封攀新 孔盼峰
(1.中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院,天津 300300; 2.鄭州弘銳工程技術(shù)咨詢有限公司,河南鄭州 450000)
隨著我國(guó)城市化進(jìn)程腳步的加快,硬化路面在城市建設(shè)中所占的比重不斷增加,極大地改善了人們的出行環(huán)境。但是,硬化路面阻斷了地下土壤和地表之間的水汽交換,使得熱量交換、濕度交換都很難進(jìn)行,這樣不僅加重了城市排水系統(tǒng)的負(fù)荷,容易形成地表徑流、污染環(huán)境,而且人們的出行都會(huì)遭受涉水和濺水的困擾。為了減少上述問(wèn)題的危害,透水路面在世界各國(guó)都得到了廣泛的應(yīng)用,例如美國(guó)聯(lián)鎖混凝土道面研究所采用小砌塊聯(lián)鎖方式,將雨水通過(guò)塊體接縫下滲,從而減少道面的積水,這種技術(shù)已經(jīng)在美國(guó)華盛頓、中國(guó)香港機(jī)場(chǎng)的機(jī)坪建設(shè)中得到應(yīng)用,且獲得了較好效果。就目前的透水路面而言,面層的研究方面比較多,在路基方面的研究?jī)?nèi)容比較少[1],嚴(yán)重制約著透水路面的進(jìn)一步發(fā)展。因此,本文基于兼有透水性能和一定承載強(qiáng)度的透水路面,重點(diǎn)研究適用于該路面結(jié)構(gòu)的路基,使其在滿足透水性能的條件下也具有一定的強(qiáng)度。
CBR是評(píng)價(jià)土質(zhì)路基及路面材料的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性的指標(biāo)[2]。目前關(guān)于CBR試驗(yàn)方法和取值都進(jìn)行了一定程度上的研究[3-5],但是對(duì)于砂土路基 CBR的影響因素的研究還不夠深入[6,7]。
本文通過(guò)室內(nèi)裝置對(duì)砂土CBR值進(jìn)行試驗(yàn)分析,找出影響CBR取值的因素及其敏感程度,為透水路面路基設(shè)計(jì)和施工提供有價(jià)值的依據(jù)。
原材料的物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1,細(xì)砂和粘土的顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。
細(xì)砂的擊實(shí)曲線如圖2所示,并不像粘土的擊實(shí)曲線那樣是一條單峰曲線(干密度隨著含水率的增大呈現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律),而是一條雙峰曲線,干密度隨著含水率的逐漸增大,呈現(xiàn)出先減小,后增大,再減小的規(guī)律。
表1 原材料的物理性質(zhì)指標(biāo)表
對(duì)于細(xì)砂的擊實(shí)曲線主要是細(xì)砂本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性質(zhì)所決定的。當(dāng)含水率接近于零時(shí),細(xì)砂顆粒易于移動(dòng),幾乎沒(méi)有粘聚力,具有較大的干密度;當(dāng)含水率在0%~3%時(shí),細(xì)砂顆粒表面的水膜產(chǎn)生假粘聚力,擊實(shí)過(guò)程中的一部分擊實(shí)能量消耗在克服這種假粘聚力做功上,所以會(huì)出現(xiàn)最低的干密度;隨著含水率的增加(<12.2%),細(xì)砂顆粒表面水膜厚度不斷增加,間距逐漸增加,擊實(shí)作用容易克服粒間引力而使其相互位移,趨于密實(shí);當(dāng)含水率增加至12.2%時(shí),細(xì)砂接近飽和,由于細(xì)砂具有良好的透水性能,在擊實(shí)作用下,水分向著孔隙方向流動(dòng),帶著細(xì)砂顆粒向孔隙方向移動(dòng),使得細(xì)砂定向排列和分布,細(xì)砂逐漸變得密實(shí)起來(lái);當(dāng)含水率超過(guò)12.2%時(shí),擊實(shí)僅能導(dǎo)致細(xì)砂顆粒更高程度的定向排列,而其體積幾乎不發(fā)生變化,所以其干密度呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。
圖1 細(xì)砂和粘土的顆粒級(jí)配曲線
圖2 細(xì)砂和粘土的擊實(shí)曲線
采用正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法[8],選取含砂率、壓實(shí)度、浸水時(shí)間作為影響砂土CBR的三個(gè)主要因素。正交分析采用四因素三水平,選擇L9(34)的正交試驗(yàn)方案,其方案布置選取表和影響因素水平取值表如表2和表3所示。
表2 砂土CBR影響因素選取表
表3 砂土CBR影響因素水平取值表
將細(xì)砂和粘土分別在烘箱里面進(jìn)行烘干處理,使其干燥不含水分。依據(jù)表1擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果可知細(xì)砂的最大干密度為ρd,max=1.766 g/cm3,最佳含水率為 w0=12.2%,粘土的最大干密度 ρd,max=1.843 g/cm3,最佳含水率為w0=14.3%。用式(1)和式(2)計(jì)算含砂量為ωi時(shí)砂土的等效最大干密度和等效最佳含水率。
計(jì)算出砂土的等效最大干密度和等效最佳含水率后,需要在此最大干密度和最佳含水率的條件下制備試樣。為了消除試件擊實(shí)過(guò)程中的人為操作和讀數(shù)帶來(lái)的壓實(shí)度誤差,本文采用靜力預(yù)壓成型法,以達(dá)到預(yù)定的壓實(shí)度。
先根據(jù)試筒的體積、預(yù)定的壓實(shí)度以及砂土的等效最大干密度和等效最佳含水率,按照式(3)求出試件所需的砂土質(zhì)量,然后采用壓力機(jī)把稱量好的砂土準(zhǔn)確壓實(shí)到試筒的體積為止。在制備試件時(shí)采取基層抗壓強(qiáng)度制件方法中規(guī)定的分層搗實(shí),模具上下面預(yù)留2 cm~3 cm的高度,再壓實(shí)成型,以保證所制試件的壓實(shí)均勻性(見(jiàn)圖3,圖4)。
圖3 靜力預(yù)壓成型
圖4 CBR貫入試驗(yàn)
其中,m試樣為試驗(yàn)中試筒所裝試樣的質(zhì)量;V容器為試筒的體積;為砂土的等效最大干密度;為砂土的等效最優(yōu)含水率;K為砂土的壓實(shí)度??紤]到試樣的損失和預(yù)留6 mm的高度,最終的試樣質(zhì)量須乘以1.2的綜合系數(shù)。
將采用靜力預(yù)壓法制備好的試樣取出,不需要浸泡的直接可以進(jìn)行貫入試驗(yàn)。需要進(jìn)行浸泡處理的,在試樣制成后,試件頂面放一張好濾紙,在套筒上放置4塊荷載板。放入筒內(nèi),浸泡2 d(或4 d),記錄好浸泡開(kāi)始的時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。
CBR試驗(yàn)貫入過(guò)程是試件中的部分砂土與整體之間產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)在剪切面上所產(chǎn)生的抗剪切力的表現(xiàn),它反映出的強(qiáng)度就是土體的局部抗剪強(qiáng)度。CBR(承載比)值一般采用貫入量為2.5 mm時(shí)的單位壓力與標(biāo)準(zhǔn)碎石壓入相同貫入量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)荷載強(qiáng)度的比值,同時(shí)計(jì)算貫入量為5 mm時(shí)的承載比,若大于2.5 mm時(shí)的承載比則重做試驗(yàn),若結(jié)果仍然如此則應(yīng)采用5 mm時(shí)的承載比[9]。
直觀分析方法就是通過(guò)分析表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù),判別含砂率、壓實(shí)度、浸水時(shí)間三個(gè)因素的水平變動(dòng)對(duì)考核指標(biāo)CBR值的影響程度。其計(jì)算方法是每一個(gè)因素在每個(gè)水平下的所有CBR值進(jìn)行相加,求出其算術(shù)平均值,然后比較這些值兩兩之差的絕對(duì)值的最大值,稱為極差R。極差越大表示該列因素的水平是對(duì)CBR值影響最大的因素。因此對(duì)CBR值各影響因素的重要性有直觀上的認(rèn)識(shí),并通過(guò)進(jìn)一步分析影響因素和考核指標(biāo)的關(guān)系,可以確認(rèn)最佳組合。
表4 試驗(yàn)結(jié)果直觀分析表
從表4中可以看到,各因素影響程度大小關(guān)系為浸水時(shí)間>壓實(shí)度>含砂率,說(shuō)明浸水時(shí)間和壓實(shí)度是影響CBR值的主要因素,含砂率是次要因素,而且還可以得到最優(yōu)組合為A3B3C1。但由于該組合只是統(tǒng)計(jì)的結(jié)論并未做試驗(yàn),需要進(jìn)一步做試驗(yàn)驗(yàn)證。做A3B3C1方案下的 CBR試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果為29.3%,大于A2B3C1實(shí)驗(yàn)方案中的22.1%,證明該組合的最優(yōu)性。
以每個(gè)因素的水平為橫坐標(biāo),以考核指標(biāo)的CBR的平均值為縱坐標(biāo),繪制各個(gè)因素的趨勢(shì)圖,見(jiàn)圖5。
圖5 CBR各影響因素影響趨勢(shì)圖
從圖5中可以看出,CBR值隨著含砂率和壓實(shí)度的增大而呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),隨著浸水時(shí)間的增加而明顯的下降,且前兩天下降的幅度明顯大于后兩天,從后兩天的下降幅度緩慢可以預(yù)測(cè),4 d以后的浸水對(duì)CBR的影響程度將會(huì)變得很小,因?yàn)樯巴烈呀?jīng)達(dá)到了飽水狀態(tài)。
方差反映了CBR試驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng)特征,方差大小反映某因素影響對(duì)CBR均值的偏離程度,數(shù)值越大,表明該因素水平的微小變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致CBR指標(biāo)值的較大波動(dòng)。因此,方差大的是主要因素,方差小的是次要因素。方差分析可以評(píng)價(jià)出重要的影響因素,并且能夠給出影響大小的順序,為確定進(jìn)一步的試驗(yàn)方向提供了可靠的依據(jù)。
表5 試驗(yàn)結(jié)果方差分析
從表5中可以看到,在所考察的三個(gè)因素中,F(xiàn)A=1.75<F0.10(2,2)=9 影響程度很小,F(xiàn)0.05(2,2)=19 < FB=19.1 < F0.01(2,2)=99 影響效果顯著,F(xiàn)0.05(2,2)=19 < FC=80.95 < F0.01(2,2)=99 影響效果非常顯著,所以其影響大小的順序?yàn)榻畷r(shí)間>壓實(shí)度>含砂率。所得結(jié)果與直觀分析一致,符合工程實(shí)際狀況。
1)粘土擊實(shí)曲線是一個(gè)單峰值曲線,細(xì)砂的擊實(shí)曲線是一個(gè)雙峰值曲線,且存在最大干密度和最優(yōu)含水率。
2)影響CBR值的三個(gè)主要因素中,浸水時(shí)間是最主要因素,壓實(shí)度次之,含砂率的影響程度最小。就本試驗(yàn)條件下,含砂率為90%、壓實(shí)度為99%、浸水時(shí)間為0 d的CBR最大,是最優(yōu)組合,CBR 值為29.3%。
3)砂土的CBR值隨著含砂率的增加而增加,但是其增加的幅度較小;隨著壓實(shí)度的增加而不斷增加,壓實(shí)度越大,越可以承受外界不利的環(huán)境和荷載作用;隨著浸水時(shí)間的增加,砂土的CBR值顯著降低,前兩天降低的幅度明顯大于后兩天降低的幅度。
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