土工格柵加筋石灰黃土強度和剛度特性試驗研究

黃 振 胡幼常 王 偉

(1.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430070; 2.中交第二航務(wù)工程局有限公司 武漢 430040)

橋頭跳車是公路工程中普遍存在又難以完全解決的問題，黃土地區(qū)的橋頭跳車更為突出[1]。黃土地區(qū)的高等級公路，由于線形的要求及地質(zhì)條件的限制，橋涵構(gòu)造物的密度較大。郭建博等[2]的統(tǒng)計表明，黃土地區(qū)已建成的高等級公路中，平均每公里范圍內(nèi)大約有5座橋涵結(jié)構(gòu)物。因此，迫切需要對黃土地區(qū)橋頭路基的結(jié)構(gòu)和處理方法進行針對性的研究。

橋頭跳車的直接原因除橋臺與橋頭路基間的沉降差外，還有二者之間的剛度差。所以應(yīng)盡量減少橋頭黃土路堤的壓縮性并提高其回彈模量，以達到控制黃土地區(qū)橋頭跳車的目的。以往多采用石灰樁、粒料樁、水泥土樁等方法處理橋頭黃土路堤，或采用砂礫、石灰土、水泥土作為臺背填料等方法來處理黃土地區(qū)橋頭跳車問題，這些都是可行的方法，但各有相應(yīng)的適用條件[3]。

本文以甘肅省甜水堡經(jīng)慶城至永和高速公路(簡稱甜永高速)建設(shè)項目為背景，以其中的TY15合同段(K239+102-K255+000)某橋頭路基為研究對象，提出以土工格柵加筋石灰黃土填筑該橋頭路堤的方法，以期達到防止橋頭跳車的目的。該方法將石灰穩(wěn)定黃土技術(shù)與土工合成材料加筋技術(shù)結(jié)合起來，一方面預(yù)期通過尋找合適的石灰摻量和合理的加筋方案來提高橋頭路基的整體強度和剛度，從而達到控制橋頭路基沉降、減少橋臺與橋頭路基間剛度差的目的；另一方面可就地取材，充分利用當(dāng)?shù)攸S土資源；同時該方法施工方便，工藝簡單。本文針對上述橋頭路堤采用的黃土填料，通過三軸試驗研究合適的石灰摻量，然后分別采用無側(cè)限抗壓試驗和回彈模量試驗分別對土工格柵加筋石灰黃土的強度和剛度特性及其影響因素和影響規(guī)律進行研究，為后續(xù)提出合理的橋頭加筋石灰黃土路堤方案奠定基礎(chǔ)。

石灰改良黃土的技術(shù)研究很多，工程應(yīng)用也較廣。周建基等[4]對不同石灰摻量改良的某地黃土進行壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)隨石灰摻量由0逐漸增大時，改良黃土的壓縮性隨之下降，至石灰摻量達到7%時，壓縮性最低。此后，隨著石灰摻量的增加，壓縮性反而不斷增大。王妍[5]采用三軸試驗研究石灰黃土的抗剪強度與石灰摻量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護齡期相同時，石灰摻量6%的石灰黃土抗剪強度最大。這說明從強度和剛度的角度考慮，石灰黃土存在與之對應(yīng)的最佳石灰摻量。

謝婉麗等[6]采用三軸壓縮試驗研究了土工格網(wǎng)加筋黃土的強度特性，探討了加筋層數(shù)對加筋黃土強度的影響。試驗結(jié)果表明，并不是加筋層數(shù)越多越好， 當(dāng)加筋的層間距小到一定程度時，加筋層數(shù)增多反而會使加筋黃土強度下降。加筋層數(shù)過多時，筋材對土體的分隔作用部分抵消了增強作用，使土體的整體性減弱。胡幼常等[7]通過回彈模量試驗與無側(cè)限抗壓試驗研究了加筋摻砂黃土的強度與變形特性，發(fā)現(xiàn)加筋摻砂黃土存在筋-土強度合理匹配問題，壓實度高時應(yīng)布置較密的加筋層，從而實現(xiàn)加筋摻砂黃土強度的最大化。

1 試驗材料

試驗所用土料取自甘肅甜永高速某橋頭路堤取土場，其顆粒級配見表1，物理性質(zhì)指標(biāo)見表2。石灰選用達到JTG/T F20-2015 《公路路面基層施工技術(shù)細則》要求的II級消石灰。采用的筋材為雙向土工格柵，其性能指標(biāo)見表3。

表1 黃土的顆粒級配

表2 黃土的物理性質(zhì)

表3 雙向土工格柵力學(xué)性能指標(biāo) kN/m

2 石灰黃土的三軸試驗

2.1 試驗方案

如前所述，石灰摻量并非越大越好，適中的石灰摻量能使石灰黃土強度最大。參照過去對最佳石灰摻量取值范圍的研究成果，擬分別對石灰摻量ML(干石灰質(zhì)量與干土質(zhì)量之比)為0%，3%，5%，7%，9%，15%的石灰黃土進行三軸壓縮試驗，每種石灰摻量按各自的最佳含水率(見表4)制備壓實度96%的三軸試樣，以與橋頭路堤的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(即施工時的狀態(tài))相一致。每組試樣分別按不固結(jié)不排水剪方法完成試驗。

表4 石灰黃土的擊實試驗成果

2.2 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)整理得到不同石灰摻量下的石灰黃土的強度指標(biāo)黏聚力c、內(nèi)摩擦φ角值見表5。c、φ值與石灰摻量關(guān)系曲線見圖1。

表5 石灰黃土三軸試驗成果

圖1 石灰摻量對抗剪強度指標(biāo)的影響

從圖1與表5可見，石灰摻量在5%～7%時，加筋土相較于純黃土抗剪強度提升幅度較高?？梢哉J為對于本文采用的黃土，當(dāng)使用石灰進行穩(wěn)定時，經(jīng)濟合理的石灰摻量為5%～7%，這與文獻[4-6]中參考的試驗研究結(jié)果相似。

依據(jù)上述結(jié)果，擬選擇石灰摻量5%與7%的石灰黃土作為土料，制備土工格柵加筋石灰黃土試件，完成無側(cè)限抗壓試驗與回彈模量試驗。

3 加筋石灰黃土的無側(cè)限抗壓試驗

3.1 試驗方案

無側(cè)限抗壓試驗在全自動路面材料強度測試儀上完成。試樣為高度和直徑均為15 cm的圓柱體，采用壓力機靜壓成型。所有試件的含水率都等于其對應(yīng)的最佳含水率(見表4)，試件內(nèi)的土工格柵均按照加筋層數(shù)在高度方向等間距布置。

試驗共進行了以下3組：①壓實度K=96%，石灰摻量為7%，加筋層數(shù)n=0～5層，其主要目的是研究格柵層數(shù)(即格柵層間距)對無側(cè)限抗壓強度的影響規(guī)律；②石灰摻量為7%，加筋層數(shù)n=3，壓實度K=88%，90%，92%，94%，96%，其主要目的是研究壓實度對加筋效果的影響；③壓實度K=96%，石灰摻量為5%，加筋層數(shù)n=1～5層，這主要是考慮到石灰摻量為5%的石灰黃土的抗剪強度指標(biāo)僅比石灰摻量為7%的略低，兼顧強度和經(jīng)濟性，有必要對5%和7%石灰摻量下的加筋效果做對比研究。

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1加筋層數(shù)對無側(cè)限抗壓強度的影響

應(yīng)變發(fā)展到不同程度時K=96%，n=0～5，石灰摻量為7%石灰黃土的無側(cè)限抗壓試驗測得的q-ε曲線見圖2。

圖2 加筋層數(shù)對曲線的影響

由圖2a)可見，隨著加筋層數(shù)的增加，壓應(yīng)力峰值(即加筋石灰黃土的無側(cè)限抗壓強度)增加，試驗結(jié)束時殘余應(yīng)力也上升。由圖2b)可見，小應(yīng)變(ε<1.5%)時，加筋層數(shù)從0增至4層，壓應(yīng)力隨應(yīng)變增長的速率隨加筋層數(shù)增加而變大；加筋層數(shù)從4增至5層時，壓應(yīng)力隨應(yīng)變增長的速率幾乎相同。表6列出了無側(cè)限抗壓強度qu和qu隨加筋層數(shù)n的遞增率δn與加筋層n的對應(yīng)數(shù)值。

表6 加筋層數(shù)對無側(cè)限抗壓強度的影響

由表6可知，當(dāng)加筋層數(shù)從0增至1時，抗壓強度提升明顯。當(dāng)加筋層數(shù)從2增至3、以及從3增至4時，qu的遞增率δn較大，而加筋層數(shù)從4增至5時，δn最小。這說明加筋達到一定的層數(shù)后，再增加層數(shù)，土工格柵加筋石灰黃土抗壓強度的提升較小。據(jù)此，在實際工程中，從提高土體抗壓強度的效果和經(jīng)濟性綜合考慮，布筋密度應(yīng)適中。

3.2.2壓實度對無側(cè)限抗壓強度的影響

不同壓實度下3層雙向格柵加筋石灰摻量為7%的石灰黃土q-ε的曲線，見圖3。

圖3 壓實度對q-ε曲線的影響

由圖3可見，隨著壓實度的提高，加筋試件的無側(cè)限抗壓強度qu不斷上升。

表7為不同壓實度下，qu和qu隨壓實度K的遞增率δK(即壓實度K每提高2%對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強度qu的相對增長率)。

表7 壓實度對無側(cè)限抗壓強度的影響

由表7可見，K從94%提高至96%時，δK最大。更高的壓實度使得土粒與土工格柵咬合力更高，加筋作用更顯著，因而抗壓強度的提升更顯著。

3.2.3石灰摻量對無側(cè)限抗壓強度的影響

土工格柵加筋2種石灰摻量為5%、7%的石灰黃土的q-ε曲線，見圖4。

圖4 石灰摻量對q-ε曲線的影響

由圖4可見，加筋層數(shù)相同時，石灰摻量為7%的試件抗壓強度均要高于石灰摻量為5%的試件。

表8給出了不同加筋層數(shù)下，石灰摻量為5%和7%試件的抗壓強度和石灰摻量為7%的試件相較于石灰摻量為5%的試件抗壓強度的提升幅度。

表8 石灰摻量對無側(cè)限抗壓強度的影響

從表8中可知，加筋1～4層時，提升幅度較大，加筋5層時，提升幅度較小。抗剪強度更高的石灰摻量為7%的石灰黃土加筋后，其無側(cè)限抗壓強度更高。

4 加筋石灰黃土的回彈模量試驗

4.1 試驗方案

為了與無側(cè)限抗壓試驗相對應(yīng)，便于分析相同條件下的強度和剛度，回彈模量試驗采用的試件與無側(cè)限抗壓試驗的尺寸相同，即直徑和高均為15 cm的圓柱體。這樣可以保證加筋層數(shù)相同時，回彈模量試件與無側(cè)限抗壓試件的筋層間距是一致的。同時，采用回彈模量試件比標(biāo)準(zhǔn)試件高3 cm也不會影響測試結(jié)果，因為試件尺寸越大越接近實際情況。

共進行2組工況的回彈模量測試工作：①石灰摻量7%，加筋層數(shù)n=2，3，4層；②石灰摻量5%，加筋層數(shù)n=3，4層。每種工況的試件壓實度均為K=96%，筋材布設(shè)方式與無側(cè)限抗壓試驗相同。此外，為了對比，還完成了K=96%時純黃土的回彈模量試驗。

4.2 試驗結(jié)果及分析

回彈模量試驗結(jié)果見表9，由表9可見：①雙向土工格柵加筋的石灰黃土與純黃土相比，回彈模量有顯著提高，回彈模量的高低與石灰摻量和格柵層數(shù)密切相關(guān)；②石灰摻量7%的石灰黃土相較于5%石灰黃土，格柵加筋后回彈模量更高，這與無側(cè)限抗壓試驗結(jié)果一致；③格柵加筋層數(shù)越多，土工格柵加筋石灰黃土的回彈模量越大。

表9 回彈模量試驗成果

5 結(jié)語

通過試驗和對試驗結(jié)果的分析，得出以下主要結(jié)論。

1) 對于本文采用的黃土，當(dāng)采用石灰進行穩(wěn)定時，經(jīng)濟合理的石灰摻量為5%～7%。

2) 土工格柵加筋的石灰黃土與純黃土相比，其抗壓強度與回彈模量均有顯著提高，用于黃土地區(qū)橋頭路堤，有望解決橋頭跳車問題。

3) 試件中的加筋層數(shù)越多(即加筋層間距越小)時，土工格柵加筋石灰黃土的抗壓強度與回彈模量越大。當(dāng)加筋層數(shù)達到一個較高值后，再增加格柵層數(shù)對抗壓強度的提升較小。所以，在實際工程中，應(yīng)綜合考慮加筋效果和經(jīng)濟效益來確定筋材的合理布設(shè)密度。