馬 慶

（十四局集團(tuán)鐵正檢測(cè)科技有限公司，山東 濟(jì)南 250116）

0 引言

加州承載比（CBR）是美國(guó)工程行業(yè)最先提出的評(píng)定路堤填筑材料承載強(qiáng)度的技術(shù)方法，CBR主要代表填筑材料強(qiáng)度相對(duì)碎石標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的比值，其以碎石標(biāo)準(zhǔn)承載強(qiáng)度為基準(zhǔn)，代表填筑材料抵抗局部荷載的承載能力水平，通常用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。CBR值主要用來(lái)對(duì)路堤施工墊層、基層、筑路材料進(jìn)行承載相對(duì)水平的評(píng)定。該值能夠表現(xiàn)出路堤材料抵抗垂直變形的能力，在極端條件下能夠反映出筑路材料的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)前，在公路建設(shè)活動(dòng)中極易出現(xiàn)筑路材料缺乏的情況，直接采用現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖進(jìn)行路堤填料施工具有現(xiàn)實(shí)意義，而其CBR值則需要進(jìn)行必要的試驗(yàn)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)CBR試驗(yàn)具有設(shè)備應(yīng)用簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單，因此應(yīng)用于很多工程行業(yè)中。

1 現(xiàn)場(chǎng)CBR試驗(yàn)技術(shù)要求

現(xiàn)場(chǎng)CBR試驗(yàn)開(kāi)展采取的設(shè)備材料如下。荷載裝置為后軸重大于65 kN且裝有集料的載重汽車(chē)，需要在后軸位置裝設(shè)反力架（加勁橫梁）；測(cè)試設(shè)備則為球座、測(cè)力計(jì)、千斤頂?shù)?，其中千斤頂能夠控制貫入裝置的貫入速度（一般設(shè)置在1 mm/min），測(cè)力計(jì)的最大容許值需要大于路堤填料的抗剪強(qiáng)度，其精度則要大于整個(gè)計(jì)量量程的1%；除此之外還需要有加載結(jié)構(gòu)，如承壓板、貫入板、貫入測(cè)量設(shè)備等。測(cè)試要點(diǎn)如下。將測(cè)點(diǎn)范圍30 cm直徑內(nèi)的試驗(yàn)段找平；現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試設(shè)備，路基表面需要和貫入桿緊密接觸；千斤頂啟動(dòng)貫入桿以1 mm/min速率進(jìn)行路基壓入，對(duì)貫入量及荷載進(jìn)行記錄，貫入量達(dá)到12.5 mm時(shí)則可以結(jié)束試驗(yàn)；測(cè)點(diǎn)卸載取樣分析內(nèi)部含水量，測(cè)點(diǎn)旁采取環(huán)刀法分析路基密度。

CBR值的計(jì)算需要按照以下流程，繪制貫入量-荷載壓強(qiáng)曲線圖，如圖1所示，其中各級(jí)壓強(qiáng)=貫入試驗(yàn)獲取的等級(jí)荷載/貫入面積（19.63 cm），當(dāng)貫入量-荷載壓強(qiáng)曲線中存在明顯的拐點(diǎn)時(shí)（圖1曲線2所示），則需要在該處進(jìn)行切線處理，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸相交數(shù)據(jù)調(diào)整處理，以此獲取修正后的曲線（圖1中所示）；其次，荷載壓強(qiáng)的計(jì)算則直接從貫入量-壓強(qiáng)曲線上讀取2.5mm、5mm貫入量處的壓強(qiáng)值，并且按式CBR=P/P×100%計(jì)算數(shù)據(jù)，其中為等級(jí)荷載壓強(qiáng)；則為壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)值，一般選取為7MPa固定值。CBR值計(jì)算一般以2.5mm貫入量時(shí)的數(shù)據(jù)為主。只有在重復(fù)試驗(yàn)狀態(tài)下，5mm貫入量CBR值大于2.5mm貫入量CBR值時(shí)，才選取貫入量5mm時(shí)的數(shù)據(jù)。

圖1 貫入量-荷載壓強(qiáng)關(guān)系示意圖

2 工程概況

西鄉(xiāng)至鎮(zhèn)巴高速公路工程標(biāo)段K29＋644～K33＋820，全長(zhǎng)4.176 km，其中路堤工程占其中的1.381km，路堤項(xiàng)目所處地質(zhì)整體以變質(zhì)巖為主，且地表出露較多的花崗巖、砂質(zhì)片巖和硅質(zhì)板巖，巖石整體呈現(xiàn)碎塊狀，富含節(jié)理裂隙，且極容易產(chǎn)生破碎現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)巖石材料的抗水性、抗風(fēng)化能力及變性能力較差；考慮到該路段的地形地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，且氣候變化劇烈，道路寬度較小，為了充分保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)，現(xiàn)場(chǎng)的大量花崗巖作為路堤填筑材料使用，則能夠大大減少建設(shè)成本和耕地占用情況。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取材的優(yōu)化，重點(diǎn)在于彌補(bǔ)花崗巖填料的力學(xué)缺陷。

路堤填筑材料CBR值的改善主要通過(guò)以下兩種方式，首先是提升填筑材料的密實(shí)度，但是僅改變結(jié)構(gòu)孔隙率而不優(yōu)化材料顆粒膠結(jié)和摩擦力結(jié)構(gòu)，其密實(shí)度對(duì)材料承載強(qiáng)度提升卻極為有限；其次是對(duì)大量不符和路堤填筑的材料進(jìn)行摻灰處理，如加入適量的水泥、粉煤灰、石灰等膠凝材料用量，通過(guò)膠凝材料不同用量的搭配對(duì)花崗巖進(jìn)行必要的改良。該文主要針對(duì)不同水泥用量的摻加來(lái)對(duì)路堤材料進(jìn)行路用性能測(cè)試。

3 路堤填筑現(xiàn)場(chǎng)性能分析

3.1 試驗(yàn)介紹

為了研究路堤填筑材料花崗巖的力學(xué)效果，該項(xiàng)目在標(biāo)段K29+644-K29+744和標(biāo)段K29+780-K29+980進(jìn)行試驗(yàn)段的修筑，并且現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展試驗(yàn)段的指標(biāo)檢測(cè)，對(duì)其最佳路用性能方案進(jìn)行分析?；◢弾r水泥改良填筑試驗(yàn)段全長(zhǎng)為300m，試驗(yàn)方案分別采取不同配合比及里程，具體要求如下。K29+644-K29+744全長(zhǎng)100m，路堤設(shè)計(jì)寬度為13m，路堤設(shè)計(jì)高度達(dá)到了18m，并且采取水泥質(zhì)量為填料質(zhì)量6%進(jìn)行花崗巖改良處治，路堤分為三層進(jìn)行填筑，每層虛鋪厚度達(dá)到了30cm；其余路段則分別設(shè)置在K29+780-K29+880、K29+880-K29+980，長(zhǎng)度都為100m，且路堤設(shè)計(jì)寬度都控制在13m，分別采取水泥含量3%、5%進(jìn)行花崗巖改良，路堤填筑高度也和第一標(biāo)段保持一致（30cm，分三層填筑）。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)CBR要點(diǎn)控制

考慮到花崗巖混和填筑材料的CBR試驗(yàn)和普通土料CBR試驗(yàn)有較大的相似性，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)測(cè)試的準(zhǔn)確性。首先是擊實(shí)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)性問(wèn)題，擊實(shí)不標(biāo)準(zhǔn)就會(huì)導(dǎo)致填筑材料承載力難以準(zhǔn)確獲取，如花崗巖碎粒中存在較大粒徑的顆粒沒(méi)有及時(shí)篩分，且沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行有效含量統(tǒng)計(jì)，為此，花崗巖混合料填筑前，對(duì)其中粗大顆粒、針片狀顆粒進(jìn)行了及時(shí)篩分（去除粒徑60mm以上的顆粒），確保級(jí)配的連續(xù)性?，F(xiàn)場(chǎng)擊實(shí)中擊實(shí)位置不合理、含水率在局部沒(méi)有達(dá)到最佳含水率等。為解決上述缺陷，技術(shù)人員需要在室內(nèi)開(kāi)展必要的篩分試驗(yàn)和液塑限試驗(yàn)，對(duì)花崗巖碎粒中的粗粒土和細(xì)粒土含量進(jìn)行初步判斷，并且測(cè)定其液限類(lèi)別，估算含水率。

現(xiàn)場(chǎng)花崗巖填料貫入試驗(yàn)中，貫入量的取值往往由于不同百分表數(shù)據(jù)讀取相差過(guò)大而難以確定包括首先是儀器沒(méi)有進(jìn)行水平設(shè)置，導(dǎo)致重力影響下貫入桿鋼球和裝置凹座難以緊密接觸，此時(shí)如果有外界作用力，則會(huì)造成鋼球輕微移動(dòng)，使百分表計(jì)數(shù)的劇烈變化，為此，現(xiàn)場(chǎng)儀器需要保持水平安置，且每次測(cè)試前都需要進(jìn)行及時(shí)調(diào)整；由于貫入桿和頂面的接觸不完全，導(dǎo)致外力作用下貫入桿貫入深度的不均勻，百分表差異極大，技術(shù)人員需要合理控制升降臺(tái)高程，對(duì)偏球座進(jìn)行調(diào)整，以便達(dá)到頂面和貫入桿之間的充分接觸，在貫入桿上還需要施加50 N左右的荷載，使讀數(shù)之前的貫入桿處于穩(wěn)定靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)技術(shù)人員需要將測(cè)力和位移百分表及時(shí)調(diào)零處理；花崗巖碎粒粗細(xì)程度對(duì)百分表讀數(shù)影響極大，如果花崗巖大粒徑顆粒含量偏少，整體級(jí)配分布在較小粒徑區(qū)間時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)貫入過(guò)程中，貫入桿的速度及受力較為均勻，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)數(shù)波動(dòng)也不會(huì)很大。如果當(dāng)花崗巖碎粒呈現(xiàn)不均勻級(jí)配分布時(shí)，則在現(xiàn)場(chǎng)貫入過(guò)程中會(huì)造成貫入桿的受力變化不均勻，極容易由于粗顆粒的存在造成計(jì)數(shù)的較大差異性。為此，現(xiàn)場(chǎng)需要多做幾組貫入試驗(yàn)，以便獲取計(jì)數(shù)相對(duì)均勻的那一組進(jìn)行分析。

4 CBR結(jié)果分析

4.1 不同水泥含量

現(xiàn)場(chǎng)改良水泥3%、5%、6%的花崗巖CBR試驗(yàn)開(kāi)展獲取數(shù)據(jù)和貫入量值關(guān)系如圖2所示。對(duì)比曲線結(jié)果表明，水泥改良作用下，花崗巖混合材料的力學(xué)指標(biāo)有明顯的優(yōu)化，其CBR值都滿(mǎn)足了相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，尤其是改良水泥含量為6%時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的CBR值最高，這主要?dú)w因于花崗巖在水泥膠凝材料作用下，水、水泥、花崗巖碎石之間存在較多的化學(xué)物理作用，花崗巖碎粒之間較大的孔隙在水泥的水化作用下形成了一個(gè)相對(duì)密實(shí)的整體，最終形成的整體結(jié)構(gòu)較為致密和穩(wěn)定。且花崗巖CBR值隨著改良水泥用量的增大而增大，但是其中存在一定的不可控性，這主要在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選取的試驗(yàn)方法和填料自身的性質(zhì)上，具備不一致性因素，如填料的粗粒含量、均勻性及局部含水率變化、現(xiàn)場(chǎng)貫入速度、機(jī)械擊實(shí)效果等，這些都與CBR值大小有關(guān)。

圖2 CBR值-干密度在不同水泥含量下對(duì)比曲線

4.2 碾壓遍數(shù)

針對(duì)改良水泥摻量6%試驗(yàn)路段開(kāi)展不同碾壓遍數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)CBR值分析，其中現(xiàn)場(chǎng)碾壓遍數(shù)控制如下。1遍靜壓、2遍振壓、4遍振壓、6遍振壓，且路段監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量需要在2個(gè)以上，現(xiàn)場(chǎng)獲取數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分別如表1、圖3所示。

圖3 碾壓遍數(shù)和CBR值關(guān)系圖（虛鋪厚度30cm）

根據(jù)表1、圖3統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，現(xiàn)場(chǎng)CBR值隨著碾壓遍數(shù)的增加而不斷增大，且在碾壓前期過(guò)程中，CBR值增長(zhǎng)速率較快，后期碾壓則會(huì)造成CBR值增長(zhǎng)緩慢；30cm虛鋪厚度情況下，6遍振壓的CBR 值相較于碾壓4遍的增長(zhǎng)幅度在1%以?xún)?nèi)，且存在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的CBR值較4遍振壓的情況要偏??；4遍振壓之后開(kāi)展多次振壓造成的路基填筑強(qiáng)度提升有限，為此，全路段施工需要控制其合理振壓遍數(shù)為4遍?，F(xiàn)場(chǎng)另外開(kāi)展不同虛鋪厚度的CBR值檢測(cè)，虛鋪厚度不同情況下的CBR值普遍在25%以上，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范中相關(guān)強(qiáng)度指標(biāo)要求（CBR≥8%），為此，控制現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)檢測(cè)的最低標(biāo)準(zhǔn)條件為CBR=25%。

表1 虛鋪厚度30cm不同碾壓遍數(shù)對(duì)應(yīng)CBR值

4.3 p-s曲線

圖4為虛鋪厚度30cm下不同碾壓遍數(shù)荷載-沉降（p-s）關(guān)系曲線，結(jié)果表明，p-s曲線在多次碾壓變數(shù)情況下，具備較緩的發(fā)展趨勢(shì)；填筑路堤在一致外載荷在情況下，其沉降會(huì)不斷減小，這主要是填筑路堤的彈性模量隨著碾壓遍數(shù)的提升會(huì)不斷增加，繼而加大了路基的強(qiáng)度；碾壓遍數(shù)的增大，4遍碾壓過(guò)程中的路堤強(qiáng)度優(yōu)化最顯著；虛鋪厚度的提升基本很難造成路堤強(qiáng)度的再次提高。

圖4 虛鋪厚度30cm下p-s關(guān)系曲線

4.4 回彈模量

回彈模量測(cè)定采取承載板試驗(yàn)，過(guò)程如下。千斤頂荷載施加采取逐級(jí)加載法，加載量采取壓力表控制，荷載施加小于0.1 MPa時(shí)，則控制逐級(jí)遞增荷載為0.02 MPa。為簡(jiǎn)便化加載過(guò)程，可以適當(dāng)調(diào)整加載為整數(shù)值，達(dá)到預(yù)定荷載時(shí)，則需要進(jìn)行1 min以上的穩(wěn)壓處理，并且及時(shí)記錄彎沉儀數(shù)據(jù)；卸載后1 min，進(jìn)行再次讀數(shù)。兩臺(tái)彎沉儀讀數(shù)差值小于平均值30%，則取平均值，否則需要重新開(kāi)展測(cè)試。其中，加載停止以回彈變形值大于1 mm為基準(zhǔn)，回彈變形值=彎沉儀杠桿比×（加載后平均值-卸載后平均值），總變形=彎沉杠桿比×（加載后平均值-加載初平均值），逐級(jí)荷載下路基回彈模量E計(jì)算如公式（1）所示，路基回彈模量計(jì)算如公式（2）所示。

式中：E為逐級(jí)荷載下回彈模量，MPa；為土泊松比；為承載板直徑，cm；P為各級(jí)承載板壓力，MPa；L為各級(jí)實(shí)測(cè)回彈變形值，cm。

現(xiàn)場(chǎng)CBR值和回彈模量之間也具有一定的關(guān)系，且以此指導(dǎo)路基路面的相關(guān)施工，通過(guò)式（1）、式（2）結(jié)合相應(yīng)CBR值經(jīng)線性擬合可以發(fā)現(xiàn)，=25.33·CBR-0.3849，其中為路基模量。根據(jù)以上計(jì)算可知，CBR值為25%時(shí)，其路基回彈模量為42.4 MPa。

5 結(jié)語(yǔ)

在交通工程和水利工程等行業(yè)中，我國(guó)的建設(shè)重點(diǎn)已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)向西部，更多的公路工程建設(shè)都深入一些地質(zhì)地形生態(tài)水文等較為復(fù)雜的山嶺重丘區(qū)域，這就導(dǎo)致公路工程路堤施工中經(jīng)常出現(xiàn)高填方、深路塹等情況，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)路堤填料的運(yùn)輸環(huán)境極為嚴(yán)峻，填料的利用更多需要結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)實(shí)際情況進(jìn)行就地取材處理，對(duì)路堤填料的力學(xué)使用性能就需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)CBR試驗(yàn)的開(kāi)展，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖經(jīng)過(guò)水泥含量6%混合處理后具備較好的力學(xué)性能，可以將花崗巖碎粒作為路堤填筑材料推廣應(yīng)用。