程 濤,洪寶寧,程江濤

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京210098;3.安徽省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,安徽合肥 211167)

降低壓實度標(biāo)準(zhǔn)的高液限土填筑方案

程 濤1,2,洪寶寧1,2,程江濤3

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京210098;3.安徽省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,安徽合肥 211167)

針對高液限土填筑時質(zhì)量難以達(dá)到規(guī)范要求的問題,以實際工程高液限土直接填筑方案為例,通過碾壓試驗、晾曬試驗、承載比試驗、壓縮試驗和快剪試驗研究了壓實度對高液限土各項物理力學(xué)性能的影響,分析了不同壓實度下高液限土的沉降變形情況。結(jié)果表明:在相同條件下,含水率對壓實度影響最大,碾壓次數(shù)次之,高液限土類別最小;壓實度的降低對土體的承載比、壓縮性能、黏聚力和摩擦角均產(chǎn)生不利影響;通過自密沉降量嚴(yán)格控制不同填土高度時的填筑厚度,高液限土采取包蓋法處理及降低壓實度標(biāo)準(zhǔn)至88%后的直接填筑方案是可行的。

高液限土;壓實度;自密沉降量;承載比;碾壓遍數(shù)

廣東云羅高速公路沿線分布著大量的高液限土,其具有弱膨脹性、裂隙性和崩解性等特點,若不進行處理就直接填筑會造成承載力小、穩(wěn)定性差、透水性差、不易壓實、干時堅硬不易挖掘、毛細(xì)現(xiàn)象顯著以及浸水后能較長時間保持水分等問題[1]。將高液限土全部作棄方處理顯然不經(jīng)濟,且對環(huán)境影響較大,不符合基本國策;而摻料改良勢必增加成本,且填筑的效果難以保證。因此有必要對直接填筑的高液限土的物理力學(xué)性質(zhì)進行研究,通過必要的工程措施和施工工藝來確保其滿足工程的長期耐久性及水穩(wěn)定性,從而保證工程的質(zhì)量[2]。

JTG F10—2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[3]規(guī)定高液限土可以直接填筑路基。當(dāng)采用高液限土直接填筑路基時,應(yīng)按照設(shè)計要求在高液限土下設(shè)置0.4 m厚砂礫墊層及0.4 m厚亞黏土或黏土封層,在其上方設(shè)置1.5 m厚粗粒土封層,并設(shè)1.0 m厚亞黏土或黏土包邊。包邊土和高液限土同時填筑、壓實。研究表明:在汽車荷載作用下,路基表層受行車作用最大,隨著路基深度增加,受力急劇減小,一般影響深度為1.0～2.0 m,重載汽車的影響深度可達(dá)2.9 m,故路基主要承受自身重力。由于高速公路建成后重載車輛較多,汽車荷載的影響深度按3.0 m來考慮。因此高液限土應(yīng)直接填筑在路基表面3.0 m以下的下路堤層。

本文通過現(xiàn)場碾壓試驗、晾曬試驗、承載比試驗、壓縮試驗、快剪試驗、碾壓試驗[4]研究了高液限土的基本物理力學(xué)性質(zhì)及工程性質(zhì),并通過積分法分析了填筑后的總沉降量隨填土高度及壓縮層厚度的變化關(guān)系,以更好地預(yù)測施工后土體的不均勻變形情況,從而為高液限土的設(shè)計及施工提供借鑒作用。

1 試驗土樣

選取廣東云羅高速公路沿線多組土樣進行室內(nèi)液塑限試驗,根據(jù)細(xì)顆粒含量和塑性指數(shù)是否大于0.73wL-20)將土樣進行分類[5]。本文將高液限黏土表示為G1,高液限粉土表示為G2。

表1為高液限土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),圖1為高液限土顆粒級配分布情況。從表1及圖1中可以看出,高液限土具有細(xì)顆粒含量高、液限大、承載比小、壓縮系數(shù)大等特點,且G1的細(xì)顆粒含量、液限、塑性指數(shù)、承載比、壓縮系數(shù)、最大干密度均大于G2,而對于最優(yōu)含水率wopt和塑限,情況則相反。

圖1 高液限土顆粒級配分布

圖2 壓實度與碾壓次數(shù)的關(guān)系

表1 高液限土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗研究

2.1 現(xiàn)場碾壓試驗

根據(jù)就近取材的原則,現(xiàn)場碾壓試驗土料分別為云羅高速K27+300和K27+900處的G1和G2。由于碾壓時的含水率對碾壓效果影響較大,試驗時按含水率分別為wopt、wopt+4%、wopt+8%制備3組平行試驗段;碾壓機械采用22 t振動壓路機;每層松鋪厚度取為35 cm。碾壓工序為:靜壓1遍—振2遍—靜壓n遍—檢測壓實度 (共碾壓9遍)。分別在碾壓4、5、6、7、8、9遍后測定試驗段的壓實度[6],圖2為試驗段壓實度與碾壓次數(shù)的關(guān)系。

由圖2可知:當(dāng)含水率分別為 wopt、wopt+4%、wopt+8%時,高液限土所對應(yīng)的最優(yōu)碾壓次數(shù)分別為8、7、5,而 G1的最大壓實度分別為 93.6%、91.9%、90.1%;隨著碾壓次數(shù)的增加,壓實度先大幅增大,后小幅減小,存在一個最大碾壓次數(shù),且最優(yōu)碾壓次數(shù)隨含水率的增加而逐漸減小,而最大壓實度則隨含水率的增大而減小;在相同的碾壓次數(shù)下,G2的壓實度一般大于G1[7]。由此可見,碾壓次數(shù)、含水率、高液限土類別均影響壓實度,在條件相同的情況下,含水率對壓實度影響最大,碾壓次數(shù)次之,高液限土類別影響最小。JTG F10—2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[3]規(guī)定路面1.5 m以下的壓實度為93%,即使在最佳碾壓次數(shù)時,G1的壓實度均不能滿足規(guī)范的最低要求;而G2在最優(yōu)碾壓次數(shù)時的壓實度雖能滿足要求,但其水穩(wěn)定性較差,一般不能滿足長期穩(wěn)定性要求。因此,通過大量的專家討論,確定高液限土直接填筑時的壓實度控制標(biāo)準(zhǔn)為88%,考慮到其水穩(wěn)定性較差的特點,必須采取必要的工程措施及施工工藝。

2.2 現(xiàn)場晾曬試驗

大量的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明廣東地區(qū)高液限土的天然含水率普遍比最優(yōu)含水率高10%以上,由于受現(xiàn)場條件限制,一般采取晾曬的辦法來降低土體的含水率。廣東地區(qū)地處亞熱帶地區(qū),冬季天氣干燥、降水少,但溫度較夏季低,而夏季雖氣溫高,但降水多[8],因此通過晾曬的方法很難在短時間內(nèi)將高液限土含水率降到最優(yōu)含水率的±2%范圍內(nèi)。圖3為2011年7月高液限土的含水率與晾曬天數(shù)的關(guān)系。

由圖3可知,G1和G2在晾曬9 d以后土的平均含水率分別為25.2%、24.5%,仍高于最優(yōu)含水率5%,且易出現(xiàn)含水率反復(fù)。可見,采用晾曬的方法降低路基填料的含水率不理想。從施工的角度考慮,此法將大大延長施工工期,若期間遇到陰雨天氣則更不理想。且本地區(qū)大部分高液限土塑限高于最優(yōu)含水率,土體處于堅硬狀態(tài),難以壓實;若加大壓實功,又有可能過壓。因此,從施工實際及經(jīng)濟上考慮有必要對高液限土降低壓實度標(biāo)準(zhǔn)填筑。

2.3 承載比試驗

承載比試驗是1928年美國加州公路局在進行瀝青路面破壞調(diào)查時,為比較材料的強度而提出的,也是用以評價填料路用性能的最基本試驗之一,其指標(biāo)也是填料能否用作路基填料的重要評判指標(biāo)之一[9]。因此,降低高液限土壓實度填筑,必須先測定降低壓實度后的高液限土承載比。圖4為承載比與壓實度的關(guān)系。由圖4可見,承載比隨壓實度的增大而增大,但應(yīng)用于下路堤填筑時,承載比大于或等于3%即可。因此,單從承載比角度看,只要壓實度大于88%,G2的承載比就能滿足規(guī)范對下路堤的質(zhì)量要求。但在相同壓實度時不同類型土的承載比相差很大,G2的承載比明顯大于G1,且G1的承載比一般小于3%,不能滿足規(guī)范要求[10]。

圖3 含水率與晾曬時間的關(guān)系

圖4 承載比與壓實度的關(guān)系

2.4 壓縮試驗

壓縮系數(shù)是表征土體壓縮性的重要指標(biāo)之一,不同壓實度時壓縮系數(shù)可在一定程度上反映土體壓縮性能,進而可以分析高液限土路堤的沉降變形情況,從而為降低壓實度標(biāo)準(zhǔn)的高液限土填筑提供理論依據(jù)[11]。圖5為壓縮系數(shù)與壓實度的關(guān)系。從圖5可見,壓實度越大,壓縮系數(shù)越小,且減小的幅度越大。當(dāng)壓實度從88%增加到90%時,G1的壓縮系數(shù)從0.391減小到0.358,減小幅度相對較小;而當(dāng)壓實度從90%增加到93%時,G1的壓縮系數(shù)從0.279減小到0.182時,減小的幅度非常大。而G1的壓縮系數(shù)明顯大于G2,因此填筑后的G1路堤沉降量將大于G2。因而提高高液限土的壓實度會明顯減小土體的壓縮系數(shù),可減少不均勻沉降對路堤產(chǎn)生的不利影響。

2.5 抗剪試驗

圖5 壓縮系數(shù)與壓實度的關(guān)系

抗剪強度是土的重要力學(xué)性質(zhì)之一,可以通過不同壓實度時的抗剪強度試驗分析路堤的穩(wěn)定性,進而為降低壓實度標(biāo)準(zhǔn)的高液限土填筑提供依據(jù)。本文通過直接剪切試驗分析土的抗剪強度。圖6為黏聚力壓實度的關(guān)系。從圖6中可以看出,該地區(qū)高液限土的黏聚力隨壓實度的減小而逐漸減小,但即使壓實度減小到88%時,G2的黏聚力仍大于28kPa,使得土體獲得相對高的抗剪強度;G1的黏聚力一般都大于G2,因為G1中親水性礦物成分較多,且細(xì)顆粒含量較大,造成黏性土顆粒間的膠結(jié)力相對較大[11]。

圖6 黏聚力與壓實度的關(guān)系

圖7為摩擦角與壓實度的關(guān)系。從圖7中可以看出,隨著壓實度的減小,摩擦角逐漸減小,但即使壓實度減小到88%時,G1的摩擦角仍達(dá)到15.3°,能有效阻止邊坡產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。G1的摩擦角小于G2,因為對于細(xì)顆粒含量較高的G1,細(xì)顆粒通過膠結(jié)作用堆積在一起,并附著在粗顆粒周圍,當(dāng)發(fā)生剪切位移時,黏性土顆粒的潤滑作用得到發(fā)揮,因此G1的摩擦力較G2要小。因此高液限土經(jīng)包蓋法處理后直接填筑于路面3.0 m以下的下路堤,按88%的壓實度標(biāo)準(zhǔn)控制的抗剪強度能滿足路堤長期穩(wěn)定性要求。

圖7 摩擦角與壓實度的關(guān)系

表3 填土自密沉降量計算結(jié)果

表2 填土自密沉降量計算工況

3 沉降分析

為分析壓實度降低后路堤的自密沉降量情況,本文以G1為試驗土樣,基于固結(jié)試驗中4種壓實度(88%、90%、93%和96%)的壓縮系數(shù),采用積分計算法計算不同填土高度、壓縮層厚度、壓實度時的路堤填土自密沉降量。根據(jù)高速公路一般路段工后沉降量不大于30 cm的規(guī)定來控制不同填土高度時的壓縮層厚度,從而確定高液限土的填筑厚度。

為便于計算,將壓縮層上部荷載等效為車輛荷載(25kPa)+1m寬路面結(jié)構(gòu)層荷載(20 kPa)+上層路堤荷載(20H1,H1為壓縮層上部土體的厚度),記為p等效。根據(jù)條形基底豎向均布荷載作用模型,路面寬24.5m,路堤兩側(cè)坡比為1∶1.5。在計算壓縮層內(nèi)沿深度z取微小斷面dz,根據(jù)力的平衡原理,微小斷面上部外荷載pn=24.5p等效/(24.5+2z),斷面上部土體自重荷載σ=10ρz。斷面所受總荷載p=pn+σ。根據(jù)實際情況,本次計算路堤填筑高度分別為12 m、10 m、8 m、6 m,壓縮層厚度分別為10 m、8 m、6 m、4 m,有10種不同工況,見表2。

根據(jù)地基分層總和法的計算原理,路堤自密沉降量S的計算公式為

式中:e為土粒初始孔隙比;av為壓縮系數(shù),MPa-1; ρ為土體密度,kg/m3;h為計算壓縮層厚度,m。

不同工況下、壓實度分別為88%、90%、93%、96%時填土自密沉降量計算結(jié)果見表3。由表3可知,在各種工況條件下,隨著壓實度的增加,土體的自密沉降量逐漸減小,且G2的自密沉降量明顯小于G1。且填土高度及壓縮層厚度對沉降量均有較大影響。

對于G1,在工況3條件下,壓實度為90%時G1的自密沉降量為20.15 cm,壓實度為93%時的自密沉降量為16.40 cm,考慮下層路基的變形量,自密沉降量將超過30 cm,因此在填土高度為12m時,G1的填筑厚度應(yīng)小于4 m;在工況6條件下,壓實度為90%時G1的自密沉降量為16.70 cm,因此在填土高度為10 m時,G1填筑厚度應(yīng)小于6 m;對于填筑高度小于8 m的路堤,G1采取必要的工程措施填筑在3.0 m以下的下路堤即可。

對于G2,在工況2條件下,壓實度為90%時G2的自密沉降量為20.30 cm,壓實度為93%時的自密沉降量為16.07 cm,考慮上層填土自密沉降量,自密沉降量將超過30 cm,因此在填土高度為12 m時,G2填筑厚度應(yīng)小于6 m;對于填筑高度小于10 m的路堤,G2采取必要的工程措施填筑在3.0m以下的下路堤即可。根據(jù)云羅高速實際工程,高液限土的填筑壓實度標(biāo)準(zhǔn)為88%,G1填筑于云羅高速K27+100處,填土高度為9.3m,其中G1填筑厚度為2.8 m;而G2填筑于云羅高速K28+200處,填土高度為10.4 m,其中G2填筑厚度為2.8 m;采取河海大學(xué)自主研發(fā)的分層自密沉降儀開展觀測工作,其填土累計自密沉降量與時間的關(guān)系如圖8所示。

圖8 填土累計自密沉降量與時間的關(guān)系

由圖8可知,在不同時間段內(nèi)填土累計自密沉降量隨時間的增加而增大的幅度不同,均存在明顯拐點,其拐點時間為180 d;當(dāng)固結(jié)時間小于該拐點時,累計自密沉降量增加幅度明顯;大于該拐點時,累計自密沉降量增加幅度較小,且G1和G2分別趨于16 cm和19 cm穩(wěn)定值。故填土在施工期的自密沉降量已基本完成,施工后自密沉降量滿足規(guī)范對高速公路一般路段的要求。

基于上述分析,通過自密沉降量嚴(yán)格控制不同填土高度時的填筑厚度,降低壓實度標(biāo)準(zhǔn)的高液限土填筑方案是可行的,但考慮其水敏感性較強,應(yīng)采取包蓋法的施工措施,并兼顧其各項物理力學(xué)性能。

4 結(jié) 論

a.隨著碾壓次數(shù)的增加,壓實度并不是一直增大,而是存在一個最大值,所對應(yīng)的最優(yōu)碾壓次數(shù)隨含水率的增大而逐漸減小,且壓實度不能滿足要求。

b.隨著含水率的增大,土體的最大壓實度逐漸減小,而廣東地區(qū)很難通過晾曬辦法來降低土體的含水率,且壓實度一般均小于93%,不能滿足規(guī)范要求,故高液限土填筑時的壓實度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)降低到88%。

c.碾壓次數(shù)、含水率、高液限土類別均影響填筑時高液限土壓實度,在條件相同的情況下,含水率對壓實度影響最大,碾壓次數(shù)次之,高液限土類別最小。

d.壓實度的降低對填筑時高液限土的承載比、壓縮性能、黏聚力、摩擦角均產(chǎn)生不利影響,但抗剪強度能滿足路堤長期穩(wěn)定性要求。

e.通過自密沉降量嚴(yán)格控制不同填土高度時的填筑厚度,高液限土采取包蓋法處理及降低壓實度標(biāo)準(zhǔn)后直接填筑的方案是可行的,能滿足長期穩(wěn)定性及變形要求,可以推廣到實際工程的施工與設(shè)計中,對合理利用當(dāng)?shù)氐募扔匈Y源具有巨大的實用價值。

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Filling scheme of high liquid limit soil by reducing standard of compaction degree//

CHENG Tao1,2,HONG Baoning1,2,CHENG Jiangtao3
(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geotechnical and Embankment Engineer, Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Geotechnical Research Institute,Hohai University,Nanjing 210098,China; 3.Anhui Bureau of Quality and Technical Hefei,211167,China)

It is difficult to meet the specification requirements of the high liquid limit soil filling quality.Based on the background of direct filling project scheme of high limit liquid soil,a series of indoor and field tests(i.e.,compaction test,fast drying test,CBR test,compression test,and shear test)was carried out and the influence of compaction degree on various physical and mechanical properties of high liquid limit soil was studied.Additionally,the settlement deformation of high liquid limit soil under different compaction degree was analyzed.The main influence factors of compaction degree are water content,compaction times and the type of high liquid limit soil,the reduce of compaction degree caused the adverse effect on the value of CBR,compression performance,cohesive force and friction angle.After strictly control the thickness under the different filling height,adopt the method of tundish ladle and reduce the standard of compaction degree to 88%,directly filling scheme of high liquid limit soil is feasible.

high liquid limit soil;compaction degree;settlement by weight;CBR;compaction times

TU431

:A

:1006-7647(2014)04-0070-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.04.015

2013-0530 編輯:周紅梅)

國家自然科學(xué)基金(51079052);廣東省交通廳基金(200903005)

程濤(1983—),男,安徽桐城人,博士研究生,主要從事道路工程與邊坡穩(wěn)定研究。E-mail:cgto1983@sina.com