寒冷地区多孔玄武岩碎石土路基级配研究

樊旭英 张 星 刘玉骞 倪中田 孟晓风 叶倩华

(1.河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000;2.河北省沥青路面工程固废综合利用技术创新中心，河北 张家口 075000)

0 引 言

张家口地区地势西北高，东南低，属于温带大陆性季风气候，冬季漫长，严寒少雪，夏季炎热，降水集中，地面蒸发强烈，年均降水量476.2 mm，年均蒸发量1707.2 mm.并且拥有6个月的低温期，全年平均气温为4.9℃，最低气温可达-39.9℃，是典型的季节性冻土区[1-4].综上所述该地区土体一直因季节变化而受到干湿循环和冻融循环的影响.同时张家口拥有丰富的矿场资源，其中多孔玄武岩[5]分布最为广泛.研究多孔玄武岩碎石土作为路基填料的路用性能逐渐成为该地区高速公路发展的一大主题.

CBR值是一种能表征材料抵抗局部荷载压入变形能力并且可以评定土基或其它路面材料承载能力的强度指标[6].本文结合张家口市特有地理环境和气候条件，通过对多孔玄武岩碎石土这一粗颗粒土路基填料进行CBR室内试验，得出多孔玄武岩碎石土的力学性质，分析其在寒冷地区作为高速公路路基填料的适宜性和耐久性，总结最佳级配，使多孔玄武岩碎石土充分发挥作用，为今后寒冷地区的高速公路路基填料的应用和推广提供强有力的借鉴.

1 试验原材料

试验土样为取自张尚高速公路沿线的多孔玄武岩碎石土路基填料，其土体坚硬，压实性好，填筑密度大，透水性强，沉陷变形小，作为一种填方材料广泛应用于工程建设中.

1.1 拟定级配

工程上规定当砾类土或砂类土同时满足不均匀系数Cu≥5和曲率系数Cc=1～3两个条件时，则为级配良好的土.级配良好的粗粒土特点在于较粗颗粒间的空隙被较细的颗粒所充填，这一连锁充填效应，使土的密实度较好[8].在此理论基础上，以前人研究粗粒土级配为参考，并结合张家口多孔玄武岩碎石土各粒径区间百分含量，设置试验级配.本试验以Cu和Cc为约束点，在Cc一定时(为2)，设定Cu分别是：0-10、10-20、20-40，拟定6个级配，见表1.通过各试样颗粒粒径的百分比，画出试样的级配曲线，见图1.

表1 拟定级配

图1 拟定级配曲线

1.2 击实试验

根据《公路土工试验规程》[7](JTG E40-2020)，对不同级配填料进行重型11-1击实试验，制备各级配下不同含水率的试样，测得最大干密度和最佳含水率见表2.根据所得参数计算各试样的土水配比，进行击实试验，得到常规状态下、干湿循环和冻融循环条件下的试验所需试样.

表2 击实试验结果

2 级配选择

本试验设定3种Cu的区间，共有6个试样.通过路面材料强度综合测定仪(图2)对6个常规状态下的试样进行室内CBR实验，得到6个CBR值和P-L曲线，见图3.分析试验结果，选取较良级配，为下一步试验做好准备.

图2 路面材料强度综合测定仪

图3 常规状态下试样的P-L曲线

表3 试样颗粒含量分析

图4 常规状态下CBR试样

根据常规状态下试样的P-L曲线，如图3所示，在常规状态下各试样的贯入量随着单位压力的增加而增加，在相同的贯入量下，CBR值随着Cu增加而增大.依照前人研究[6]，以P5(粒径5mm以上颗粒占试样的百分含量)为研究点，通过各试验分析P5对土样力学性质的影响，结果表明：当P5≤30%时，粗粒土的压实特性决定于细粒料；当P5>30%时，粗颗粒开始起骨架作用，粗细料共同影响粗粒土压实特性.分析试样1、试样2各粒径含量，见表3，试样1和试样2的P5分别为20%、30%，所以试样1和试样2的压实特性取决于细颗粒.观察各级配试样在常规状态下进行贯入试验所得的试验结果，如图4，各试样经过贯入试验后，试样表面有明显的凹陷.试样1、试样2表面破坏严重，其试样成型主要依靠细颗粒，试样内部颗粒骨架不稳定，易受外力的影响而发生变化，从而导致路基不稳定.试样3、试样4、试样5、试样6含P5占试样30%以上，符合前人研究粗颗粒结构稳定理论，并且结合图8，四个试样表面无明显破坏，具有较好的完整性.综上所述，试样1和试样2不具有稳定结构，单位压力增加，表面破坏严重，试样完整性被破坏，对于试验来说，其试样的Cu不具备最佳级配的备选条件应剔除.试样3、试样4、试样5和试样6具有较稳定的结构和完整性，作为备选级配试样.本试验下阶段通过干湿循环和冻融循环模拟实际气候环境，进一步验证备选级配试样的稳定性、完整性、耐久性，发现和总结级配与不均匀系数之间的规律，为找出最佳级配提供科学依据.

3 最佳级配选择

通过对常规状态下试验结果分析，选试样3、试样4、试样5、试样6的Cu所对应的级配为备选级配.下阶段将试样于干湿循环和冻融循环条件下进行室内CBR试验，以期得到最佳级配.

3.1 干湿循环试验

在干湿循环过程中毛细作用使试样充分饱和，该方法可模拟干湿循环中的吸湿过程.通过检测试样浸水过程中质量的变化，来确定试样的饱和时间，检测试样放入烘箱后质量的变化，来确定脱水的时间，见图7、图8.根据试验结果，设置浸水时间为1d，烘干时间为2d.参照《土工试验规范》设置循环次数为0、1、2、3、5次，试样最后一次干湿循环后进行浸水4 d处理.

图5 浸水时间检测图 图6 烘干时间检测图

(1)0次干湿循环，击实初始含水率为Wopt→浸水4d，至此为0次干湿循环，使用路强仪测定试样的CBR值.

(2)1次干湿循环，击实初始含水率为Wopt→吸湿至饱和状态→干燥至脱水状态→浸水4d，1次干湿循环完成，使用路强仪测定试样的CBR值.

(3)2、3、5次干湿循环：循环重复1次干湿循环过程，直至试验所需的循环次数，使用路强仪测定试样的CBR值.

3.2 冻融循环试验

将击实试样编号并放置于冻融箱中，通过设置冻融箱的温度来控制试验条件，基于张家口气候条件设置冻结温度为-10℃，融化温度为15℃，在做贯入试验之前对进行冻融0次、1次、3次、7次的试样进行浸泡4d处理.

(1)1次冻融循环：常规状态下为最优含水率的试样→低温-10℃条件下24h→常温15℃条件下48h→1次冻融循环完成，浸泡4d后，测得试样的CBR值.

(2)3次冻融循环:0次冻融循环状态→低温-10℃条件下24h→常温15℃条件下48h→1次冻融循环完成，直至循环重复3次冻融循环过程，浸水4d，测得试样的CBR值.

(3)7次冻融循环:0次冻融循环状态→低温-10℃条件下24h→常温15℃条件下48h→1次冻融循环完成，直至循环重复7次冻融循环过程，浸水4d，测得试样的CBR值.

3.3 试验结果分析

备选级配试样经过干湿循环和冻融循环条件下的贯入试验，得到图8、图9.从图8、图9可以看出：在干湿循环和冻融循环条件下，各试样的CBR值和Cu之间的变化规律与常规状态下呈现的规律基本一致；各试样CBR值随着Cu增加而增加，随着循环次数的增加而慢慢趋于稳定，试样经过干湿循环和冻融循环后，CBR值均有所衰减，且干湿循环比冻融循环的CBR值衰减幅度大.如图7，发现干湿循环后，试样破坏形态要比冻融循环严重，冻融循环状态下试样基本保持原状，干湿循环下试样质量有明显的损失，但各试样CBR值均满足路基强度规范.结合图7和表3分析可得出，试样在水的侵蚀下，随着干湿循环次数增加，流失更多细小颗粒，各颗粒的百分含量发生了变化，增大了孔隙率，形成不稳定结构.试样3、试样4的P5在50%-60%之间，经过数次干湿循环后，结构破坏比试样5、试样6严重.随着P5的增大，试样粘聚力减小，咬合力增大，颗粒之间的结构更稳定，不再发生剧烈变化，形成更稳定的路基结构，所以试样5、试样6更加具有稳定性和完整性.干湿循环对各级配试样破坏性很大，在实际工程中，压实土体会经常经历多雨天气，其孔隙结构和多孔玄武岩碎石土的性质对水分在土体中的渗透路径、土体的稳定性和完整性有重要影响，因此要加强干湿循环对公路路基破坏的防范要求.

综上所述，结合各试样的Cu和P5的大小，可以确定本文的最佳级配为试样5、试样6.在张家口地区，多孔玄武岩碎石土路基填料级配满足Cu为28.88-35.28且P5在60%-70%两个条件时，可确定此级配路基填料具有稳定性和耐久性，为最佳级配.

图7 干湿循环试样图

图8 干湿循环下试样的CBR图 图9 冻融循环下试样的CBR图

4 结 论

通过室内试验，研究寒冷地区多孔玄武岩碎石土在不同条件下，拟定级配对其路用性能的影响，得到主要结论如下：

(1)各级配试样在常规状态下、干湿循环和冻融循环状态下测量的CBR值均随着不均匀系数Cu的增加而增加；在循环次数不断增加的过程中，CBR值逐渐趋于稳定；并且各阶段CBR值均满足高速公路路基填料强度要求.初步判断多孔玄武岩碎石土作为寒冷地区路基填料满足适宜性和耐久性.

(2)分析各试样的干湿循环CBR图和冻融循环CBR图以及各试验后的试样状态，总体上干湿循环下的CBR值衰减速度要大于冻融循环下的衰减速度，且经过干湿循环后的试样表面比经过冻融循环破坏更为严重.

(3)在张家口寒冷地区，多孔玄武岩碎石土路基填料级配满足不均匀系数Cu为28.88-35.28和P5在60%-70%之间两个条件时，可确定路基填料级配具有稳定性和耐久性，为最佳级配.