肖國峰

(中國水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310000)

1 公路工程承載比試驗

承載比是公路路基及路面強度的重要指標(biāo)，也是柔性路面設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)，我國公路柔性路面設(shè)計方面，路基與路面回彈模量是主要設(shè)計參數(shù)，但承載比在相關(guān)施工規(guī)范中仍為主要的力學(xué)指標(biāo)。隨著國內(nèi)公路路基路面檢測技術(shù)的不斷完善，承載比試驗在設(shè)計、施工及監(jiān)理領(lǐng)域的受重視程度日益提升。承載比試驗主要用于公路路基填筑土料承載能力的評定，并以試驗土料貫入量為2.5 mm且單位壓力對標(biāo)準(zhǔn)碎石壓入相同貫入量的標(biāo)準(zhǔn)荷載強度比值即CBR值作為公路路基土設(shè)計參數(shù)[1]。當(dāng)前，承載比試驗已經(jīng)成為我國公路工程設(shè)計中路基填料選擇的基本依據(jù)之一。

1.1 試驗原理

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗所確定的最佳含水量與最大干密度制備承載比試驗所需試件，并確定出土料最不利狀態(tài)后先將試件泡水4 d，浸水后進行貫入試驗，并施加荷載板于試件頂面，模擬出路基結(jié)構(gòu)對土基施加附加應(yīng)力的狀態(tài)。在通過貫入試驗確定出貫入深度的基礎(chǔ)上，進行土料承載比與所施加荷載關(guān)系[2]的分析。

1.2 試驗儀器選用

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)，承載比試驗所需儀器主要有內(nèi)徑15.2 cm、筒高17 cm的金屬圓試筒，高5 cm的套環(huán)，直徑15.0 cm、高5 cm的墊塊及夯擊底板，底面直徑5 cm、總重量4.5 kg且在導(dǎo)管內(nèi)總行程45 cm的夯錘，端面直徑5 cm、長10 cm的金屬柱貫入桿，能量至少為50 kN且貫入速度0.1 cm/min的測力計式路面材料強度測試儀等裝置。在試驗開始前必須根據(jù)試驗規(guī)程進行試筒體積、墊塊尺寸及形狀等所需儀器性能的檢測，保證試筒內(nèi)壁光滑無變形、無棱角，墊塊及底板表面平整光滑。

1.3 技術(shù)要求

承載比試驗之前先將試料徹底風(fēng)干，按照四分法準(zhǔn)備好，并在夯實試驗前，選擇代表性試料測定其含水量值。準(zhǔn)備好后開始擊實試驗，通過試驗得到試料的最佳含水量及最大干密度取值，再根據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)進行最佳含水量試件制備。將荷載板施加于試件頂面并泡水4 d，按照1.00～1.25 mm/min的加荷速度進行貫入試驗并對試件施加荷載，進行測力計內(nèi)3個百分表讀數(shù)所對應(yīng)貫入量的測記，總貫入量不能超過7 mm，并保證貫入量為250×10-2mm時，百分表讀數(shù)至少有5個。將貫入試驗數(shù)據(jù)繪制成單位壓力-貫入量曲線(圖1)，橫坐標(biāo)表示單位壓力值，縱坐標(biāo)表示貫入量值，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，應(yīng)進行原點修正，即從變曲率點處引出一條切線使其與縱坐標(biāo)相交于O′點，并以O(shè)′點為修正后的原點。

圖1 單位壓力-貫入量曲線

曲線中貫入量2.5 mm所對應(yīng)的單位壓力值p和標(biāo)準(zhǔn)壓力值之比即為承載比CBR，即：

CBR2.5=(p/7000)×100%

(1)

貫入量為5 mm的承載比為：

CBR5=(p/10500)×100%

(2)

如式(2)所求得貫入量為5 mm時的承載比,比式(1)貫入量2.5 mm時的承載比大，則應(yīng)重新進行試驗，若重新試驗的結(jié)果仍如此，則采用式(2)貫入量5 mm的承載比。

2 公路工程承載比試驗的工程實踐

2.1 工程概況

常山縣美麗公路(一期)工程PPP項目是浙江省衢州市沿江公路工程的重要組成部份，項目建設(shè)內(nèi)容主要包括公路主線工程、慢行道工程。下游段公路主線起點(K0+000)接柯城區(qū)段，經(jīng)過招賢鎮(zhèn)泉目山村、觀山鎮(zhèn)以南象湖村，青石鎮(zhèn)以西閣底村，終點K13+130.886。公路主線長13.130 km。本工程公路主線采用《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)中雙向兩車道四級公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計速度20 km/h，路面寬度6.0 m，一般路段路基寬度6.5 m，土路肩2×0.25 m，局部路段放寬至8 m，利用現(xiàn)有公路路段按原標(biāo)準(zhǔn)改造；橋梁寬度12.5 m(與慢行道合并設(shè)置)；涵洞與路基同寬；加寬標(biāo)準(zhǔn)為二類加寬；路面標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，橋涵設(shè)計載荷公路-Ⅱ級。

擬建公路工程區(qū)內(nèi)區(qū)域構(gòu)造較發(fā)育，表層褶皺強烈。工程區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層厚度較小，僅為3～8 m，巖性以第四系沖洪積層為主，下伏基巖多為軟巖、較軟巖，層位穩(wěn)定，中風(fēng)化基巖完整性較好。擬建公路工程區(qū)內(nèi)主要水系屬衢江支流，位于衢江上游，是衢江的主源，屬典型山區(qū)河流，河床常年流水，主要受季節(jié)性降雨量影響，雨季水位暴漲暴落，洪水期流速急，水位主變幅受季節(jié)降水調(diào)節(jié)。

2.2 試驗操作要點

2.2.1 規(guī)范要求

根據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F10-2006)，不同等級公路和不同填土深度所對應(yīng)的填料強度及粒徑必須符合相關(guān)規(guī)定[3]，具體見表1。

表1 填料強度及粒徑要求

《公路土工試驗規(guī)程》中并無不同填土深度承載比是否為試樣壓實度所對應(yīng)的試驗值的相關(guān)規(guī)定，筆者認(rèn)為，通過承載比試驗得到的壓實度93%、94%、96%所對應(yīng)的承載比值與工程實際相符。也就是說，路基施工過程中，按照填筑深度分區(qū)的壓實度值與按照填筑深度分區(qū)的承載比值一致。

2.2.2 最大干密度與最佳含水率

依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)對試料進行標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗，并進行試樣最佳含水率和最大干密度的確定，在試驗過程中必須注意，最佳含水率與最大干密度取值與承載比試驗的精確度直接相關(guān)，也是保證試驗結(jié)果精度的基礎(chǔ)性參數(shù)，所以，本工程標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗采用平行試驗[4]，以所得的最佳含水率均值與最大干密度均值為承載比試件制備的依據(jù)。

2.2.3 測力環(huán)矯正系數(shù)

根據(jù)試驗規(guī)程進行擊實試驗時同時進行平行試驗，確定試件最佳含水量和最大干密度取值，并保證取值的精確性。綜合考慮土質(zhì)進行公路工程土料強度儀測力環(huán)的選擇，黏性土和砂土測力環(huán)取10 kN和30 kN，碎石和礫石測力環(huán)取30 kN和50 kN。

由于路面材料強度儀測力環(huán)所讀取的數(shù)值僅為測力表可能的變形量，還應(yīng)根據(jù)變形量值進行校正系數(shù)壓力值的計算，計算過程中不能簡單通過百分表讀數(shù)和所對應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)內(nèi)插，必須先進行測力環(huán)標(biāo)定數(shù)據(jù)回歸方程的模擬，再將測力計百分表取值和回歸系數(shù)相乘求出壓力值。

2.3 試件制備

進行試筒編號和質(zhì)量的稱量，并將試筒固定在底板上，將墊塊放入試筒內(nèi)，再在墊塊上放置濾紙、安裝套環(huán)，防止試樣與墊塊粘連而影響試件頂面平整性及承載比試驗結(jié)果的精確度。在試件制備前，測定試件含水量，并按標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗所得到的最佳含水量調(diào)整試件實際含水量，并按要求進行試件悶料處理，悶料時間要求詳見表2，并按試驗規(guī)程制備不同壓實度下的承載比試件。

表2 試件悶料時間要求

2.4 試驗方法及試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)擊數(shù)30次/層、50次/層和98次/層進行試件制備，并進行不同擊數(shù)所對應(yīng)干密度及承載比值的檢測，并以承載比值為橫坐標(biāo)軸、以干密度值為縱坐標(biāo)軸，繪制干密度～承載比關(guān)系曲線，通過關(guān)系曲線進行壓實度所對應(yīng)承載比值的讀取，如圖2所示。

圖2 干密度-承載比關(guān)系曲線

經(jīng)過調(diào)查，設(shè)計規(guī)劃的取土場土質(zhì)為黏土或黏土夾帶強風(fēng)化泥巖，液塑限高，受雨水影響很大。本工程公路主線標(biāo)段內(nèi)共設(shè)計2個取土坑，分別取土并進行承載比試驗，若素土承載比值達不到規(guī)范及設(shè)計要求，應(yīng)按設(shè)計比摻加消石灰和粉煤灰，以保證其承載比符合規(guī)范要求，具體指標(biāo)詳見表3。

表3 公路主線標(biāo)段取土坑承載比試驗結(jié)果

2.5 試驗數(shù)據(jù)分析

2.5.1 承載比值的變化

通過表3試驗數(shù)據(jù)可以看出，摻和料對填料承載比的影響較大，土體摻加石灰和粉煤灰改性后，承載比取值表現(xiàn)出明顯的差異，且混合料改性成分摻加越多，填料承載比取值越大。在本工程公路主線標(biāo)段路基填筑施工過程中，考慮到不同壓實區(qū)對填料的承載比有不同要求，為此，必須通過顆粒分析及液限塑限試驗確定填料中石灰與粉煤灰摻加比例，以保證填料承載比取值達到規(guī)范要求。

取土坑的選擇必須考慮承載比取值的合理利用，通過壓實度的提高及摻合料摻加比例的改變提升填料的承載比，并使其達到規(guī)范要求。承載比試驗數(shù)據(jù)是路基填料水穩(wěn)性能、強度及結(jié)構(gòu)承載力的真實反映，也能從側(cè)面反映出路基按設(shè)計要求碾壓成型后可能的不均勻沉降[5]等情況。

2.5.2 承載比值的合理性分析

試驗數(shù)據(jù)反映出同一土樣在不同擊數(shù)、不同壓實度下承載比值的偏差情況，當(dāng)每層擊數(shù)為98時，同一土樣的承載比值偏差系數(shù)最小，說明在這一擊數(shù)下土樣承載力均勻，試驗所得貫入量變形差異程度小。當(dāng)每層擊數(shù)為50擊和30擊時，土樣承載比取值的偏差系數(shù)較大，說明在擊數(shù)較小的情況下，土樣承載比試驗中不均勻沉降較大。

通常情況下，填土高度與土體承載比取值呈正向變化，但是對于工程實際而言，路基下層填土承載比除受填土高度影響外，還與地表水、地下水、降水等因素有關(guān)，所以僅根據(jù)填土高度劃分承載比值并不科學(xué)，還應(yīng)根據(jù)土體含水量進行土料承載比值的區(qū)別分析。

3 承載比技術(shù)指標(biāo)的應(yīng)用建議

承載比是公路工程選擇路基填料的依據(jù)，對于無法達到設(shè)計施工要求的路基填料，應(yīng)通過摻加石灰、粉煤灰等穩(wěn)定材料進行改性處理，并在承載比試驗中將試件泡水4 d處理。如果試件泡水4 d后含水量與土基含水程度差異較大時，必須結(jié)合工程實際和試驗原理調(diào)整泡水試件和試驗方式，使土基承載比取值更加契合工程實際。根據(jù)公路土工試驗規(guī)程，土基承載比試驗過程中必須測定試件泡水后的膨脹量，但是相關(guān)規(guī)范并未對土樣膨脹量的合理取值給出規(guī)定，進行土樣膨脹量檢測并無任何實際意義，但考慮到土樣含水量和壓實度與室內(nèi)條件不同，也未泡水處理，應(yīng)通過試驗確定土樣膨脹量與其余參數(shù)之間的關(guān)系，再根據(jù)關(guān)系換算為工程土樣承載比取值，用于工程路基施工強度的評定。

4 結(jié) 論

常山縣美麗公路(一期)工程PPP項目公路主線合同段路基施工中路床填筑已完工，檢測結(jié)果表明，彎沉與壓實度均合格。本公路工程實踐表明，承載比試驗必須在充分考慮施工狀況的基礎(chǔ)上保證試驗過程與施工實際盡可能相符，通過試驗與施工實踐的結(jié)合，為工程施工提供切實可行的指導(dǎo)意見，保證公路路基施工質(zhì)量。