土工格栅加筋石灰黄土强度和刚度特性试验研究

黄 振 胡幼常 王 伟

(1.武汉理工大学交通学院 武汉 430070; 2.中交第二航务工程局有限公司 武汉 430040)

桥头跳车是公路工程中普遍存在又难以完全解决的问题，黄土地区的桥头跳车更为突出[1]。黄土地区的高等级公路，由于线形的要求及地质条件的限制，桥涵构造物的密度较大。郭建博等[2]的统计表明，黄土地区已建成的高等级公路中，平均每公里范围内大约有5座桥涵结构物。因此，迫切需要对黄土地区桥头路基的结构和处理方法进行针对性的研究。

桥头跳车的直接原因除桥台与桥头路基间的沉降差外，还有二者之间的刚度差。所以应尽量减少桥头黄土路堤的压缩性并提高其回弹模量，以达到控制黄土地区桥头跳车的目的。以往多采用石灰桩、粒料桩、水泥土桩等方法处理桥头黄土路堤，或采用砂砾、石灰土、水泥土作为台背填料等方法来处理黄土地区桥头跳车问题，这些都是可行的方法，但各有相应的适用条件[3]。

本文以甘肃省甜水堡经庆城至永和高速公路(简称甜永高速)建设项目为背景，以其中的TY15合同段(K239+102-K255+000)某桥头路基为研究对象，提出以土工格栅加筋石灰黄土填筑该桥头路堤的方法，以期达到防止桥头跳车的目的。该方法将石灰稳定黄土技术与土工合成材料加筋技术结合起来，一方面预期通过寻找合适的石灰掺量和合理的加筋方案来提高桥头路基的整体强度和刚度，从而达到控制桥头路基沉降、减少桥台与桥头路基间刚度差的目的；另一方面可就地取材，充分利用当地黄土资源；同时该方法施工方便，工艺简单。本文针对上述桥头路堤采用的黄土填料，通过三轴试验研究合适的石灰掺量，然后分别采用无侧限抗压试验和回弹模量试验分别对土工格栅加筋石灰黄土的强度和刚度特性及其影响因素和影响规律进行研究，为后续提出合理的桥头加筋石灰黄土路堤方案奠定基础。

石灰改良黄土的技术研究很多，工程应用也较广。周建基等[4]对不同石灰掺量改良的某地黄土进行压缩试验，发现随石灰掺量由0逐渐增大时，改良黄土的压缩性随之下降，至石灰掺量达到7%时，压缩性最低。此后，随着石灰掺量的增加，压缩性反而不断增大。王妍[5]采用三轴试验研究石灰黄土的抗剪强度与石灰掺量的关系，发现养护龄期相同时，石灰掺量6%的石灰黄土抗剪强度最大。这说明从强度和刚度的角度考虑，石灰黄土存在与之对应的最佳石灰掺量。

谢婉丽等[6]采用三轴压缩试验研究了土工格网加筋黄土的强度特性，探讨了加筋层数对加筋黄土强度的影响。试验结果表明，并不是加筋层数越多越好， 当加筋的层间距小到一定程度时，加筋层数增多反而会使加筋黄土强度下降。加筋层数过多时，筋材对土体的分隔作用部分抵消了增强作用，使土体的整体性减弱。胡幼常等[7]通过回弹模量试验与无侧限抗压试验研究了加筋掺砂黄土的强度与变形特性，发现加筋掺砂黄土存在筋-土强度合理匹配问题，压实度高时应布置较密的加筋层，从而实现加筋掺砂黄土强度的最大化。

1 试验材料

试验所用土料取自甘肃甜永高速某桥头路堤取土场，其颗粒级配见表1，物理性质指标见表2。石灰选用达到JTG/T F20-2015 《公路路面基层施工技术细则》要求的II级消石灰。采用的筋材为双向土工格栅，其性能指标见表3。

表1 黄土的颗粒级配

表2 黄土的物理性质

表3 双向土工格栅力学性能指标 kN/m

2 石灰黄土的三轴试验

2.1 试验方案

如前所述，石灰掺量并非越大越好，适中的石灰掺量能使石灰黄土强度最大。参照过去对最佳石灰掺量取值范围的研究成果，拟分别对石灰掺量ML(干石灰质量与干土质量之比)为0%，3%，5%，7%，9%，15%的石灰黄土进行三轴压缩试验，每种石灰掺量按各自的最佳含水率(见表4)制备压实度96%的三轴试样，以与桥头路堤的标准状态(即施工时的状态)相一致。每组试样分别按不固结不排水剪方法完成试验。

表4 石灰黄土的击实试验成果

2.2 试验结果与分析

根据试验数据整理得到不同石灰掺量下的石灰黄土的强度指标黏聚力c、内摩擦φ角值见表5。c、φ值与石灰掺量关系曲线见图1。

表5 石灰黄土三轴试验成果

图1 石灰掺量对抗剪强度指标的影响

从图1与表5可见，石灰掺量在5%～7%时，加筋土相较于纯黄土抗剪强度提升幅度较高。可以认为对于本文采用的黄土，当使用石灰进行稳定时，经济合理的石灰掺量为5%～7%，这与文献[4-6]中参考的试验研究结果相似。

依据上述结果，拟选择石灰掺量5%与7%的石灰黄土作为土料，制备土工格栅加筋石灰黄土试件，完成无侧限抗压试验与回弹模量试验。

3 加筋石灰黄土的无侧限抗压试验

3.1 试验方案

无侧限抗压试验在全自动路面材料强度测试仪上完成。试样为高度和直径均为15 cm的圆柱体，采用压力机静压成型。所有试件的含水率都等于其对应的最佳含水率(见表4)，试件内的土工格栅均按照加筋层数在高度方向等间距布置。

试验共进行了以下3组：①压实度K=96%，石灰掺量为7%，加筋层数n=0～5层，其主要目的是研究格栅层数(即格栅层间距)对无侧限抗压强度的影响规律；②石灰掺量为7%，加筋层数n=3，压实度K=88%，90%，92%，94%，96%，其主要目的是研究压实度对加筋效果的影响；③压实度K=96%，石灰掺量为5%，加筋层数n=1～5层，这主要是考虑到石灰掺量为5%的石灰黄土的抗剪强度指标仅比石灰掺量为7%的略低，兼顾强度和经济性，有必要对5%和7%石灰掺量下的加筋效果做对比研究。

3.2 试验结果与分析

3.2.1加筋层数对无侧限抗压强度的影响

应变发展到不同程度时K=96%，n=0～5，石灰掺量为7%石灰黄土的无侧限抗压试验测得的q-ε曲线见图2。

图2 加筋层数对曲线的影响

由图2a)可见，随着加筋层数的增加，压应力峰值(即加筋石灰黄土的无侧限抗压强度)增加，试验结束时残余应力也上升。由图2b)可见，小应变(ε<1.5%)时，加筋层数从0增至4层，压应力随应变增长的速率随加筋层数增加而变大；加筋层数从4增至5层时，压应力随应变增长的速率几乎相同。表6列出了无侧限抗压强度qu和qu随加筋层数n的递增率δn与加筋层n的对应数值。

表6 加筋层数对无侧限抗压强度的影响

由表6可知，当加筋层数从0增至1时，抗压强度提升明显。当加筋层数从2增至3、以及从3增至4时，qu的递增率δn较大，而加筋层数从4增至5时，δn最小。这说明加筋达到一定的层数后，再增加层数，土工格栅加筋石灰黄土抗压强度的提升较小。据此，在实际工程中，从提高土体抗压强度的效果和经济性综合考虑，布筋密度应适中。

3.2.2压实度对无侧限抗压强度的影响

不同压实度下3层双向格栅加筋石灰掺量为7%的石灰黄土q-ε的曲线，见图3。

图3 压实度对q-ε曲线的影响

由图3可见，随着压实度的提高，加筋试件的无侧限抗压强度qu不断上升。

表7为不同压实度下，qu和qu随压实度K的递增率δK(即压实度K每提高2%对应的无侧限抗压强度qu的相对增长率)。

表7 压实度对无侧限抗压强度的影响

由表7可见，K从94%提高至96%时，δK最大。更高的压实度使得土粒与土工格栅咬合力更高，加筋作用更显著，因而抗压强度的提升更显著。

3.2.3石灰掺量对无侧限抗压强度的影响

土工格栅加筋2种石灰掺量为5%、7%的石灰黄土的q-ε曲线，见图4。

图4 石灰掺量对q-ε曲线的影响

由图4可见，加筋层数相同时，石灰掺量为7%的试件抗压强度均要高于石灰掺量为5%的试件。

表8给出了不同加筋层数下，石灰掺量为5%和7%试件的抗压强度和石灰掺量为7%的试件相较于石灰掺量为5%的试件抗压强度的提升幅度。

表8 石灰掺量对无侧限抗压强度的影响

从表8中可知，加筋1～4层时，提升幅度较大，加筋5层时，提升幅度较小。抗剪强度更高的石灰掺量为7%的石灰黄土加筋后，其无侧限抗压强度更高。

4 加筋石灰黄土的回弹模量试验

4.1 试验方案

为了与无侧限抗压试验相对应，便于分析相同条件下的强度和刚度，回弹模量试验采用的试件与无侧限抗压试验的尺寸相同，即直径和高均为15 cm的圆柱体。这样可以保证加筋层数相同时，回弹模量试件与无侧限抗压试件的筋层间距是一致的。同时，采用回弹模量试件比标准试件高3 cm也不会影响测试结果，因为试件尺寸越大越接近实际情况。

共进行2组工况的回弹模量测试工作：①石灰掺量7%，加筋层数n=2，3，4层；②石灰掺量5%，加筋层数n=3，4层。每种工况的试件压实度均为K=96%，筋材布设方式与无侧限抗压试验相同。此外，为了对比，还完成了K=96%时纯黄土的回弹模量试验。

4.2 试验结果及分析

回弹模量试验结果见表9，由表9可见：①双向土工格栅加筋的石灰黄土与纯黄土相比，回弹模量有显著提高，回弹模量的高低与石灰掺量和格栅层数密切相关；②石灰掺量7%的石灰黄土相较于5%石灰黄土，格栅加筋后回弹模量更高，这与无侧限抗压试验结果一致；③格栅加筋层数越多，土工格栅加筋石灰黄土的回弹模量越大。

表9 回弹模量试验成果

5 结语

通过试验和对试验结果的分析，得出以下主要结论。

1) 对于本文采用的黄土，当采用石灰进行稳定时，经济合理的石灰掺量为5%～7%。

2) 土工格栅加筋的石灰黄土与纯黄土相比，其抗压强度与回弹模量均有显著提高，用于黄土地区桥头路堤，有望解决桥头跳车问题。

3) 试件中的加筋层数越多(即加筋层间距越小)时，土工格栅加筋石灰黄土的抗压强度与回弹模量越大。当加筋层数达到一个较高值后，再增加格栅层数对抗压强度的提升较小。所以，在实际工程中，应综合考虑加筋效果和经济效益来确定筋材的合理布设密度。