公路工程承載比試驗及應用研究

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，也是柔性路面設計的基礎參數，我國公路柔性路面設計方面，路基與路面回彈模量是主要設計參數，但承載比在相關施工規范中仍為主要的力學指標。隨著國內公路路基路面檢測技術的不斷完善，承載比試驗在設計、施工及監理領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且單位壓力對標準碎石壓入相同貫入量的標準荷載強度比值即CBR值作為公路路基土設計參數[1]。當前，承載比試驗已經成為我國公路工程設計中路基填料選擇的基本依據之一。

1.1 試驗原理

根據標準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，模擬出路基結構對土基施加附加應力的狀態。在通過貫入試驗確定出貫入深度的基礎上，進行土料承載比與所施加荷載關系[2]的分析。

1.2 試驗儀器選用

根據《公路土工試驗規程》(JTG E40-2007)，承載比試驗所需儀器主要有內徑15.2 cm、筒高17 cm的金屬圓試筒，高5 cm的套環，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且在導管內總行程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試驗規程進行試筒體積、墊塊尺寸及形狀等所需儀器性能的檢測，保證試筒內壁光滑無變形、無棱角，墊塊及底板表面平整光滑。

1.3 技術要求

承載比試驗之前先將試料徹底風干，按照四分法準備好，并在夯實試驗前，選擇代表性試料測定其含水量值。準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，再根據試驗標準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3個百分表讀數所對應貫入量的測記，總貫入量不能超過7 mm，并保證貫入量為250×10-2mm時，百分表讀數至少有5個。將貫入試驗數據繪制成單位壓力-貫入量曲線(圖1)，橫坐標表示單位壓力值，縱坐標表示貫入量值，為保證數據的準確度，應進行原點修正，即從變曲率點處引出一條切線使其與縱坐標相交于O′點，并以O′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所對應的單位壓力值p和標準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，則應重新進行試驗，若重新試驗的結果仍如此，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，項目建設內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)接柯城區段，經過招賢鎮泉目山村、觀山鎮以南象湖村，青石鎮以西閣底村，終點K13+130.886。公路主線長13.130 km。本工程公路主線采用《公路工程技術標準》(JTG B01-2014)中雙向兩車道四級公路標準設計，設計速度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，利用現有公路路段按原標準改造；橋梁寬度12.5 m(與慢行道合并設置)；涵洞與路基同寬；加寬標準為二類加寬；路面標準軸載BZZ-100，橋涵設計載荷公路-Ⅱ級。

擬建公路工程區內區域構造較發育，表層褶皺強烈。工程區內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，層位穩定，中風化基巖完整性較好。擬建公路工程區內主要水系屬衢江支流，位于衢江上游，是衢江的主源，屬典型山區河流，河床常年流水，主要受季節性降雨量影響，雨季水位暴漲暴落，洪水期流速急，水位主變幅受季節降水調節。

2.2 試驗操作要點

2.2.1 規范要求

根據《公路路基施工技術規范》(JTG F10-2006)，不同等級公路和不同填土深度所對應的填料強度及粒徑必須符合相關規定[3]，具體見表1。

表1 填料強度及粒徑要求

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

2.2.2 最大干密度與最佳含水率

依據《公路土工試驗規程》(JTG E40-2007)對試料進行標準擊實試驗，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，也是保證試驗結果精度的基礎性參數，所以，本工程標準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。

2.2.3 測力環矯正系數

根據試驗規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。綜合考慮土質進行公路工程土料強度儀測力環的選擇，黏性土和砂土測力環取10 kN和30 kN，碎石和礫石測力環取30 kN和50 kN。

由于路面材料強度儀測力環所讀取的數值僅為測力表可能的變形量，還應根據變形量值進行校正系數壓力值的計算，計算過程中不能簡單通過百分表讀數和所對應的壓力數據內插，必須先進行測力環標定數據回歸方程的模擬，再將測力計百分表取值和回歸系數相乘求出壓力值。

2.3 試件制備

進行試筒編號和質量的稱量，并將試筒固定在底板上，將墊塊放入試筒內，再在墊塊上放置濾紙、安裝套環，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果的精確度。在試件制備前，測定試件含水量，并按標準擊實試驗所得到的最佳含水量調整試件實際含水量，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 試驗方法及試驗數據

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

圖2 干密度-承載比關系曲線

經過調查，設計規劃的取土場土質為黏土或黏土夾帶強風化泥巖，液塑限高，受雨水影響很大。本工程公路主線標段內共設計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范及設計要求，應按設計比摻加消石灰和粉煤灰，以保證其承載比符合規范要求，具體指標詳見表3。

表3 公路主線標段取土坑承載比試驗結果

2.5 試驗數據分析

2.5.1 承載比值的變化

通過表3試驗數據可以看出，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段路基填筑施工過程中，考慮到不同壓實區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，并使其達到規范要求。承載比試驗數據是路基填料水穩性能、強度及結構承載力的真實反映，也能從側面反映出路基按設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

試驗數據反映出同一土樣在不同擊數、不同壓實度下承載比值的偏差情況，當每層擊數為98時，同一土樣的承載比值偏差系數最小，說明在這一擊數下土樣承載力均勻，試驗所得貫入量變形差異程度小。當每層擊數為50擊和30擊時，土樣承載比取值的偏差系數較大，說明在擊數較小的情況下，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，所以僅根據填土高度劃分承載比值并不科學，還應根據土體含水量進行土料承載比值的區別分析。

3 承載比技術指標的應用建議

承載比是公路工程選擇路基填料的依據，對于無法達到設計施工要求的路基填料，應通過摻加石灰、粉煤灰等穩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，必須結合工程實際和試驗原理調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。根據公路土工試驗規程，土基承載比試驗過程中必須測定試件泡水后的膨脹量，但是相關規范并未對土樣膨脹量的合理取值給出規定，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條件不同，也未泡水處理，應通過試驗確定土樣膨脹量與其余參數之間的關系，再根據關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 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合，為工程施工提供切實可行的指導意見，保證公路路基施工質量。