陳宇亮，李雪連，周志剛

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)a.交通運(yùn)輸工程學(xué)院；b.道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)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(zhǎng)距運(yùn)土，會(huì)造成建設(shè)成本大幅增加，中國(guó)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(hù)生態(tài)、節(jié)約耕地，減少高速公路修筑對(duì)沿線(xiàn)環(huán)境的影響，同時(shí)砂具有水穩(wěn)性好，施工時(shí)受不利季節(jié)和水的影響小等特點(diǎn)，近年來(lái)在中國(guó)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(xiàn)或部分路段采用填砂路基。

對(duì)于填砂路基的研究，目前主要集中在填砂路基的設(shè)計(jì)、施工與質(zhì)量控制［1－5］、填砂路基的防護(hù)［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(duì)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(jìn)，需要對(duì)填砂路基有更為深入的研究，當(dāng)前，還沒(méi)有對(duì)填砂路基的力學(xué)特性尤其是動(dòng)態(tài)模量方面進(jìn)行系統(tǒng)研究。此外，科研和工程人員認(rèn)識(shí)到含泥量對(duì)填砂路基的重要影響，但沒(méi)有開(kāi)展深入細(xì)致的研究，得出的結(jié)論較為籠統(tǒng)，無(wú)法具體指導(dǎo)工程實(shí)踐。

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)便攜式落錘式彎沉儀（PFWD）試驗(yàn)、壓實(shí)度試驗(yàn)和室內(nèi)PFWD試驗(yàn)，分析含泥量對(duì)填砂路基動(dòng)彈性彈模量的影響。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，建立動(dòng)態(tài)模量隨壓實(shí)度、稠度和含泥量變化的回歸模型。并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，提出填砂路基含泥量的控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 現(xiàn)場(chǎng)PFWD測(cè)試

1.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)位布置

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試地點(diǎn)為江西省德興至南昌（簡(jiǎn)稱(chēng)德昌高速公路）的填砂路基，在該高速公路選擇了3個(gè)路段進(jìn)行試驗(yàn)，第1個(gè)路段（編號(hào)為DC－1－1）和第2個(gè)路段（編號(hào)為DC－1－2）在同一標(biāo)段，砂源相同，施工機(jī)械設(shè)備也相同。第3個(gè)路段（編號(hào)為DC－2）與前兩個(gè)路段砂源不同，而且在另一標(biāo)段。每個(gè)路段在行車(chē)道上按10m左右間隔布點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)位的布置示意圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)點(diǎn)位布置

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容與流程

首先選擇一個(gè)測(cè)試點(diǎn)位，進(jìn)行PFWD動(dòng)態(tài)模量檢測(cè)［10－11］，檢測(cè)完成后，在原位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)，然后在該點(diǎn)位取樣，測(cè)試路段全部完成后，把所有點(diǎn)位的土樣標(biāo)簽編號(hào)，送到實(shí)驗(yàn)室采用烘干法和篩分法測(cè)定每一點(diǎn)位所取土樣的含水率和含泥量。試驗(yàn)內(nèi)容與順序按圖2流程操作。

1.3 主要物性指標(biāo)

各個(gè)檢測(cè)路段填砂路基的主要物性指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖2 試驗(yàn)內(nèi)容與流程

表1 砂的主要物性指標(biāo)

由表1可知，3個(gè)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(gè)路段的砂均為級(jí)配不良的砂。顆粒分析試驗(yàn)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(gè)路段的填砂路基為細(xì)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(yàn)結(jié)果與分析

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

圖3 動(dòng)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(gè)點(diǎn)位的含泥量為6.6%外，該檢測(cè)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(gè)路段相比，含泥量相對(duì)較大。3個(gè)路段的動(dòng)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(duì)動(dòng)態(tài)模量與含泥量進(jìn)行回歸，回歸關(guān)系如表2所示。

表2 動(dòng)態(tài)模量與含泥量回歸關(guān)系

由表2可知，3個(gè)路段的填砂路基動(dòng)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(dòng)態(tài)模量減小，反之，含泥量越小，動(dòng)態(tài)模量越小。需要指出的時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)的含泥量絕大部分在3.0%～5.5%之間，變化不大。當(dāng)含泥量不在這個(gè)范圍時(shí)，是否還具有這個(gè)規(guī)律，有待于進(jìn)一步的研究。

2）動(dòng)態(tài)模量與壓實(shí)度、稠度和含泥量關(guān)系 填砂路基動(dòng)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(shí)狀態(tài)對(duì)填砂路基的動(dòng)態(tài)模量具有決定性的影響，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，壓實(shí)度越大，填砂路基的動(dòng)態(tài)模量也越大；另一方面，填砂路基內(nèi)部?jī)?chǔ)水能力弱，路基成型后含水率一般較低，尤其是路基表層，對(duì)其動(dòng)態(tài)模量有較大影響。為此，結(jié)合含泥量對(duì)動(dòng)態(tài)模量的影響分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，采用多元冪函數(shù)建立了動(dòng)態(tài)模量與壓實(shí)度、稠度和含泥量的回歸關(guān)系，回歸公式見(jiàn)式（1），回歸系數(shù)如表3所示。

式中：EP為動(dòng)彈性模量，MPa；K為壓實(shí)度；wc為稠度；MC為含泥量，%。

表3 動(dòng)態(tài)模量與壓實(shí)度、稠度和含泥量的回歸關(guān)系

由表3可知，動(dòng)態(tài)模量與壓實(shí)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(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(dòng)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(duì)填砂路基動(dòng)態(tài)模量的影響，采用室內(nèi)PFWD測(cè)試方法進(jìn)行相應(yīng)研究［12］。

2.1 室內(nèi)PFWD測(cè)試方法

PFWD進(jìn)行路基回彈模量室內(nèi)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試時(shí)PFWD直接作用于標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)頂面，并記錄荷載、位移傳感器的測(cè)量值。

圖4 室內(nèi)PFWD測(cè)試示意圖

根據(jù)測(cè)試過(guò)程中壓力和彎沉的峰值按式（2）計(jì)算土樣模量MR：

式中：MR為PFWD實(shí)測(cè)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(duì)于瀝青路面取0.35，對(duì)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(duì)于PFWD為10cm直徑的承載板，K取0.5931。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容與程序

1）試驗(yàn)材料的選擇。以上述3個(gè)路段的砂作為試驗(yàn)材料。

2）成型試件。試件的含水率均為最佳含水率，壓實(shí)度分為94%和96%，按目標(biāo)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(cè)試。根據(jù)上述室內(nèi)PFWD測(cè)試方法，對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試，并按要求計(jì)算每個(gè)試件的動(dòng)態(tài)模量。

4）實(shí)際含泥量測(cè)定。由于目標(biāo)配制的含泥量與實(shí)際含泥量存在一定誤差，為更好反映含泥量與動(dòng)態(tài)模量的關(guān)系，室內(nèi)PFWD測(cè)試完成后，再進(jìn)行實(shí)際含泥量的測(cè)定。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

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

表4 室內(nèi)動(dòng)態(tài)模量與含泥量關(guān)系

圖5 室內(nèi)動(dòng)態(tài)模量與含泥量關(guān)系

2）壓實(shí)度為96% 壓實(shí)度為96%時(shí)，含泥量與室內(nèi)動(dòng)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(dāng)試件壓實(shí)度為96%時(shí)，隨著含泥量的增加，砂的動(dòng)態(tài)模量也先增大，后減小。11個(gè)試件中，動(dòng)態(tài)模量最大對(duì)應(yīng)的含泥量為3%。與壓實(shí)度為94%相同，當(dāng)含泥量較?。ê嗔啃∮?%）和較大（含泥量大于8%）時(shí)，動(dòng)態(tài)模量要明顯小于其他含泥量下的動(dòng)態(tài)模量。當(dāng)含泥量在3%～8%范圍時(shí)，動(dòng)態(tài)模量變化幅度很小。

表5 室內(nèi)動(dòng)態(tài)模量與含泥量關(guān)系

圖6 動(dòng)態(tài)模量Ep與含水率w關(guān)系

填砂路基中含泥量較少時(shí)，砂無(wú)塑性、透水性強(qiáng)，粘聚力小，易松散，壓實(shí)困難，整體強(qiáng)度較低。此外，當(dāng)砂中含泥量過(guò)大時(shí)，填料中的泥漿填充在砂顆粒之間，使顆粒之間的滑動(dòng)與滾動(dòng)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(qiáng)度大大減小，且泥漿較多的區(qū)域泥漿會(huì)和砂顆?；旌闲纬蓤F(tuán)狀，在填料中形成強(qiáng)度極低的空洞。所以較大的含泥量對(duì)砂填料的強(qiáng)度影響很大。綜合上述分析，在選取砂源時(shí)應(yīng)對(duì)砂的含泥量嚴(yán)格控制，建議含泥量控制標(biāo)準(zhǔn)為3%～8%。

3 結(jié)論

1）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)路段填砂路基含泥量絕大部分在3.0%～5.5%之間，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)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(chǎng)動(dòng)態(tài)模量與壓實(shí)度、稠度和含泥量具有良好的回歸關(guān)系。

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

4）為保證填砂路基的強(qiáng)度與施工質(zhì)量，在選取砂源時(shí)應(yīng)對(duì)砂的含泥量嚴(yán)格控制，建議含泥量的控制標(biāo)準(zhǔn)為3%～8%。

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