黃 振 胡幼常 王 偉

(1.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430070; 2.中交第二航務(wù)工程局有限公司 武漢 430040)

橋頭跳車(chē)是公路工程中普遍存在又難以完全解決的問(wèn)題，黃土地區(qū)的橋頭跳車(chē)更為突出[1]。黃土地區(qū)的高等級(jí)公路，由于線形的要求及地質(zhì)條件的限制，橋涵構(gòu)造物的密度較大。郭建博等[2]的統(tǒng)計(jì)表明，黃土地區(qū)已建成的高等級(jí)公路中，平均每公里范圍內(nèi)大約有5座橋涵結(jié)構(gòu)物。因此，迫切需要對(duì)黃土地區(qū)橋頭路基的結(jié)構(gòu)和處理方法進(jìn)行針對(duì)性的研究。

橋頭跳車(chē)的直接原因除橋臺(tái)與橋頭路基間的沉降差外，還有二者之間的剛度差。所以應(yīng)盡量減少橋頭黃土路堤的壓縮性并提高其回彈模量，以達(dá)到控制黃土地區(qū)橋頭跳車(chē)的目的。以往多采用石灰樁、粒料樁、水泥土樁等方法處理橋頭黃土路堤，或采用砂礫、石灰土、水泥土作為臺(tái)背填料等方法來(lái)處理黃土地區(qū)橋頭跳車(chē)問(wèn)題，這些都是可行的方法，但各有相應(yīng)的適用條件[3]。

本文以甘肅省甜水堡經(jīng)慶城至永和高速公路(簡(jiǎn)稱甜永高速)建設(shè)項(xiàng)目為背景，以其中的TY15合同段(K239+102-K255+000)某橋頭路基為研究對(duì)象，提出以土工格柵加筋石灰黃土填筑該橋頭路堤的方法，以期達(dá)到防止橋頭跳車(chē)的目的。該方法將石灰穩(wěn)定黃土技術(shù)與土工合成材料加筋技術(shù)結(jié)合起來(lái)，一方面預(yù)期通過(guò)尋找合適的石灰摻量和合理的加筋方案來(lái)提高橋頭路基的整體強(qiáng)度和剛度，從而達(dá)到控制橋頭路基沉降、減少橋臺(tái)與橋頭路基間剛度差的目的；另一方面可就地取材，充分利用當(dāng)?shù)攸S土資源；同時(shí)該方法施工方便，工藝簡(jiǎn)單。本文針對(duì)上述橋頭路堤采用的黃土填料，通過(guò)三軸試驗(yàn)研究合適的石灰摻量，然后分別采用無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和回彈模量試驗(yàn)分別對(duì)土工格柵加筋石灰黃土的強(qiáng)度和剛度特性及其影響因素和影響規(guī)律進(jìn)行研究，為后續(xù)提出合理的橋頭加筋石灰黃土路堤方案奠定基礎(chǔ)。

石灰改良黃土的技術(shù)研究很多，工程應(yīng)用也較廣。周建基等[4]對(duì)不同石灰摻量改良的某地黃土進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨石灰摻量由0逐漸增大時(shí)，改良黃土的壓縮性隨之下降，至石灰摻量達(dá)到7%時(shí)，壓縮性最低。此后，隨著石灰摻量的增加，壓縮性反而不斷增大。王妍[5]采用三軸試驗(yàn)研究石灰黃土的抗剪強(qiáng)度與石灰摻量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，石灰摻量6%的石灰黃土抗剪強(qiáng)度最大。這說(shuō)明從強(qiáng)度和剛度的角度考慮，石灰黃土存在與之對(duì)應(yīng)的最佳石灰摻量。

謝婉麗等[6]采用三軸壓縮試驗(yàn)研究了土工格網(wǎng)加筋黃土的強(qiáng)度特性，探討了加筋層數(shù)對(duì)加筋黃土強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，并不是加筋層數(shù)越多越好， 當(dāng)加筋的層間距小到一定程度時(shí)，加筋層數(shù)增多反而會(huì)使加筋黃土強(qiáng)度下降。加筋層數(shù)過(guò)多時(shí)，筋材對(duì)土體的分隔作用部分抵消了增強(qiáng)作用，使土體的整體性減弱。胡幼常等[7]通過(guò)回彈模量試驗(yàn)與無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)研究了加筋摻砂黃土的強(qiáng)度與變形特性，發(fā)現(xiàn)加筋摻砂黃土存在筋-土強(qiáng)度合理匹配問(wèn)題，壓實(shí)度高時(shí)應(yīng)布置較密的加筋層，從而實(shí)現(xiàn)加筋摻砂黃土強(qiáng)度的最大化。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土料取自甘肅甜永高速某橋頭路堤取土場(chǎng)，其顆粒級(jí)配見(jiàn)表1，物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2。石灰選用達(dá)到JTG/T F20-2015 《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》要求的II級(jí)消石灰。采用的筋材為雙向土工格柵，其性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表1 黃土的顆粒級(jí)配

表2 黃土的物理性質(zhì)

表3 雙向土工格柵力學(xué)性能指標(biāo) kN/m

2 石灰黃土的三軸試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

如前所述，石灰摻量并非越大越好，適中的石灰摻量能使石灰黃土強(qiáng)度最大。參照過(guò)去對(duì)最佳石灰摻量取值范圍的研究成果，擬分別對(duì)石灰摻量ML(干石灰質(zhì)量與干土質(zhì)量之比)為0%，3%，5%，7%，9%，15%的石灰黃土進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，每種石灰摻量按各自的最佳含水率(見(jiàn)表4)制備壓實(shí)度96%的三軸試樣，以與橋頭路堤的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(即施工時(shí)的狀態(tài))相一致。每組試樣分別按不固結(jié)不排水剪方法完成試驗(yàn)。

表4 石灰黃土的擊實(shí)試驗(yàn)成果

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得到不同石灰摻量下的石灰黃土的強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c、內(nèi)摩擦φ角值見(jiàn)表5。c、φ值與石灰摻量關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

表5 石灰黃土三軸試驗(yàn)成果

圖1 石灰摻量對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

從圖1與表5可見(jiàn)，石灰摻量在5%～7%時(shí)，加筋土相較于純黃土抗剪強(qiáng)度提升幅度較高。可以認(rèn)為對(duì)于本文采用的黃土，當(dāng)使用石灰進(jìn)行穩(wěn)定時(shí)，經(jīng)濟(jì)合理的石灰摻量為5%～7%，這與文獻(xiàn)[4-6]中參考的試驗(yàn)研究結(jié)果相似。

依據(jù)上述結(jié)果，擬選擇石灰摻量5%與7%的石灰黃土作為土料，制備土工格柵加筋石灰黃土試件，完成無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)與回彈模量試驗(yàn)。

3 加筋石灰黃土的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)在全自動(dòng)路面材料強(qiáng)度測(cè)試儀上完成。試樣為高度和直徑均為15 cm的圓柱體，采用壓力機(jī)靜壓成型。所有試件的含水率都等于其對(duì)應(yīng)的最佳含水率(見(jiàn)表4)，試件內(nèi)的土工格柵均按照加筋層數(shù)在高度方向等間距布置。

試驗(yàn)共進(jìn)行了以下3組：①壓實(shí)度K=96%，石灰摻量為7%，加筋層數(shù)n=0～5層，其主要目的是研究格柵層數(shù)(即格柵層間距)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律；②石灰摻量為7%，加筋層數(shù)n=3，壓實(shí)度K=88%，90%，92%，94%，96%，其主要目的是研究壓實(shí)度對(duì)加筋效果的影響；③壓實(shí)度K=96%，石灰摻量為5%，加筋層數(shù)n=1～5層，這主要是考慮到石灰摻量為5%的石灰黃土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)僅比石灰摻量為7%的略低，兼顧強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性，有必要對(duì)5%和7%石灰摻量下的加筋效果做對(duì)比研究。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1加筋層數(shù)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

應(yīng)變發(fā)展到不同程度時(shí)K=96%，n=0～5，石灰摻量為7%石灰黃土的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)測(cè)得的q-ε曲線見(jiàn)圖2。

圖2 加筋層數(shù)對(duì)曲線的影響

由圖2a)可見(jiàn)，隨著加筋層數(shù)的增加，壓應(yīng)力峰值(即加筋石灰黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度)增加，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)殘余應(yīng)力也上升。由圖2b)可見(jiàn)，小應(yīng)變(ε<1.5%)時(shí)，加筋層數(shù)從0增至4層，壓應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)的速率隨加筋層數(shù)增加而變大；加筋層數(shù)從4增至5層時(shí)，壓應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)的速率幾乎相同。表6列出了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu和qu隨加筋層數(shù)n的遞增率δn與加筋層n的對(duì)應(yīng)數(shù)值。

表6 加筋層數(shù)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由表6可知，當(dāng)加筋層數(shù)從0增至1時(shí)，抗壓強(qiáng)度提升明顯。當(dāng)加筋層數(shù)從2增至3、以及從3增至4時(shí)，qu的遞增率δn較大，而加筋層數(shù)從4增至5時(shí)，δn最小。這說(shuō)明加筋達(dá)到一定的層數(shù)后，再增加層數(shù)，土工格柵加筋石灰黃土抗壓強(qiáng)度的提升較小。據(jù)此，在實(shí)際工程中，從提高土體抗壓強(qiáng)度的效果和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，布筋密度應(yīng)適中。

3.2.2壓實(shí)度對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

不同壓實(shí)度下3層雙向格柵加筋石灰摻量為7%的石灰黃土q-ε的曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 壓實(shí)度對(duì)q-ε曲線的影響

由圖3可見(jiàn)，隨著壓實(shí)度的提高，加筋試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu不斷上升。

表7為不同壓實(shí)度下，qu和qu隨壓實(shí)度K的遞增率δK(即壓實(shí)度K每提高2%對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu的相對(duì)增長(zhǎng)率)。

表7 壓實(shí)度對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由表7可見(jiàn)，K從94%提高至96%時(shí)，δK最大。更高的壓實(shí)度使得土粒與土工格柵咬合力更高，加筋作用更顯著，因而抗壓強(qiáng)度的提升更顯著。

3.2.3石灰摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

土工格柵加筋2種石灰摻量為5%、7%的石灰黃土的q-ε曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 石灰摻量對(duì)q-ε曲線的影響

由圖4可見(jiàn)，加筋層數(shù)相同時(shí)，石灰摻量為7%的試件抗壓強(qiáng)度均要高于石灰摻量為5%的試件。

表8給出了不同加筋層數(shù)下，石灰摻量為5%和7%試件的抗壓強(qiáng)度和石灰摻量為7%的試件相較于石灰摻量為5%的試件抗壓強(qiáng)度的提升幅度。

表8 石灰摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

從表8中可知，加筋1～4層時(shí)，提升幅度較大，加筋5層時(shí)，提升幅度較小。抗剪強(qiáng)度更高的石灰摻量為7%的石灰黃土加筋后，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度更高。

4 加筋石灰黃土的回彈模量試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

為了與無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)，便于分析相同條件下的強(qiáng)度和剛度，回彈模量試驗(yàn)采用的試件與無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)的尺寸相同，即直徑和高均為15 cm的圓柱體。這樣可以保證加筋層數(shù)相同時(shí)，回彈模量試件與無(wú)側(cè)限抗壓試件的筋層間距是一致的。同時(shí)，采用回彈模量試件比標(biāo)準(zhǔn)試件高3 cm也不會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，因?yàn)樵嚰叽缭酱笤浇咏鼘?shí)際情況。

共進(jìn)行2組工況的回彈模量測(cè)試工作：①石灰摻量7%，加筋層數(shù)n=2，3，4層；②石灰摻量5%，加筋層數(shù)n=3，4層。每種工況的試件壓實(shí)度均為K=96%，筋材布設(shè)方式與無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)相同。此外，為了對(duì)比，還完成了K=96%時(shí)純黃土的回彈模量試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

回彈模量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9，由表9可見(jiàn)：①雙向土工格柵加筋的石灰黃土與純黃土相比，回彈模量有顯著提高，回彈模量的高低與石灰摻量和格柵層數(shù)密切相關(guān)；②石灰摻量7%的石灰黃土相較于5%石灰黃土，格柵加筋后回彈模量更高，這與無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果一致；③格柵加筋層數(shù)越多，土工格柵加筋石灰黃土的回彈模量越大。

表9 回彈模量試驗(yàn)成果

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)和對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，得出以下主要結(jié)論。

1) 對(duì)于本文采用的黃土，當(dāng)采用石灰進(jìn)行穩(wěn)定時(shí)，經(jīng)濟(jì)合理的石灰摻量為5%～7%。

2) 土工格柵加筋的石灰黃土與純黃土相比，其抗壓強(qiáng)度與回彈模量均有顯著提高，用于黃土地區(qū)橋頭路堤，有望解決橋頭跳車(chē)問(wèn)題。

3) 試件中的加筋層數(shù)越多(即加筋層間距越小)時(shí)，土工格柵加筋石灰黃土的抗壓強(qiáng)度與回彈模量越大。當(dāng)加筋層數(shù)達(dá)到一個(gè)較高值后，再增加格柵層數(shù)對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升較小。所以，在實(shí)際工程中，應(yīng)綜合考慮加筋效果和經(jīng)濟(jì)效益來(lái)確定筋材的合理布設(shè)密度。