不同因素对粉土路基承载力影响的试验研究

Experimental Study on the Influence of Different Factors on the Bearing Capacity of Silt Roadbed

摘要: 为了分析含水率、压实度对粉土承载能力的影响，采用不同压实度和含水率对粉土进行压缩和回弹模量试验研究。结果表明：含水率对粉土的压缩系数和回弹模量影响较大，在路基施工中应严控含水率(最佳含水率 + 2%以内)，压实度越低，含水率对最终沉降量的影响越大。当含水率高于最佳含水率2%以上时，填高越大，沉降量越大。填高10 m沉降量平均为5 m的4倍左右。

Abstract: In order to analyze the influence of moisture content and compaction degree on the bearing capacity of loess, compression and rebound modulus tests were conducted on loess with different compaction degrees and moisture contents. The results show that the moisture content has a significant impact on the compression coefficient and rebound modulus of loess. In roadbed construction, the moisture content should be strictly controlled (within the optimal moisture content + 2%). The lower the compaction degree, the greater the influence of moisture content on the final settlement. When the moisture content is higher than the optimal moisture content by more than 2%, the higher the filling height, the greater the settlement amount. The average settlement of filling a height of 10 m is about 4 times that of 5 m.

1. 引言

随着我国基础设施建设的快速发展，道路工程在国民经济中的地位日益突出。在道路工程中，路基质量是保证道路使用寿命和安全运行的关键。然而，在许多地区，粉土作为一种常见的筑路材料，其力学性能和工程特性使得路基工程面临诸多挑战。粉土作为一种粒径较细、塑性较差的土体，其力学性能和工程特性受到许多因素的影响，如含水率、密度、颗粒组成等[1] [2] [3]。特别是在粉土路基的沉降控制方面，一直是道路工程领域面临的重要课题。粉土路基在承受车辆荷载作用时，容易产生不均匀沉降，从而导致道路结构的破坏，影响道路的使用寿命和安全运行[4] [5] [6]。因此，对粉土路基沉降控制参数的研究具有重要意义。

安鸿飞[7]等通过粉土路基压实指标研究，除了压实度以外，引入含气率作为压实质量控制的补充指标，并提出了含气率的控制参数；刘富晓[8]等对比分析了不同含水率、压实度下粉土的强度与变形性状，发现粉土在饱和状态下，颗粒间的联结程度就会变得更弱，影响粉土力学性能；韩琳[9]重点分析了粉土体的黏粒含量和抗剪强度参数，发现粉土有渐变的性质而且土体的颗粒组成与抗剪强度有较强的相关性；肖成志[10]等基于固结试验表明，干密度较小的条件下，含水率对粉土的压缩系数的影响越不显著。

在实际工程应用中，含水率和压实度是影响粉土路基承载力的主要因素，本文针对山东地区典型粉土，对不同压实度和含水率下的压缩性能和回弹模进行室内试验，对比分析不同因素对粉土路基承载力的影响作用。

2. 试验材料

粉土

针对典型粉土进行室内实验，主要针对其物理力学性质指标，如比重、液限、塑限、击实性能等指标进行室内实验，得到相应的参数，如表1所示。

Table 1. Basic physical properties of silt

表1. 试验粉土基本物理性质

比重/(g·cm^−^3)	液限/%	塑限/%	塑性指数/%	最大干密度/(g·cm^−^3^)	最佳含水率/%	土的分类
2.708	28.4	19.4	9	1.76	14.6	低液限黏土

通过分析粉土的基本物理性质，分析发现液限小于50，塑性指数为9，同时比重为2.708，按照土的分类标准，可划分为低液限粉土。

3. 试验方案

为了对新建路基施工质量进行控制，制定如下试验方案，如表2所示，确定不同因素(含水率和压实度)路基填料对路基整体承载力的影响，并提出路基施工控制指标。

Table 2. Test scheme

表2. 试验方案

试验项目	含水率/%	压实度/%
压缩试验	12.6	80/85/90/95
	14.6
	16.6
	18.6
	20.6
回弹模量试验	12.6	90/93/94/96
	14.6
	16.6
	18.6
	20.6

4. 试验结果分析

4.1. 压缩试验

土样的压缩系数定义是土体在侧限条件下孔隙比减少量与有效压应力增量的比值，即为e-p曲线中某一压力段的割线斜率。通常采用压力段由P₁ = 100 kPa增加到P₂ = 200 kPa时的压缩系数a₁₋₂来评定土样的压缩性。

$\text{a}=\frac{\Delta e}{\Delta P}=\frac{e_1-e_2}{P_2-P_1}$ (1)

当a₁₋₂ < 0.1 MPa⁻¹时，为低压缩性土；0.1 ≤ a₁₋₂ < 0.5 MPa⁻¹时，为中压缩性土；当a₁₋₂ > 0.5 MPa⁻¹时，为高压缩性土。

由图1所示，同一含水率下，随着压实度的增加，压缩系数不断减小，且均属于中压缩性土；在含水率14.6% (最佳含水率)、压实度95%的情况下，压缩系数最小，为0.105 MPa⁻¹；在含水率20.6%、压实度80%的情况下，压缩系数最大，为0.488 MPa⁻¹。当压实度 ≥ 90%时，压缩系数随含水率的变化较小，压缩系数增加率均在10%以上；当压实度在90%及以下时，压缩系数随含水率的变化较大，压缩系数增加率均在20%以上。

如图2所示，以路基填高5 m为例，采用分层总和计算沉降法计算路基的竖向沉降，分析不同压实度和含水率变化性的沉降规律。在含水率14.6% (最佳含水率)、压实度95%的情况下，路基整体沉降量最小，为26.79 mm；在含水率20.6%、压实度80%的情况下，路基整体沉降量最小，为91.71 mm。当含水率 ≤ 16.6%时，沉降量随压实度变化幅度较小；当含水率 > 16.6%时，沉降量随压实度变化幅度较大，且随压实度的减小，变化量越大。当含水率过大时，水分填充至粉土颗粒之间，使得颗粒间的粘滞性降低，从而使其相对移动变得更容易，导致沉降量增加。所以，在实际工程中时，含水率应控制在16.6%以下，即最佳含水率2%以内。

Figure 1. Variation Law of compressibility coefficient with different factors

图1. 压缩系数随不同因素变化规律

Figure 2. Variation law of settlement with water content

图2. 沉降量随含水率变化规律

如图3所示，在95%压实度下，随着路基填高的增加，最终沉降量随之增加，填高10 m沉降量平均为5 m的4倍左右，说明高填方路基面临的沉降风险更大。当含水率大于16.6%时，沉降量变化幅度较大，在实际工程中应控制含水率不大于16.6%。

Figure 3. Variation law of settlement with roadbed height

图3. 沉降量随路基填高变化规律

4.2. 回弹模量试验

回弹模量试验采用强度仪法，测定在垂直荷载作用下，土体抵抗竖向变形的能力。最大压力设定为200 kPa，并将最大压力分为5份，分级加载和卸载，并记录千分表的读数，计算得出土的回弹模量。

Figure 4. Variation of resilient modulus with different factors

图4. 回弹模量随不同因素变化规律

如图4所示，同一含水率下，随着压实度增加，回弹模量逐渐增大。含水率20.6%下，回弹模量在18~21.3 MPa之间，增加3.3 MPa，增幅最小。最佳含水率下，回弹模量在50~78.6 MPa之间，增加28.6 MPa，增幅最大。同一压实度下，在含水率14.6% (最佳含水率)时，回弹模量最大。当含水率增加至18.6%时，回弹模量急剧下降，说明超过最佳含水率4%时，水分对回弹模量的衰减作用明显。所以，在实际工程中时，含水率应控制在16.6%以下，即最佳含水率2%以内。

5. 结论

本文通过对基于固体废物的抗收缩粉土固化材料收缩性能的研究，得出以下结论：

1) 含水率对粉土的压缩系数和回弹模量影响较大，在路基施工中应严控含水率(最佳含水率 + 2%以内)，当含水率高于最佳含水率2%以上时，最终沉降量将增加25%以上。

2) 压实度越低，含水率对最终沉降量的影响越大。含水率每增加2%，90%压实度下沉降量增幅是96%压实度的2.5倍。

3) 当含水率高于最佳含水率2%以上时，填高越大，沉降量越大。填高10 m沉降量平均为5 m的4倍左右。

NOTES

^*通讯作者。