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(shì)西北高，東南低，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)，嚴(yán)寒少雪，夏季炎熱，降水集中，地面蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均降水量476.2 mm，年均蒸發(fā)量1707.2 mm.并且擁有6個(gè)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(shí)張家口擁有豐富的礦場(chǎng)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(píng)定土基或其它路面材料承載能力的強(qiáng)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(guò)對(duì)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(yàn)，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(jí)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(qiáng)有力的借鑒.

1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)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(jiān)硬，壓實(shí)性好，填筑密度大，透水性強(qiáng)，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(jí)配

工程上規(guī)定當(dāng)?shù)[類土或砂類土同時(shí)滿足不均勻系數(shù)Cu≥5和曲率系數(shù)Cc=1～3兩個(gè)條件時(shí)，則為級(jí)配良好的土.級(jí)配良好的粗粒土特點(diǎn)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(shí)度較好[8].在此理論基礎(chǔ)上，以前人研究粗粒土級(jí)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(yàn)級(jí)配.本試驗(yàn)以Cu和Cc為約束點(diǎn)，在Cc一定時(shí)(為2)，設(shè)定Cu分別是：0-10、10-20、20-40，擬定6個(gè)級(jí)配，見(jiàn)表1.通過(guò)各試樣顆粒粒徑的百分比，畫出試樣的級(jí)配曲線，見(jiàn)圖1.

表1 擬定級(jí)配

圖1 擬定級(jí)配曲線

1.2 擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[7](JTG E40-2020)，對(duì)不同級(jí)配填料進(jìn)行重型11-1擊實(shí)試驗(yàn)，制備各級(jí)配下不同含水率的試樣，測(cè)得最大干密度和最佳含水率見(jiàn)表2.根據(jù)所得參數(shù)計(jì)算各試樣的土水配比，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，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(yàn)所需試樣.

表2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2 級(jí)配選擇

本試驗(yàn)設(shè)定3種Cu的區(qū)間，共有6個(gè)試樣.通過(guò)路面材料強(qiáng)度綜合測(cè)定儀(圖2)對(duì)6個(gè)常規(guī)狀態(tài)下的試樣進(jìn)行室內(nèi)CBR實(shí)驗(yàn)，得到6個(gè)CBR值和P-L曲線，見(jiàn)圖3.分析試驗(yàn)結(jié)果，選取較良級(jí)配，為下一步試驗(yàn)做好準(zhǔn)備.

圖2 路面材料強(qiáng)度綜合測(cè)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(diǎn)，通過(guò)各試驗(yàn)分析P5對(duì)土樣力學(xué)性質(zhì)的影響，結(jié)果表明：當(dāng)P5≤30%時(shí)，粗粒土的壓實(shí)特性決定于細(xì)粒料；當(dāng)P5>30%時(shí)，粗顆粒開(kāi)始起骨架作用，粗細(xì)料共同影響粗粒土壓實(shí)特性.分析試樣1、試樣2各粒徑含量，見(jiàn)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(shí)特性取決于細(xì)顆粒.觀察各級(jí)配試樣在常規(guī)狀態(tài)下進(jìn)行貫入試驗(yàn)所得的試驗(yàn)結(jié)果，如圖4，各試樣經(jīng)過(guò)貫入試驗(yàn)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(gè)試樣表面無(wú)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(duì)于試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，其試樣的Cu不具備最佳級(jí)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(jí)配試樣.本試驗(yàn)下階段通過(guò)干濕循環(huán)和凍融循環(huán)模擬實(shí)際氣候環(huán)境，進(jìn)一步驗(yàn)證備選級(jí)配試樣的穩(wěn)定性、完整性、耐久性，發(fā)現(xiàn)和總結(jié)級(jí)配與不均勻系數(shù)之間的規(guī)律，為找出最佳級(jí)配提供科學(xué)依據(jù).

3 最佳級(jí)配選擇

通過(guò)對(duì)常規(guī)狀態(tài)下試驗(yàn)結(jié)果分析，選試樣3、試樣4、試樣5、試樣6的Cu所對(duì)應(yīng)的級(jí)配為備選級(jí)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(yàn)，以期得到最佳級(jí)配.

3.1 干濕循環(huán)試驗(yàn)

在干濕循環(huán)過(guò)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(guò)程.通過(guò)檢測(cè)試樣浸水過(guò)程中質(zhì)量的變化，來(lái)確定試樣的飽和時(shí)間，檢測(cè)試樣放入烘箱后質(zhì)量的變化，來(lái)確定脫水的時(shí)間，見(jiàn)圖7、圖8.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置浸水時(shí)間為1d，烘干時(shí)間為2d.參照《土工試驗(yàn)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(shí)間檢測(cè)圖 圖6 烘干時(shí)間檢測(cè)圖

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

(2)1次干濕循環(huán)，擊實(shí)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(qiáng)儀測(cè)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(guò)程，直至試驗(yàn)所需的循環(huán)次數(shù)，使用路強(qiáng)儀測(cè)定試樣的CBR值.

3.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

將擊實(shí)試樣編號(hào)并放置于凍融箱中，通過(guò)設(shè)置凍融箱的溫度來(lái)控制試驗(yàn)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(yàn)之前對(duì)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(cè)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(guò)程，浸水4d，測(cè)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(guò)程，浸水4d，測(cè)得試樣的CBR值.

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

備選級(jí)配試樣經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)和凍融循環(huán)條件下的貫入試驗(yàn)，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(guò)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(qiáng)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(guò)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(duì)各級(jí)配試樣破壞性很大，在實(shí)際工程中，壓實(shí)土體會(huì)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(duì)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(qiáng)干濕循環(huán)對(duì)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(jí)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(jí)配滿足Cu為28.88-35.28且P5在60%-70%兩個(gè)條件時(shí)，可確定此級(jí)配路基填料具有穩(wěn)定性和耐久性，為最佳級(jí)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(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究寒冷地區(qū)多孔玄武巖碎石土在不同條件下，擬定級(jí)配對(duì)其路用性能的影響，得到主要結(jié)論如下：

(1)各級(jí)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(cè)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(guò)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(qiáng)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(yàn)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(guò)干濕循環(huán)后的試樣表面比經(jīng)過(guò)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(jí)配滿足不均勻系數(shù)Cu為28.88-35.28和P5在60%-70%之間兩個(gè)條件時(shí)，可確定路基填料級(jí)配具有穩(wěn)定性和耐久性，為最佳級(jí)配.