěn)定；并且各階段CBR值均滿足高速公路路基填料強度要求.初步判斷多孔玄武巖碎石土作為寒冷地區(qū)路基填料滿足適宜性和耐久性.

(2)分析各試樣的干濕循環(huán)CBR圖和凍融循環(huán)CBR圖以及各試驗后的試樣狀態(tài)，總體上干濕循環(huán)下的CBR值衰減速度要大于凍融循環(huán)下的衰減速度，且經(jīng)過干濕循環(huán)后的試樣表面比經(jīng)過凍融循環(huán)破壞更為嚴(yán)重.

(3)在張家口寒冷地區(qū)，多孔玄武巖碎石土路基填料級配滿足不均勻系數(shù)Cu為28.88-35.28和P5在60%-70%之間兩個條件時，可確定路基填料級配具有穩(wěn)定性和耐久性，為最佳級配.