DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.10.024

基于简易贯入低液限黏土路基压实度确定方法

李金云¹，张爱卿²，单炜³

(1. 北京科技大学 天津学院，天津，301830；

2. 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京，100083；

3. 东北林业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨，150040)

摘要：为建立确定低液限黏土路基压实度的新方法，在研究简易贯入试验原理的基础上，结合某扩建公路实例，通过室内试验测定低液限黏土的物理力学指标，并依此确定路基的压实工艺及标准。选取试验路段，仅考虑含水率对压实度的影响，在其他压实度影响因素不变的前提下，实测压实度、贯入次数和含水率，利用SPSS软件对压实度与简易贯入次数及含水率的关系进行回归分析，并将得到的关系式应用于工程实际，以验证方法的合理性及适用性。研究结果表明：简易贯入试验方法可以满足路基压实度检测精度要求，为在类似工程中快速、准确地评价低液限黏土路基压实程度提供了参考依据。

关键词：简易贯入试验；低液限黏土；压实度；含水率；回归分析

中图分类号：U416.1             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)10-2732-06

Method for determining the compactness of low liquid limit clay subgrade based on simple penetration test

LI Jinyun ¹, ZHANG Aiqing², SHAN Wei³

(1. Tianjin College, University of Science and Technology Beijing, Tianjin 301830, China;

2. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;

3. School of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Abstract: To establish a new method for determining the compactness of low liquid limit clay subgrade, a project case of highway extension was chosen as the subject. The principle of simple penetration test was investigated and the physical-mechanical index of low liquid limit clay was determined through laboratory test, so as to determine the subgrade compaction technology and standard. Test road section was selected. By only taking the influence of moisture content on compactness into consideration, compactness, penetration times and moisture content were measured under the premise that other influence factors of compactness were constant. Then, the relationships among compactness, simple penetration times and moisture content were obtained, and the obtained equations were applied in engineering practice to verify its rationality and feasibility. The results show that simple penetration method can meet the accuracy requirements of subgrade compactness test, thus providing a reference for similar projects to evaluate the compactness of low liquid limit clay subgrade rapidly and accurately.

Key words: simple penetration test; low liquid limit clay; compaction degree; moisture content; regression analysis

压实度是否合格是判断工程质量优劣的1个重要指标。压实的根本目的是使路基获得一定的密实度，以提高路基的强度和稳定性。压实能够增加土体的密实度，减小土体在潮湿环境中的饱水量，封闭水分进入土体的通道，降低土的渗透性，从而加强路基的水稳定性，减少荷载因素和大气因素对路基变形的影响^[1-5]。目前，国内常用检测压实度的方法为灌砂法和落锤式弯沉仪法。灌砂法检测时需要携带较多量的砂，且称量次数较多，因此它的测试速度较慢，受人为因素影响较大，实际操作时不好掌握，易引起较大误差。灌砂法检测厚度仅为压实层厚，该层以下的压实度存在的变化不能被检测到。落锤式弯沉仪是近些年出现的一种新方法，多应用于当路基填筑一定厚度后，对路基整体进行弯沉值测定，通过测得的弯沉值转化为模量来反映路基压实效果。但还无法检测该路基任意深度处的压实效果^[6-10]。近年来，国内一些研究者提出了基于静力贯入的土石混填路基压实度确定方法，对于准确合理的评价压实度取得了很好的效果^[11-12]，但是由于该方法检测时间较长，且不利于随时转移检测，因此，极需一种既快捷又准确的检测压实度的方法。为解决上述2种方法存在的问题，本文作者引入简易贯入试验作为判断压实度的指标，并根据路基的压实工艺，选取试验路段，实测压实度、贯入次数和含水率，对压实度与简易贯入次数及含水率的关系进行回归分析，以便为现场快速准确地评价低液限黏土路基压实程度提供一定的技术支持。

1  简易贯入试验原理

一直以来，在国际上使用最多的贯入实验是标准贯入实验SPT(standard penetration test)。但标准贯入实验因为其器具较为庞大，且有较大的质量，不便于随身、随时、随地携带，故不能快速、准确地对地基承载力进行评价。简易贯入试验属于动力触探的一种，是指用一定质量的击锤，从规定高度自由落下，击打插入土中的探头，测定使探头贯入土中一定深度所需要的击数，以此击数来确定被测土的物理力学性质^[6]。

本次实验选取日本生产的简易贯入仪，该设备主要由贯入器、触探杆和穿心锤3部分组成。简易贯入仪组成如图1所示。

将穿心锤提升到距离触探杆连接处50 cm的高度，然后让锤具自由下落到触探杆的连接处。与标准贯入实验原理相同，锤具自由下落的势能在杆件连接处转化为触探杆的动能。当触探杆贯入土层的深度为10 cm时，记录此时的锤击数，以此判定土的力学特性。

              (1)

              (2)

式中：△h为触探杆贯入土层的深度，m；h_n为第n次锤击时卷尺的读数，cm；h_n-1为第n-1次锤击时卷尺的读数，cm；N为锤击次数；N_d为所求的实测击数。

此实验设备简单、操作方便、土层的适用范围广，除砂土外，一般的硬黏土、软质岩石也适用。

图1  简易贯入试验仪组成

Fig. 1  Simple penetration test instrument

大量的现场试验结果证明简易贯入试验与标准贯入试验的贯入次数存在着2倍的关系，即简易贯入试验的贯入次数为标准贯入试验的贯入次数的2倍^[13]。

黏性土根据标准贯入次数评定压缩模量，间接评价路基压实后的强度，标准贯入次数与压缩模量的关系如表1所示^[1]。

表1  标准贯入次数与压缩模量的关系

Table 1  Relationship between standard penetration number of times and compression modulus

2  低液限黏土室内试验

某扩建公路位于黑龙江省南部，路线全长为78.580 km，其中53.906 km路段均为利用原有旧路加宽，旧路的利用率为68.6%，路基填土均为低液限黏土。将路基填土取回实验室，根据GB/T 50123—1999“土工试验方法标准”和JTG E40—2007“公路土工试验规程”要求进行标准击实试验、压缩试验和抗剪强度试验，通过试验确定低液限黏土的物理力学指标。

2.1  标准击实试验

国内外常用的击实方法有2种，即轻型击实和重型击实。根据2种不同击实方法的适用条件，本试验选取重型击实，将烘干后的低液限黏土按照12.5%，14.0%，15.5%，17.0%和18.5%的含水率制备试样，放置在阴凉处12 h后，利用电动重型击实仪进行试验，试验结果如图2所示。由图2可知：低液限黏土的最大干密度γ_max为1.8 g/cm³，最佳含水率w₀为15.5%。

图2  标准击实试验结果

Fig. 2  Standard compaction test results

2.2  压缩试验

根据击实试验结果，在不同含水量下击实一定次数，制备成压实度分别为90%，93%，95%和97%的试样。利用GDG-4S型三联高压固结仪，采用快速压缩试验法，选择5~6个加载等级，24 h后读数。试验结果如图3所示。由图3可知：当荷载在500 kPa以内时，压缩系数随荷载的变化很显著；当荷载超过1 500 kPa后，压实度为93%，95%和97%时的压缩系数相差不大。图3结果表明几种不同压实度标准条件下，土体处于稳定状态，均能满足应力的要求，但为了与地基表面的压实相适应，减少工后压缩变形模量，并保证经济性要求，推荐采用93%作为压实度检测的标准。

2.3  抗剪强度试验

利用YLSZ-3.0型应力应变控制式三轴剪切仪，采用不固结不排水试验，即试样在施加周围压力和增加轴向压力直至破坏的过程中不排水。试验结果如图4~5所示。由图5莫尔圆公切线可知低液限黏土的粘聚力c为226.63 kPa，内摩擦角φ为20.92°。

图3  压缩试验结果

Fig. 3  Results of compression tests

图4  抗剪强度试验结果

Fig. 4  Results of shear strength tests

图5  正应力与剪应力的关系

Fig. 5  Relationship between normal stress and shear stress

3  低液限黏土路基压实工艺

根据室内试验的结果，分析低液限黏土压实的影响因素，确定路基的压实工艺。

3.1  影响低液限黏土压实的因素

1) 含水率。含水率对其压实程度有很大的影响。当含水率较小时，黏土颗粒间内摩擦阻力大，压实到一定密实度后，若压实功不能克服土的内力，则密实度就不可能再增加；当含水率逐渐增加时，水在黏土颗粒间起着润滑作用，使其内摩擦阻力减少，因此，在同样的压实功下可得到较大的密实度。

2) 压实厚度。压实厚度对压实效果有明显影响。大量的研究表明：相同压实条件下(土质、含水率与压实功不变)，密实度随深度递减，深度为5 cm时密实度最高。不同压实工具的有效压实深度有所差异，根据压实工具类型、土质及土基压实的基本要求，路基分层压实的厚度有具体规定数值：在一般情况下，压实不宜超过20 cm；对于13-15T光面压路机，不宜超过25 cm；对于振动压路机或夯实机，宜以50 cm为限^[1]。

3) 压实功。压实功指压实机具的重量、碾压次数或锤落高度、作用时间等对压实效果的影响，是除了含水率和压实厚度以外的另一个重要因素。同一种土的最佳含水率w₀随压实功的增大而减小，最大干密度γ_max则随压实功的增大而增大；在相同含水量条件下，压实功愈大，土体的压实度越高。

3.2  低液限黏土压实工艺

充分考虑低液限黏土的物理力学性质和压实影响因素，结合某扩建公路实际情况，路基分12次填筑，每层压实厚度均为20 cm。借鉴相似土体的路基压实技术，考虑低液限黏土的抗剪强度指标，现场采用振动式压路机碾压2遍、光轮压路机碾压8遍。每压实一层低液限黏土后，利用灌砂法检测压实度是否达到规定标准的93%以上。为避免新填路基的沉降速率过大，采用强夯法对新填路基补强。强夯压实工艺^[14-15]如图6所示。

4  现场压实度检测及结果分析

4.1  简易贯入试验及其结果分析

根据现场土体的含水率情况，在k165+700- k165+900标段每50 m依次选择含水率为15.0%，15.5%，16.0%和17.0%的低液限黏土作为路基填土，在路基填土后采用强夯处理，对夯实前和夯实后的路基分别进行简易贯入试验。根据表1将简易贯入试验击入次数转化为标准贯入的击入次数，再将标准贯入的击入次数换算为压缩模量。简易贯入试验对比测试的结果如图7所示。

从图7可以看出：路基浅层(50 cm以内)夯实后的压缩模量较夯实前的压缩模量有所减小，说明夯实后路基浅层由于强夯产生了不同程度的土体松动；浅层以下土体由于强夯作用，土体更加密实，深度为100~170 cm范围的土体压缩模量显著增加，强夯的作用可持续到较深的土层，达到深度2 m以下。因此，低液限黏土采用强夯法可以提高路基土的压实度和强度。

图6  强夯施工工艺流程图

Fig. 6  Dynamic compaction construction process flow chart

图7  简易贯入深度与压缩模量变化曲线

Fig. 7  Simple penetration depth and modulus of compression curve

4.2  压实度实验及其检测结果

灌砂法检测厚度仅为1个压实层厚度，不能检测到该层以下的压实度存在的变化。为此，本文选取挖坑的方法，在k165+700~k165+900标段平行简易贯入试验检测点1.5 m处检测不同深度处的压实度。为减小实验对路基压实效果的影响，灌砂法检测压实度实验选择在强夯前完成。灌砂法压实度检测结果如表2所示。

4.3  压实度与含水率、简易贯入次数的关系式

采用SPSS软件进行回归分析，压实度与含水率、简易贯入次数的关系为

          (3)

式中：Y为压实度，%；x₁为贯入次数，次；x₂为含水率，%。

Sig回归关系的显著性系数0.037＜0.05，表明回归结果好。

为了验证式(3)的适用性及其合理性，选取k166+000标段。该标段的含水率为15.5%，每层路基填土厚度为20.0 cm，填筑高度为2.5 m，在强夯处理后分别进行简易贯入试验和灌砂法实验，实验结果如表3所示。由表3可以看出：采用本文方法得出的各测点压实度计算结果与灌砂法检测结果较吻合，可以满足路基压实度检测精度要求。

表2  灌砂法压实度检测结果

Table 2  Test results of compaction degree by sand filling method

表3  压实度对比结果

Table 3  Compaction result

5  结论

1) 低液限黏土的最大干密度为1.8 g/cm³，最佳含水率为15.5%；低液限黏土的粘聚力为226.63 kPa，内摩擦角为20.92°；通过压缩试验推荐现场采用93%作为压实度检测的标准。在充分考虑低液限黏土的物理力学性质和压实影响因素基础上，采用强夯处理低液限黏土，强夯作用效果显著；深度为100~170 cm范围的土体压缩模量显著增加，并持续到较深的土层，作用效果达到深度2 m以下，提高了路基土的压实度和强度。

2) 利用SPSS软件回归分析得出强夯处理前压实度与简易贯入次数和含水率之间的关系式。

3) 各测点压实度计算结果与灌砂法检测结果吻合良好，可以满足路基压实度检测精度要求。

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(编辑  伍锦花)

收稿日期：2016-12-21；修回日期：2017-02-20

基金项目(Foundation item)：交通运输部建设科技项目(2011318223630)(Project (2011318223630) supported by the Construction of Science and Technology of Ministry of Transport)

通信作者：李金云，硕士，讲师，从事土木工程课程与实践研究；E-mail：980365686@qq.com