軟巖質(zhì)粗顆粒用作公路路基填料的級(jí)配及力學(xué)性能探討

劉鵬飛

摘要 為有效探究軟巖質(zhì)粗顆粒路基填料級(jí)配及力學(xué)特性，文章以某山區(qū)公路路基填筑施工為背景，利用四分法，并結(jié)合顆粒填充基本原理，對(duì)軟巖填料實(shí)施分級(jí)及級(jí)配組合，通過(guò)室內(nèi)模型動(dòng)力加載試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了各種級(jí)配條件下軟巖填料力學(xué)性能。結(jié)果顯示：（1）軟巖填料力學(xué)性能與顆粒級(jí)配密切相關(guān)；（2）軟巖填料承載性能是由其內(nèi)部粗顆粒決定的，尤其是對(duì)于粗礫組顆粒（20～60 mm）組成的骨架結(jié)構(gòu)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用；（3）軟巖填料回彈模量最大值出現(xiàn)在最佳含水率及粒徑大于P5顆粒含量為60%～70%的條件下，該狀態(tài)下填料級(jí)配最優(yōu)，容易組成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞 公路項(xiàng)目；軟巖粗顆粒路基填料；級(jí)配類型；力學(xué)特性

中圖分類號(hào) U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）08-0110-03

0 引言

軟巖粗顆粒路基填料力學(xué)性能與其內(nèi)部顆粒級(jí)配組成及強(qiáng)度密切相關(guān)，尤其以級(jí)配影響最為突出[1-2]。根據(jù)以往工程實(shí)踐，大部分粗顆粒填料路基出現(xiàn)沉降過(guò)大或失穩(wěn)坍塌的根本原因，均是路基填料級(jí)配不合理。為此，該文結(jié)合某山區(qū)公路路基填筑案例，通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了各種級(jí)配條件下軟巖粗粒土力學(xué)性能，以期能有效提升軟巖粗粒土路基填筑質(zhì)量，保證公路運(yùn)營(yíng)安全[3]。

1 工程概況

某山區(qū)公路項(xiàng)目，沿線地理環(huán)境復(fù)雜多變，局部路段位于丘陵地帶，路基填筑高度較大，由于優(yōu)質(zhì)路基填筑材料較為匱乏，難以滿足該路段路基填筑實(shí)際需要，因此，擬采用現(xiàn)場(chǎng)挖方路段產(chǎn)生的天然軟巖代替局部區(qū)域灰土填料進(jìn)行填筑施工，以有效解決填料短缺問(wèn)題。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)提取土樣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，軟巖材料為土石混合狀態(tài)，粗顆粒含量較大，質(zhì)地較軟，但經(jīng)壓實(shí)處理后其承載性能完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，是一種價(jià)格低廉的優(yōu)質(zhì)路基填料[4]。

2 軟巖質(zhì)粗粒土顆粒組成及試驗(yàn)方案

2.1 原材料取樣

現(xiàn)場(chǎng)提取土樣為土石混合料，其成分以花崗巖為主，呈輕微風(fēng)化狀態(tài)[5]。通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。篩分結(jié)果顯示：提取土樣中粒徑大于60 mm的顆粒比例介于15%～18%范圍內(nèi)，天然含水率15.1%。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)檢測(cè)，土樣最大干密度2.118 g/cm3，最佳含水率7.5%。

2.2 試驗(yàn)?zāi)康募绊?xiàng)目

在工程實(shí)踐中，天然軟巖粗粒土加工階段，由于其粒度變化較大，導(dǎo)致其工程性能出現(xiàn)差異。該項(xiàng)目針對(duì)軟巖質(zhì)粗粒土的級(jí)配特征、力學(xué)特性開(kāi)展研究，通過(guò)對(duì)自然條件下軟巖質(zhì)粗粒土的級(jí)配、中粗粒含量及其力學(xué)性能的分析，為類似工程的設(shè)計(jì)提供借鑒[6]。

該次試驗(yàn)細(xì)目分析的內(nèi)容包括瀝青混合料的級(jí)配、力學(xué)性質(zhì)測(cè)試。采用級(jí)配實(shí)驗(yàn)對(duì)軟巖石粗顆粒填料的粗顆粒含量、粒徑分布進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)模擬相結(jié)合的方法，開(kāi)展軟巖石細(xì)顆粒級(jí)配、含水量等因素對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量的影響規(guī)律探究，并討論其與路基填料之間的相關(guān)性[7]。

2.3 試驗(yàn)方案

（1）級(jí)配試驗(yàn)：根據(jù)現(xiàn)行《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，采用四分法提取試樣，實(shí)施篩分及粒徑等級(jí)劃分，并通過(guò)相關(guān)計(jì)算準(zhǔn)確求出三種顆粒等級(jí)的質(zhì)量比[8]。結(jié)合顆粒填充基本原理，并依據(jù)質(zhì)量比進(jìn)行配制，從而獲得5種級(jí)配不同的混合料，分析其級(jí)配特征，具體如下：①A類土：1/3中料+1粗料；②B類土：2/3中料+1粗料；③C類土：3/3中料+1粗料；④D類土：1/2細(xì)料+3/3中料+1粗料；⑤原狀土：2/2細(xì)料+3/3中料+1粗料。

（2）力學(xué)特性試驗(yàn)：采用粗顆粒填料進(jìn)行路基填筑時(shí)，填料級(jí)配類型、含水率等相關(guān)指標(biāo)均會(huì)在一定程度上影響結(jié)構(gòu)承載性能[9]。所以，按照規(guī)范要求制備不同級(jí)配及含水率條件下的路基填料，實(shí)施室內(nèi)模型動(dòng)力加載試驗(yàn)，從而有效獲得材料的力學(xué)特性。

2.4 試件制備及試驗(yàn)設(shè)備

為獲得各種級(jí)配的路基材料，按照細(xì)、中、粗三種等級(jí)對(duì)土樣實(shí)施篩選后，根據(jù)各種級(jí)配材料配比，準(zhǔn)確稱量出相應(yīng)粒徑材料用量，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，依?jù)試驗(yàn)確定的含水率加水拌和，試樣配制完成后，及時(shí)放置于模具內(nèi)充分壓實(shí)，并施加荷載實(shí)施檢測(cè)[10]。

試驗(yàn)?zāi)＞哌x用特定規(guī)格、硬度較大的組拼式木模具，檢測(cè)時(shí)采用便攜式彈性模量檢測(cè)儀實(shí)施加載，采用該儀器能夠隨時(shí)獲取加載狀態(tài)下填料回填模量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同摻配比填料級(jí)配分析

通過(guò)篩分計(jì)算得到試樣初始級(jí)配組成，其質(zhì)量比細(xì)∶中∶粗=1∶3.84∶1.87，中、粗顆粒比例較大，約占總量的75%，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中粗顆粒含量大于50%的基本要求。結(jié)合篩分結(jié)果可知，填料最大粒徑大部分位于15 cm以內(nèi)，符合最大粒徑限制標(biāo)準(zhǔn)要求。由此可知，所取試樣屬于代表性軟巖粗粒土填料。提取適量軟巖粗粒土試樣，根據(jù)逐級(jí)復(fù)原摻配標(biāo)準(zhǔn)分別制備A、B、C、D及原狀土混合料，并對(duì)其級(jí)配實(shí)施分析，得到各種配比條件下混合料級(jí)配曲線、不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)CC，如圖1所示。

由圖1可知：針對(duì)粒徑為0～60 mm的粗顆粒軟巖填料，以0～2 mm、2～20 mm及20～60 mm三個(gè)等級(jí)進(jìn)行分級(jí)后，通過(guò)逐級(jí)復(fù)原方式可有效恢復(fù)土體級(jí)配，能夠獲得各種標(biāo)準(zhǔn)型路基填料。級(jí)配優(yōu)良的填料，必須符合Cu>5，CC=1～3的標(biāo)準(zhǔn)要求，并且顆粒級(jí)配曲線應(yīng)平順。據(jù)此能夠判定，B、C類填料CC＜1，為級(jí)配不良填料；A類填料Cu、CC盡管符合優(yōu)良填料標(biāo)準(zhǔn)要求，但優(yōu)良率較低；而D類填料Cu、CC完全滿足級(jí)配優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)，并且級(jí)配曲線較為平順，所以此級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)為優(yōu)質(zhì)填料，隨填料摻量的逐漸增大，混合料級(jí)配越來(lái)越好，優(yōu)良程度顯著增大。

3.2 不同級(jí)配土的回彈模量試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）中、粗顆粒土彈性模量分析。選取軟巖粗顆粒中的中、粗粒料實(shí)施加載試驗(yàn)，從而獲得中、粗粒料對(duì)應(yīng)的回彈模量，分析級(jí)配對(duì)回彈模量的影響。分別向中、粗試樣中摻加8%左右的水實(shí)施拌和，以分層厚度20 cm為標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施分層壓實(shí)，依次測(cè)取中、粗試樣自下而上1～4層的壓實(shí)土彈性模量，如圖2所示。

由圖2可知：粗顆粒填料彈性模量顯著高于中顆粒模量。按照現(xiàn)行《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，粗顆粒屬于粗礫組。根據(jù)軟巖粗粒土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度表現(xiàn)特征，粗粒料嵌擠強(qiáng)烈，具有優(yōu)良的骨架支撐作用。

（2）摻配土彈性模量分析。選取A、B、C、D及原狀土混合料實(shí)施加載試驗(yàn)，分層壓實(shí)后模型整體厚80 cm。測(cè)得各土樣含水率為8%，5種土樣回彈模量Ed，如圖3所示。

從圖3可知：

（1）當(dāng)路基填料按照級(jí)配等級(jí)進(jìn)行逐級(jí)填充時(shí)，土體彈性模量不斷增大，結(jié)合篩分試驗(yàn)對(duì)5類土中粒徑大于P5的顆粒含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，粒徑大于P5的顆粒含量由83.96%下降至62.12%。由此可知，A、B、C三類土中粒徑大于P5的顆粒含量均位于70%以上，此類土體壓實(shí)狀態(tài)下為骨架-空隙型結(jié)構(gòu)，細(xì)粒料含量相對(duì)較少，無(wú)法有效充填骨架間隙，所以壓實(shí)度相對(duì)較差。

（2）D類土與原狀土中粒徑大于P5的顆粒含量為70%左右，細(xì)粒料含量較大，能夠完全充填骨架間隙，形成骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)，所以此級(jí)配狀態(tài)下土體力學(xué)性能較好，能夠表現(xiàn)出較強(qiáng)的承載性能，且彈性模量較大。由此可知，軟巖填料承載性能是由其內(nèi)部粗顆粒決定的，尤其對(duì)于粗礫組顆粒（20～60 mm）組成的骨架結(jié)構(gòu)發(fā)揮至關(guān)重要的作用，同時(shí)，細(xì)粒料有效填充于骨架間隙，對(duì)保證填料承載性能也具有一定的增強(qiáng)作用。

3.3 不同含水率土的動(dòng)態(tài)回彈模量試驗(yàn)結(jié)果分析

選取原狀土實(shí)施加載試驗(yàn)，分層壓實(shí)后土體模型整體厚60 cm，測(cè)得含水率主要包括三個(gè)梯度，依次為2.355%、8.361%、13.945%，處于干燥、中濕、過(guò)濕狀態(tài)。而中濕狀態(tài)含水率接近土體最佳含水率7.6%。各種含水率條件下土體彈性模量，如圖4所示。

由圖4可知：

（1）三種含水率梯度條件下，路基填料彈性模量依次為22.5 MPa、30.0 MPa和24.8 MPa。

（2）結(jié)合現(xiàn)有粗粒料試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果可知，當(dāng)含水率增大時(shí)，填料干密度出現(xiàn)雙峰值變化形態(tài)。其中第一峰值出現(xiàn)在干燥狀態(tài)下，而當(dāng)含水率逐漸增大時(shí)，填料干密度持續(xù)下降，待降至一定值后又呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，達(dá)到最佳含水率狀態(tài)下出現(xiàn)第二次峰值。

（3）粗顆粒土干密度具有雙峰值變化特性，且干密度在一定程度上決定填料壓實(shí)度，所以工程實(shí)踐中，要嚴(yán)格控制路基填料含水率，確保其處于最佳狀態(tài)，能有效提升路基壓實(shí)度，保證路基填筑質(zhì)量。

通過(guò)上述分析可知，公路工程路基填筑施工時(shí)，為有效提升路基壓實(shí)度和力學(xué)特性，最大限度保證路基施工質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格控制填料含水率，確保處于最佳含水率水平。同時(shí)，還要合理確定填料級(jí)配組成，使其處于優(yōu)良水平，從而全面提升路基填筑質(zhì)量。針對(duì)軟巖填料，應(yīng)將其粒徑大于P5顆粒含量控制在60%～70%范圍內(nèi)，使其內(nèi)部細(xì)粒料充分填充骨架間隙，有效提升填料力學(xué)強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該文結(jié)合某山區(qū)公路路基填筑施工實(shí)踐，針對(duì)軟巖質(zhì)粗顆粒用作公路路基填料的級(jí)配及力學(xué)性能展開(kāi)綜合探究，通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了各種級(jí)配條件下軟巖粗粒土力學(xué)性能，主要結(jié)論如下：

（1）軟巖粗粒土是一種價(jià)格低廉的優(yōu)質(zhì)土石混填料，可組成骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)。軟巖填料承載性能是由其內(nèi)部粗顆粒決定的，尤其對(duì)于粗礫組顆粒（20～60 mm）組成的骨架結(jié)構(gòu)發(fā)揮至關(guān)重要的作用，同時(shí)，細(xì)粒料有效填充于骨架間隙，對(duì)保證填料承載性能也具有一定的增強(qiáng)作用。

（2）對(duì)于軟巖粗顆粒填料，當(dāng)其含水率處于最佳含水率及大于P5顆粒含量處于60%～70%范圍內(nèi)力學(xué)特性最優(yōu)。工程實(shí)踐中，采用此類填料填筑施工時(shí)，需嚴(yán)格控制填料含水率，使其保持在最佳含水率狀態(tài)，并控制好大于P5顆粒含量。文中D類土與原狀土中粒徑大于P5的顆粒含量為70%左右，土體力學(xué)性能較好，能夠用于路基填筑施工中。

（3）天然狀態(tài)下，軟巖粗粒土內(nèi)部含有巨粒土（＞60 mm）和細(xì)粒土（＜2 mm），會(huì)在一定程度上影響填料壓實(shí)度，從而顯著降低土體承載性能。所以，工程實(shí)踐中，對(duì)于含有粗、細(xì)粒土的填料，如何科學(xué)確定其含量限值及其對(duì)填料力學(xué)性能的影響，有待進(jìn)行更加深入的探究。

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