山西黄土CBR 的影响分析

吴喜荣， 申俊敏

(山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原 030006)

0 引言

加州承载比(CBR)，是起源于美国加尼福尼亚州的一种以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征其承载能力的试验方法［1-2］。许多学者对于CBR 的影响因素，以及与含水量和压实度的关系做过很多的研究，哪个影响因素对于CBR 值的大小起着关键的作用，这方面的研究还比较少，对于相同名称的土质，含水量和压实度对于CBR 值的影响规律是否一致，在不同压实度条件下，含水量与CBR 具有怎样的相关关系，这些问题有待进一步的研究。通过室内试验研究，对上述问题开展部分研究。

1 影响因素及试验设计

1．1 土样的物理特性

在山西省的不同地区选取5 种黄土，按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)［3］的试验步骤和方法进行土样的物理指标试验。试验结果如表1。

表1 路基黄土物理性质指标表

5 个土样的颗粒主要集中在0．075 ～0．002 mm 之间，粉粒含量大于50%以上，粘粒含量很小。不均匀系数Cu＜5，粒径分布均匀，颗粒大小差别不大，曲率系数主要集中在0 ～1．5，较小粒径颗粒偏多，没有形成良好的级配。由于土的粒径分布曲线不能同时满足Cu＞5，Cc=1 ～3 的要求。因此它是以粉粒为主，含粘粒极少的级配不良土。

1．2 试验设计

根据已有研究结果表明，CBR 值的主要影响因素有压实度，含水量和土样的种类［4-6］。对5 种土样，采用重型击实方法，按照(3 层×98 次、3 层×75 次、3 层×50 次、3 层×30 次)的击实次数制备两组试件，含水量分别取最佳含水量，最佳含水量±2%含水量共3 至4 个水平的含水量，一组试件按照规范的试验步骤和方法进行CBR 值的测定，另一组试件不进行浸水，直接进行CBR 的试验。

2 浸水CBR 试验结果分析

2．1 试验结果分析

从图1 中可以看出，①5 种黄土土样在不同击实次数下的变化趋势大致相同，CBR 都是随着含水量的增大呈现先增大后减小的趋势;②5 种黄土土样都是随着击实次数越高，浸水CBR 值越大;③某一含水量下，无论是否饱水，这几种黄土的CBR 值均受压实度的影响，大体趋势是随着击实次数的增加，CBR 值增大。

图1 不同击实次数条件下浸水CBR 与含水量的相关关系

在最佳含水量的干测时，试样处于非饱和状态，CBR 值随压实度增大而增大，并且随着击实次数的增大，CBR 增大幅度变大;在最佳含水量的湿测，随着的压实度的增大，造成空隙水压力越大，空隙也越大，土体的凝聚力、内摩擦力减小，CBR 值增加幅度降低，并且当含水量继续增大时，在同一含水量条件下，浸水CBR 不再随着压实度的增大而增大，反而有减小的趋势，当含水量超过一定值时，无论压实度如何提高，CBR 值都很难得到提高。

另外，虽然制备含水量低于最佳含水量的压实土样在浸水饱和前的强度很高，但浸水饱和后的强度却大大降低，愈干的土样，强度降低的幅度愈大，即强度稳定性愈差。而在最佳含水量时被压实的土样，浸水饱和后的强度最高，且浸水前后的强度差异不大，强度稳定性最好。由此可见，要提高路基的强度就要控制土基的压实度，而碾压时的含水量是影响压实度和浸水后路基强度的重要因素，即土基强度和压实度及含水量有密切的相关性。

2．2 不同击实次数下的浸水CBR 与含水量的相关关系

对上述图1 中的4 种不同击实次数下的试验结果进行回归分析并建立表2 ～表6 的关系式。

从表2 ～表6 中5 个土样的相关关系式可以看出，随着击实次数的增大，浸水CBR 与含水量的相关关系式呈现相同的规律性，关系式的一次项系数、二次项系数和常数项的绝对值都是随着击实次数的增大呈现逐渐增长的趋势。

从上述规律性可以看出，浸水CBR 与含水量的关系曲线呈现开口向下的抛物线形式。并且随着击实次数的增加，抛物线的开口越小，说明随着击实次数的增加，浸水CBR 与含水量的关系曲线越陡，浸水CBR 值在含水量的两侧附近随着含水量的增大，变化趋势越明显。

3 未浸水CBR 试验结果分析

3．1 试验结果分析

从图2 可以看出，不浸水CBR 在不同压实度条件下，变化规律基本一致:

(1)5 个土样的不浸水CBR 都是随着含水量的增大而逐渐减小。对于这个变化规律的解释，一般是以土的水膜理论来说明，该理论认为土样中的水呈两种状态，一种是符合液体规律的自由水，另一种是包围土粒周围的结合水。土样在小于最佳含水量下压实时，土样中的水以结合水的形式包围与土粒周围，由于土粒表面电子力的作用，使这层结合水膜具有类似固体的性质，即具有特殊的粘滞性、抗剪性和弹性，构成土粒间相互位移的阻力。这层水膜越薄这种特性就会越明显，随着水膜的增厚土粒表面电子力的控制作用减弱，从而使这些性能迅速丧失，因此，相同压实度下，随着含水量的增加水膜厚度的增厚，路基强度不浸水CBR 在变小。而当土样在大于最佳含水量下压实时土样逐渐饱和，随着自由水的增多束缚水的电子力作用逐渐消失，土粒间的粘结力和摩擦力逐渐消失，使土粒间产生润滑作用，同时土粒位移的阻力大为减小，导致土粒间小范围内产生相互错动，使强度降低。

(2)5 个土样的不浸水CBR 是随着击实次数的增大而增大。对这一现象的解释是，当含水量一定时，随着压实度的增加密实度增加，颗粒间的粘聚力、摩擦力都在增加，因此强度在增大。

图2 不同击实次数条件下不浸水CBR 与含水量的相关关系

3．2 不同击实次数下的不浸水CBR 与含水量的相关关系

对上述图2 中的4 种不同击实次数下的试验结果进行回归分析并建立表7 ～表11 的关系式。

从表7 ～表11 中5 个土样相关关系式可以看出，由于试验误差或者操作等原因导致C 土样、A 土样和E 土样在30 次击实次数条件下规律性反常以外，其它数据的规律性都比较明显，规律性同上述浸水CBR 与含水量的规律性相同。

从上述浸水和未浸水CBR 试验结果表明，在相同的试验条件下，饱水96 h 和未饱水试件的CBR 值有很大差异，尤其是在最佳含水量的干测，未浸水试件的CBR 值比最佳含水量条件下的CBR 值更大或者相差不大，而饱水96 h 试件的CBR 值比最佳含水量条件下的CBR 值降低很多，因此，水浸泡试验对CBR 值有着非常重要的影响。路基在不利情况下，路基土的含水量将大于最佳含水量，都会带来填料CBR 值的急剧下降，路基的强度和刚度也随之降低。

表2 A 土样浸水CBR 与含水量的相关关系式

表3 B 土样浸水CBR 与含水量的相关关系式

表4 C 土样浸水CBR 与含水量的相关关系式

表5 D 土样浸水CBR 与含水量的相关关系式

表6 E 土样浸水CBR 与含水量的相关关系式

表7 A 土样不浸水CBR 与含水量的相关关系式

表8 B 土样不浸水CBR 与含水量的相关关系式

表9 C 土样不浸水CBR 与含水量的相关关系式

表10 D 土样不浸水CBR 与含水量的相关关系式

表11 E 土样不浸水CBR 与含水量的相关关系式

4 结论

(1)浸水CBR 与含水量的关系曲线呈现开口向下的抛物线形式，并且随着击实次数的增加，抛物线的开口越小，说明随着击实次数的增加，浸水CBR 与含水量的关系曲线越陡，浸水CBR 值在含水量的两侧附近随着含水量的增大，变化趋势越明显。

(2)影响CBR 的3 个因素中，最为敏感的因素是含水量，在最佳含水量条件下的CBR 值最大。在最佳含水量条件下，试件的CBR 值是随着击实次数的增加而增大。

(3)同一地区，不同种黄土种类，在相同的试验条件下，CBR 存在的较大的差异，表明黄土的结构和性质与CBR 值密切相关。

(4)低液限粉土的粘聚性很差，只有借助土壤中孔隙水的润滑作用，才能达到压实目的，另外，其保水性不好，在施工过程中易失水，压实出现“返松”，施工可以在压实时适当提高含水量予以弥补。

［1］辛强，王选仓，穆柯．干旱半干旱地区路基CBR 值标准的修订［J］．长安大学学报:自然科学版，2011，33(2):25-28．

［2］邓露，李向东．路基土的CBR 强度与压实度关系的试验研究［J］． 华中科技大学学报:城市科学版，2005，22(5):109-112．

［3］中华人民共和国交通部．JTJ051—93 公路土工试验规程［S］．北京:人民交通出版社，1993．

［4］魏玉峰，胡长智，李有．CBR 试验作用机理与影响因素研究［J］．华东公路，2006(10):73-75．

［5］陈柏年，朱风艳，韩勤．CBR 试验机理研究及影响因素的分析［J］．交通标准化，2001(1):28-30．

［6］庞巍，杨广庆，吕鹏．影响公路路基填料CBR 试验值的因素分析［J］．石家庄铁道学院学报，2006，19(4):26-29．