李金云，張愛卿，單煒

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基于簡(jiǎn)易貫入低液限黏土路基壓實(shí)度確定方法

李金云1，張愛卿2，單煒3

(1. 北京科技大學(xué)天津?qū)W院，天津，301830；2. 北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京，100083；3. 東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150040)

為建立確定低液限黏土路基壓實(shí)度的新方法，在研究簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合某擴(kuò)建公路實(shí)例，通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定低液限黏土的物理力學(xué)指標(biāo)，并依此確定路基的壓實(shí)工藝及標(biāo)準(zhǔn)。選取試驗(yàn)路段，僅考慮含水率對(duì)壓實(shí)度的影響，在其他壓實(shí)度影響因素不變的前提下，實(shí)測(cè)壓實(shí)度、貫入次數(shù)和含水率，利用SPSS軟件對(duì)壓實(shí)度與簡(jiǎn)易貫入次數(shù)及含水率的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，并將得到的關(guān)系式應(yīng)用于工程實(shí)際，以驗(yàn)證方法的合理性及適用性。研究結(jié)果表明：簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)方法可以滿足路基壓實(shí)度檢測(cè)精度要求，為在類似工程中快速、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)低液限黏土路基壓實(shí)程度提供了參考依據(jù)。

簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)；低液限黏土；壓實(shí)度；含水率；回歸分析

壓實(shí)度是否合格是判斷工程質(zhì)量?jī)?yōu)劣的1個(gè)重要指標(biāo)。壓實(shí)的根本目的是使路基獲得一定的密實(shí)度，以提高路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。壓實(shí)能夠增加土體的密實(shí)度，減小土體在潮濕環(huán)境中的飽水量，封閉水分進(jìn)入土體的通道，降低土的滲透性，從而加強(qiáng)路基的水穩(wěn)定性，減少荷載因素和大氣因素對(duì)路基變形的影 響[1?5]。目前，國(guó)內(nèi)常用檢測(cè)壓實(shí)度的方法為灌砂法和落錘式彎沉儀法。灌砂法檢測(cè)時(shí)需要攜帶較多量的砂，且稱量次數(shù)較多，因此它的測(cè)試速度較慢，受人為因素影響較大，實(shí)際操作時(shí)不好掌握，易引起較大誤差。灌砂法檢測(cè)厚度僅為壓實(shí)層厚，該層以下的壓實(shí)度存在的變化不能被檢測(cè)到。落錘式彎沉儀是近些年出現(xiàn)的一種新方法，多應(yīng)用于當(dāng)路基填筑一定厚度后，對(duì)路基整體進(jìn)行彎沉值測(cè)定，通過測(cè)得的彎沉值轉(zhuǎn)化為模量來反映路基壓實(shí)效果。但還無法檢測(cè)該路基任意深度處的壓實(shí)效果[6?10]。近年來，國(guó)內(nèi)一些研究者提出了基于靜力貫入的土石混填路基壓實(shí)度確定方法，對(duì)于準(zhǔn)確合理的評(píng)價(jià)壓實(shí)度取得了很好的效果[11?12]，但是由于該方法檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，且不利于隨時(shí)轉(zhuǎn)移檢測(cè)，因此，極需一種既快捷又準(zhǔn)確的檢測(cè)壓實(shí)度的方法。為解決上述2種方法存在的問題，本文作者引入簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)作為判斷壓實(shí)度的指標(biāo)，并根據(jù)路基的壓實(shí)工藝，選取試驗(yàn)路段，實(shí)測(cè)壓實(shí)度、貫入次數(shù)和含水率，對(duì)壓實(shí)度與簡(jiǎn)易貫入次數(shù)及含水率的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，以便為現(xiàn)場(chǎng)快速準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)低液限黏土路基壓實(shí)程度提供一定的技術(shù)支持。

1 簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)原理

一直以來，在國(guó)際上使用最多的貫入實(shí)驗(yàn)是標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)SPT(standard penetration test)。但標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)因?yàn)槠淦骶咻^為龐大，且有較大的質(zhì)量，不便于隨身、隨時(shí)、隨地?cái)y帶，故不能快速、準(zhǔn)確地對(duì)地基承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)屬于動(dòng)力觸探的一種，是指用一定質(zhì)量的擊錘，從規(guī)定高度自由落下，擊打插入土中的探頭，測(cè)定使探頭貫入土中一定深度所需要的擊數(shù)，以此擊數(shù)來確定被測(cè)土的物理力學(xué)性質(zhì)[6]。

本次實(shí)驗(yàn)選取日本生產(chǎn)的簡(jiǎn)易貫入儀，該設(shè)備主要由貫入器、觸探桿和穿心錘3部分組成。簡(jiǎn)易貫入儀組成如圖1所示。

將穿心錘提升到距離觸探桿連接處50 cm的高度，然后讓錘具自由下落到觸探桿的連接處。與標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)原理相同，錘具自由下落的勢(shì)能在桿件連接處轉(zhuǎn)化為觸探桿的動(dòng)能。當(dāng)觸探桿貫入土層的深度為10 cm時(shí)，記錄此時(shí)的錘擊數(shù)，以此判定土的力學(xué) 特性。

式中：Δ為觸探桿貫入土層的深度，m；h為第次錘擊時(shí)卷尺的讀數(shù)，cm；h?1為第?1次錘擊時(shí)卷尺的讀數(shù)，cm；為錘擊次數(shù)；d為所求的實(shí)測(cè)擊數(shù)。

此實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、土層的適用范圍廣，除砂土外，一般的硬黏土、軟質(zhì)巖石也適用。

圖1 簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)儀組成

大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果證明簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的貫入次數(shù)存在著2倍的關(guān)系，即簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)的貫入次數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的貫入次數(shù)的2倍[13]。

黏性土根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)評(píng)定壓縮模量，間接評(píng)價(jià)路基壓實(shí)后的強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)與壓縮模量的關(guān)系如表1所示[1]。

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)與壓縮模量的關(guān)系

2 低液限黏土室內(nèi)試驗(yàn)

某擴(kuò)建公路位于黑龍江省南部，路線全長(zhǎng)為78.580 km，其中53.906 km路段均為利用原有舊路加寬，舊路的利用率為68.6%，路基填土均為低液限黏土。將路基填土取回實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)GB/T 50123—1999“土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”和JTG E40—2007“公路土工試驗(yàn)規(guī)程”要求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，通過試驗(yàn)確定低液限黏土的物理力學(xué)指標(biāo)。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)

國(guó)內(nèi)外常用的擊實(shí)方法有2種，即輕型擊實(shí)和重型擊實(shí)。根據(jù)2種不同擊實(shí)方法的適用條件，本試驗(yàn)選取重型擊實(shí)，將烘干后的低液限黏土按照12.5%，14.0%，15.5%，17.0%和18.5%的含水率制備試樣，放置在陰涼處12 h后，利用電動(dòng)重型擊實(shí)儀進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：低液限黏土的最大干密度max為1.8 g/cm3，最佳含水率0為15.5%。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2.2 壓縮試驗(yàn)

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，在不同含水量下?lián)魧?shí)一定次數(shù)，制備成壓實(shí)度分別為90%，93%，95%和97%的試樣。利用GDG-4S型三聯(lián)高壓固結(jié)儀，采用快速壓縮試驗(yàn)法，選擇5~6個(gè)加載等級(jí)，24 h后讀數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：當(dāng)荷載在500 kPa以內(nèi)時(shí)，壓縮系數(shù)隨荷載的變化很顯著；當(dāng)荷載超過 1 500 kPa后，壓實(shí)度為93%，95%和97%時(shí)的壓縮系數(shù)相差不大。圖3結(jié)果表明幾種不同壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)條件下，土體處于穩(wěn)定狀態(tài)，均能滿足應(yīng)力的要求，但為了與地基表面的壓實(shí)相適應(yīng)，減少工后壓縮變形模量，并保證經(jīng)濟(jì)性要求，推薦采用93%作為壓實(shí)度檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

利用YLSZ-3.0型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切儀，采用不固結(jié)不排水試驗(yàn)，即試樣在施加周圍壓力和增加軸向壓力直至破壞的過程中不排水。試驗(yàn)結(jié)果如圖4~5所示。由圖5莫爾圓公切線可知低液限黏土的粘聚力為226.63 kPa，內(nèi)摩擦角為20.92°。

壓實(shí)度/%：1—90；2—93；3—95；4—97。

圍壓/kPa：1—100；2—200；3—300；4—400。

圖5 正應(yīng)力與剪應(yīng)力的關(guān)系

3 低液限黏土路基壓實(shí)工藝

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果，分析低液限黏土壓實(shí)的影響因素，確定路基的壓實(shí)工藝。

3.1 影響低液限黏土壓實(shí)的因素

1) 含水率。含水率對(duì)其壓實(shí)程度有很大的影響。當(dāng)含水率較小時(shí)，黏土顆粒間內(nèi)摩擦阻力大，壓實(shí)到一定密實(shí)度后，若壓實(shí)功不能克服土的內(nèi)力，則密實(shí)度就不可能再增加；當(dāng)含水率逐漸增加時(shí)，水在黏土顆粒間起著潤(rùn)滑作用，使其內(nèi)摩擦阻力減少，因此，在同樣的壓實(shí)功下可得到較大的密實(shí)度。

2) 壓實(shí)厚度。壓實(shí)厚度對(duì)壓實(shí)效果有明顯影響。大量的研究表明：相同壓實(shí)條件下(土質(zhì)、含水率與壓實(shí)功不變)，密實(shí)度隨深度遞減，深度為5 cm時(shí)密實(shí)度最高。不同壓實(shí)工具的有效壓實(shí)深度有所差異，根據(jù)壓實(shí)工具類型、土質(zhì)及土基壓實(shí)的基本要求，路基分層壓實(shí)的厚度有具體規(guī)定數(shù)值：在一般情況下，壓實(shí)不宜超過20 cm；對(duì)于13-15T光面壓路機(jī)，不宜超過25 cm；對(duì)于振動(dòng)壓路機(jī)或夯實(shí)機(jī)，宜以50 cm為限[1]。

3) 壓實(shí)功。壓實(shí)功指壓實(shí)機(jī)具的重量、碾壓次數(shù)或錘落高度、作用時(shí)間等對(duì)壓實(shí)效果的影響，是除了含水率和壓實(shí)厚度以外的另一個(gè)重要因素。同一種土的最佳含水率0隨壓實(shí)功的增大而減小，最大干密度max則隨壓實(shí)功的增大而增大；在相同含水量條件下，壓實(shí)功愈大，土體的壓實(shí)度越高。

3.2 低液限黏土壓實(shí)工藝

充分考慮低液限黏土的物理力學(xué)性質(zhì)和壓實(shí)影響因素，結(jié)合某擴(kuò)建公路實(shí)際情況，路基分12次填筑，每層壓實(shí)厚度均為20 cm。借鑒相似土體的路基壓實(shí)技術(shù)，考慮低液限黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)采用振動(dòng)式壓路機(jī)碾壓2遍、光輪壓路機(jī)碾壓8遍。每壓實(shí)一層低液限黏土后，利用灌砂法檢測(cè)壓實(shí)度是否達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的93%以上。為避免新填路基的沉降速率過大，采用強(qiáng)夯法對(duì)新填路基補(bǔ)強(qiáng)。強(qiáng)夯壓實(shí)工藝[14?15]如圖6所示。

4 現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)及結(jié)果分析

4.1 簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)及其結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土體的含水率情況，在k165+700- k165+900標(biāo)段每50 m依次選擇含水率為15.0%，15.5%，16.0%和17.0%的低液限黏土作為路基填土，在路基填土后采用強(qiáng)夯處理，對(duì)夯實(shí)前和夯實(shí)后的路基分別進(jìn)行簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)。根據(jù)表1將簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)擊入次數(shù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)貫入的擊入次數(shù)，再將標(biāo)準(zhǔn)貫入的擊入次數(shù)換算為壓縮模量。簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試的結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出：路基淺層(50 cm以內(nèi))夯實(shí)后的壓縮模量較夯實(shí)前的壓縮模量有所減小，說明夯實(shí)后路基淺層由于強(qiáng)夯產(chǎn)生了不同程度的土體松動(dòng)；淺層以下土體由于強(qiáng)夯作用，土體更加密實(shí)，深度為100~170 cm范圍的土體壓縮模量顯著增加，強(qiáng)夯的作用可持續(xù)到較深的土層，達(dá)到深度2 m以下。因此，低液限黏土采用強(qiáng)夯法可以提高路基土的壓實(shí)度和 強(qiáng)度。

圖6 強(qiáng)夯施工工藝流程圖

含水率/%：(a) 15.0；(b) 15.5；(c) 16.0；(d) 17.0

4.2 壓實(shí)度實(shí)驗(yàn)及其檢測(cè)結(jié)果

灌砂法檢測(cè)厚度僅為1個(gè)壓實(shí)層厚度，不能檢測(cè)到該層以下的壓實(shí)度存在的變化。為此，本文選取挖坑的方法，在k165+700~k165+900標(biāo)段平行簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)1.5 m處檢測(cè)不同深度處的壓實(shí)度。為減小實(shí)驗(yàn)對(duì)路基壓實(shí)效果的影響，灌砂法檢測(cè)壓實(shí)度實(shí)驗(yàn)選擇在強(qiáng)夯前完成。灌砂法壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

4.3 壓實(shí)度與含水率、簡(jiǎn)易貫入次數(shù)的關(guān)系式

采用SPSS軟件進(jìn)行回歸分析，壓實(shí)度與含水率、簡(jiǎn)易貫入次數(shù)的關(guān)系為

式中：為壓實(shí)度，%；1為貫入次數(shù)，次；2為含水率，%。

Sig回歸關(guān)系的顯著性系數(shù)0.037＜0.05，表明回歸結(jié)果好。

為了驗(yàn)證式(3)的適用性及其合理性，選取k166+000標(biāo)段。該標(biāo)段的含水率為15.5%，每層路基填土厚度為20.0 cm，填筑高度為2.5 m，在強(qiáng)夯處理后分別進(jìn)行簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)和灌砂法實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可以看出：采用本文方法得出的各測(cè)點(diǎn)壓實(shí)度計(jì)算結(jié)果與灌砂法檢測(cè)結(jié)果較吻合，可以滿足路基壓實(shí)度檢測(cè)精度要求。

表2 灌砂法壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

表3 壓實(shí)度對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)論

1) 低液限黏土的最大干密度為1.8 g/cm3，最佳含水率為15.5%；低液限黏土的粘聚力為226.63 kPa，內(nèi)摩擦角為20.92°；通過壓縮試驗(yàn)推薦現(xiàn)場(chǎng)采用93%作為壓實(shí)度檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。在充分考慮低液限黏土的物理力學(xué)性質(zhì)和壓實(shí)影響因素基礎(chǔ)上，采用強(qiáng)夯處理低液限黏土，強(qiáng)夯作用效果顯著；深度為100~170 cm范圍的土體壓縮模量顯著增加，并持續(xù)到較深的土層，作用效果達(dá)到深度2 m以下，提高了路基土的壓實(shí)度和強(qiáng)度。

2) 利用SPSS軟件回歸分析得出強(qiáng)夯處理前壓實(shí)度與簡(jiǎn)易貫入次數(shù)和含水率之間的關(guān)系式。

3) 各測(cè)點(diǎn)壓實(shí)度計(jì)算結(jié)果與灌砂法檢測(cè)結(jié)果吻合良好，可以滿足路基壓實(shí)度檢測(cè)精度要求。

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(編輯 伍錦花)

Method for determining the compactness of low liquid limit clay subgrade based on simple penetration test

LI Jinyun1, ZHANG Aiqing2, SHAN Wei3

(1. Tianjin College, University of Science and Technology Beijing, Tianjin 301830, China;2. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;3. School of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

To establish a new method for determining the compactness of low liquid limit clay subgrade, a project case of highway extension was chosen as the subject. The principle of simple penetration test was investigated and the physical-mechanical index of low liquid limit clay was determined through laboratory test, so as to determine the subgrade compaction technology and standard. Test road section was selected. By only taking the influence of moisture content on compactness into consideration, compactness, penetration times and moisture content were measured under the premise that other influence factors of compactness were constant. Then, the relationships among compactness, simple penetration times and moisture content were obtained, and the obtained equations were applied in engineering practice to verify its rationality and feasibility. The results show that simple penetration method can meet the accuracy requirements of subgrade compactness test, thus providing a reference for similar projects to evaluate the compactness of low liquid limit clay subgrade rapidly and accurately.

simple penetration test; low liquid limit clay; compaction degree; moisture content; regression analysis

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.10.024

U416.1

A

1672?7207(2017)10?2732?06

2016?12?21；

修回日期：2017?02?20

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2011318223630)(Project (2011318223630) supported by the Construction of Science and Technology of Ministry of Transport)

李金云，碩士，講師，從事土木工程課程與實(shí)踐研究；E-mail：980365686@qq.com