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    軟巖質(zhì)粗顆粒用作公路路基填料的級配及力學(xué)性能探討

    2024-06-14 05:46:52劉鵬飛
    交通科技與管理 2024年8期
    關(guān)鍵詞:力學(xué)特性

    劉鵬飛

    摘要 為有效探究軟巖質(zhì)粗顆粒路基填料級配及力學(xué)特性,文章以某山區(qū)公路路基填筑施工為背景,利用四分法,并結(jié)合顆粒填充基本原理,對軟巖填料實施分級及級配組合,通過室內(nèi)模型動力加載試驗,系統(tǒng)分析了各種級配條件下軟巖填料力學(xué)性能。結(jié)果顯示:(1)軟巖填料力學(xué)性能與顆粒級配密切相關(guān);(2)軟巖填料承載性能是由其內(nèi)部粗顆粒決定的,尤其是對于粗礫組顆粒(20~60 mm)組成的骨架結(jié)構(gòu)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用;(3)軟巖填料回彈模量最大值出現(xiàn)在最佳含水率及粒徑大于P5顆粒含量為60%~70%的條件下,該狀態(tài)下填料級配最優(yōu),容易組成骨架密實結(jié)構(gòu),具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

    關(guān)鍵詞 公路項目;軟巖粗顆粒路基填料;級配類型;力學(xué)特性

    中圖分類號 U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949(2024)08-0110-03

    0 引言

    軟巖粗顆粒路基填料力學(xué)性能與其內(nèi)部顆粒級配組成及強(qiáng)度密切相關(guān),尤其以級配影響最為突出[1-2]。根據(jù)以往工程實踐,大部分粗顆粒填料路基出現(xiàn)沉降過大或失穩(wěn)坍塌的根本原因,均是路基填料級配不合理。為此,該文結(jié)合某山區(qū)公路路基填筑案例,通過相關(guān)試驗,系統(tǒng)分析了各種級配條件下軟巖粗粒土力學(xué)性能,以期能有效提升軟巖粗粒土路基填筑質(zhì)量,保證公路運(yùn)營安全[3]。

    1 工程概況

    某山區(qū)公路項目,沿線地理環(huán)境復(fù)雜多變,局部路段位于丘陵地帶,路基填筑高度較大,由于優(yōu)質(zhì)路基填筑材料較為匱乏,難以滿足該路段路基填筑實際需要,因此,擬采用現(xiàn)場挖方路段產(chǎn)生的天然軟巖代替局部區(qū)域灰土填料進(jìn)行填筑施工,以有效解決填料短缺問題。經(jīng)現(xiàn)場提取土樣檢測發(fā)現(xiàn),軟巖材料為土石混合狀態(tài),粗顆粒含量較大,質(zhì)地較軟,但經(jīng)壓實處理后其承載性能完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求,是一種價格低廉的優(yōu)質(zhì)路基填料[4]。

    2 軟巖質(zhì)粗粒土顆粒組成及試驗方案

    2.1 原材料取樣

    現(xiàn)場提取土樣為土石混合料,其成分以花崗巖為主,呈輕微風(fēng)化狀態(tài)[5]。通過試驗檢測,其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。篩分結(jié)果顯示:提取土樣中粒徑大于60 mm的顆粒比例介于15%~18%范圍內(nèi),天然含水率15.1%。通過標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗檢測,土樣最大干密度2.118 g/cm3,最佳含水率7.5%。

    2.2 試驗?zāi)康募绊椖?/p>

    在工程實踐中,天然軟巖粗粒土加工階段,由于其粒度變化較大,導(dǎo)致其工程性能出現(xiàn)差異。該項目針對軟巖質(zhì)粗粒土的級配特征、力學(xué)特性開展研究,通過對自然條件下軟巖質(zhì)粗粒土的級配、中粗粒含量及其力學(xué)性能的分析,為類似工程的設(shè)計提供借鑒[6]。

    該次試驗細(xì)目分析的內(nèi)容包括瀝青混合料的級配、力學(xué)性質(zhì)測試。采用級配實驗對軟巖石粗顆粒填料的粗顆粒含量、粒徑分布進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上,采用室內(nèi)實驗、室內(nèi)模擬相結(jié)合的方法,開展軟巖石細(xì)顆粒級配、含水量等因素對動態(tài)彈性模量的影響規(guī)律探究,并討論其與路基填料之間的相關(guān)性[7]。

    2.3 試驗方案

    (1)級配試驗:根據(jù)現(xiàn)行《公路土工試驗規(guī)程》相關(guān)規(guī)定,采用四分法提取試樣,實施篩分及粒徑等級劃分,并通過相關(guān)計算準(zhǔn)確求出三種顆粒等級的質(zhì)量比[8]。結(jié)合顆粒填充基本原理,并依據(jù)質(zhì)量比進(jìn)行配制,從而獲得5種級配不同的混合料,分析其級配特征,具體如下:①A類土:1/3中料+1粗料;②B類土:2/3中料+1粗料;③C類土:3/3中料+1粗料;④D類土:1/2細(xì)料+3/3中料+1粗料;⑤原狀土:2/2細(xì)料+3/3中料+1粗料。

    (2)力學(xué)特性試驗:采用粗顆粒填料進(jìn)行路基填筑時,填料級配類型、含水率等相關(guān)指標(biāo)均會在一定程度上影響結(jié)構(gòu)承載性能[9]。所以,按照規(guī)范要求制備不同級配及含水率條件下的路基填料,實施室內(nèi)模型動力加載試驗,從而有效獲得材料的力學(xué)特性。

    2.4 試件制備及試驗設(shè)備

    為獲得各種級配的路基材料,按照細(xì)、中、粗三種等級對土樣實施篩選后,根據(jù)各種級配材料配比,準(zhǔn)確稱量出相應(yīng)粒徑材料用量,充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅罁?jù)試驗確定的含水率加水拌和,試樣配制完成后,及時放置于模具內(nèi)充分壓實,并施加荷載實施檢測[10]。

    試驗?zāi)>哌x用特定規(guī)格、硬度較大的組拼式木模具,檢測時采用便攜式彈性模量檢測儀實施加載,采用該儀器能夠隨時獲取加載狀態(tài)下填料回填模量。

    3 試驗結(jié)果與分析

    3.1 不同摻配比填料級配分析

    通過篩分計算得到試樣初始級配組成,其質(zhì)量比細(xì)∶中∶粗=1∶3.84∶1.87,中、粗顆粒比例較大,約占總量的75%,符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中粗顆粒含量大于50%的基本要求。結(jié)合篩分結(jié)果可知,填料最大粒徑大部分位于15 cm以內(nèi),符合最大粒徑限制標(biāo)準(zhǔn)要求。由此可知,所取試樣屬于代表性軟巖粗粒土填料。提取適量軟巖粗粒土試樣,根據(jù)逐級復(fù)原摻配標(biāo)準(zhǔn)分別制備A、B、C、D及原狀土混合料,并對其級配實施分析,得到各種配比條件下混合料級配曲線、不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)CC,如圖1所示。

    由圖1可知:針對粒徑為0~60 mm的粗顆粒軟巖填料,以0~2 mm、2~20 mm及20~60 mm三個等級進(jìn)行分級后,通過逐級復(fù)原方式可有效恢復(fù)土體級配,能夠獲得各種標(biāo)準(zhǔn)型路基填料。級配優(yōu)良的填料,必須符合Cu>5,CC=1~3的標(biāo)準(zhǔn)要求,并且顆粒級配曲線應(yīng)平順。據(jù)此能夠判定,B、C類填料CC<1,為級配不良填料;A類填料Cu、CC盡管符合優(yōu)良填料標(biāo)準(zhǔn)要求,但優(yōu)良率較低;而D類填料Cu、CC完全滿足級配優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn),并且級配曲線較為平順,所以此級配標(biāo)準(zhǔn)為優(yōu)質(zhì)填料,隨填料摻量的逐漸增大,混合料級配越來越好,優(yōu)良程度顯著增大。

    3.2 不同級配土的回彈模量試驗結(jié)果分析

    (1)中、粗顆粒土彈性模量分析。選取軟巖粗顆粒中的中、粗粒料實施加載試驗,從而獲得中、粗粒料對應(yīng)的回彈模量,分析級配對回彈模量的影響。分別向中、粗試樣中摻加8%左右的水實施拌和,以分層厚度20 cm為標(biāo)準(zhǔn)實施分層壓實,依次測取中、粗試樣自下而上1~4層的壓實土彈性模量,如圖2所示。

    由圖2可知:粗顆粒填料彈性模量顯著高于中顆粒模量。按照現(xiàn)行《公路土工試驗規(guī)程》相關(guān)規(guī)定,粗顆粒屬于粗礫組。根據(jù)軟巖粗粒土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度表現(xiàn)特征,粗粒料嵌擠強(qiáng)烈,具有優(yōu)良的骨架支撐作用。

    (2)摻配土彈性模量分析。選取A、B、C、D及原狀土混合料實施加載試驗,分層壓實后模型整體厚80 cm。測得各土樣含水率為8%,5種土樣回彈模量Ed,如圖3所示。

    從圖3可知:

    (1)當(dāng)路基填料按照級配等級進(jìn)行逐級填充時,土體彈性模量不斷增大,結(jié)合篩分試驗對5類土中粒徑大于P5的顆粒含量統(tǒng)計結(jié)果可知,粒徑大于P5的顆粒含量由83.96%下降至62.12%。由此可知,A、B、C三類土中粒徑大于P5的顆粒含量均位于70%以上,此類土體壓實狀態(tài)下為骨架-空隙型結(jié)構(gòu),細(xì)粒料含量相對較少,無法有效充填骨架間隙,所以壓實度相對較差。

    (2)D類土與原狀土中粒徑大于P5的顆粒含量為70%左右,細(xì)粒料含量較大,能夠完全充填骨架間隙,形成骨架-密實結(jié)構(gòu),所以此級配狀態(tài)下土體力學(xué)性能較好,能夠表現(xiàn)出較強(qiáng)的承載性能,且彈性模量較大。由此可知,軟巖填料承載性能是由其內(nèi)部粗顆粒決定的,尤其對于粗礫組顆粒(20~60 mm)組成的骨架結(jié)構(gòu)發(fā)揮至關(guān)重要的作用,同時,細(xì)粒料有效填充于骨架間隙,對保證填料承載性能也具有一定的增強(qiáng)作用。

    3.3 不同含水率土的動態(tài)回彈模量試驗結(jié)果分析

    選取原狀土實施加載試驗,分層壓實后土體模型整體厚60 cm,測得含水率主要包括三個梯度,依次為2.355%、8.361%、13.945%,處于干燥、中濕、過濕狀態(tài)。而中濕狀態(tài)含水率接近土體最佳含水率7.6%。各種含水率條件下土體彈性模量,如圖4所示。

    由圖4可知:

    (1)三種含水率梯度條件下,路基填料彈性模量依次為22.5 MPa、30.0 MPa和24.8 MPa。

    (2)結(jié)合現(xiàn)有粗粒料試驗檢測結(jié)果可知,當(dāng)含水率增大時,填料干密度出現(xiàn)雙峰值變化形態(tài)。其中第一峰值出現(xiàn)在干燥狀態(tài)下,而當(dāng)含水率逐漸增大時,填料干密度持續(xù)下降,待降至一定值后又呈現(xiàn)上升趨勢,達(dá)到最佳含水率狀態(tài)下出現(xiàn)第二次峰值。

    (3)粗顆粒土干密度具有雙峰值變化特性,且干密度在一定程度上決定填料壓實度,所以工程實踐中,要嚴(yán)格控制路基填料含水率,確保其處于最佳狀態(tài),能有效提升路基壓實度,保證路基填筑質(zhì)量。

    通過上述分析可知,公路工程路基填筑施工時,為有效提升路基壓實度和力學(xué)特性,最大限度保證路基施工質(zhì)量,應(yīng)嚴(yán)格控制填料含水率,確保處于最佳含水率水平。同時,還要合理確定填料級配組成,使其處于優(yōu)良水平,從而全面提升路基填筑質(zhì)量。針對軟巖填料,應(yīng)將其粒徑大于P5顆粒含量控制在60%~70%范圍內(nèi),使其內(nèi)部細(xì)粒料充分填充骨架間隙,有效提升填料力學(xué)強(qiáng)度。

    4 結(jié)語

    綜上所述,該文結(jié)合某山區(qū)公路路基填筑施工實踐,針對軟巖質(zhì)粗顆粒用作公路路基填料的級配及力學(xué)性能展開綜合探究,通過相關(guān)試驗,系統(tǒng)分析了各種級配條件下軟巖粗粒土力學(xué)性能,主要結(jié)論如下:

    (1)軟巖粗粒土是一種價格低廉的優(yōu)質(zhì)土石混填料,可組成骨架-密實結(jié)構(gòu)。軟巖填料承載性能是由其內(nèi)部粗顆粒決定的,尤其對于粗礫組顆粒(20~60 mm)組成的骨架結(jié)構(gòu)發(fā)揮至關(guān)重要的作用,同時,細(xì)粒料有效填充于骨架間隙,對保證填料承載性能也具有一定的增強(qiáng)作用。

    (2)對于軟巖粗顆粒填料,當(dāng)其含水率處于最佳含水率及大于P5顆粒含量處于60%~70%范圍內(nèi)力學(xué)特性最優(yōu)。工程實踐中,采用此類填料填筑施工時,需嚴(yán)格控制填料含水率,使其保持在最佳含水率狀態(tài),并控制好大于P5顆粒含量。文中D類土與原狀土中粒徑大于P5的顆粒含量為70%左右,土體力學(xué)性能較好,能夠用于路基填筑施工中。

    (3)天然狀態(tài)下,軟巖粗粒土內(nèi)部含有巨粒土(>60 mm)和細(xì)粒土(<2 mm),會在一定程度上影響填料壓實度,從而顯著降低土體承載性能。所以,工程實踐中,對于含有粗、細(xì)粒土的填料,如何科學(xué)確定其含量限值及其對填料力學(xué)性能的影響,有待進(jìn)行更加深入的探究。

    參考文獻(xiàn)

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