模拟现场碾压效果的土石混填路基土力学试件的制备方法与流程

【
技术领域：
】本发明属于道路路基工程领域，具体涉及模拟现场碾压效果的土石混填路基土力学试件的制备方法。
背景技术：
：土石混填料是由山体爆破或机械开挖得到土与石的混合料，在山区公路建设中较为常见，一般多用于路基填筑。土石混填料的颗粒组成变化很大、材料本身内部极其不均匀且难以控制，导致土石混填路基的工程力学特性复杂多变，容易产生不均匀沉降的病害。对于一种路基填筑土，需要采用一定的方法成型试件来用于室内测试力学性能，为路基设计与性能预估提供基本参数，因此精确地测试室内路基土试样的力学性能对保证路基的使用性能与耐久性至关重要。而路基土试样的力学性能与室内制备方法密切相关，且受最大干密度、击实功与击实方式等因素的影响，因此开发一种能模拟现代重型振碾设备现场碾压效果的试件制备方法，对合理地获取路基设计参数、提高路基设计与施工质量具有重要意义。《公路土工试验规程》(jtge40-2007)仍采用击实方法、振动台法或表面振动压实法获取最大干密度和成型试件，这些方法适用于粒径小于40mm或60mm的土，且击实功及击实方式与现代重型振碾压实设备严重不符，以致压实标准过低、室内成型试件的工程性质与路基的承载特性差异较大，进而导致土石混填路基的压实质量无法得到有效控制。由于室内试件成型方法与实际振碾条件不符，导致室内成型试件的工程性质与现场芯样强度差异较大，进而无法正确揭示材料组成与性能之间的客观规律，导致土石混填路基的沉降变形与失稳特性没有得到有效预测。击实方法特别是重型击实方法是应用最为普遍的方法，该方法采用击实方法确定路基土的最大干密度ρdmax与最佳含水量ω0，根据所确定的ρdmax与ω0采用静力压实方法制备路基土的圆柱形试件，用于测试路基土的力学性能。分析该方法，发现该方法已远远不能适应现代重型设备发展的需要，主要缺陷如下：(1)击实方法确定路基土的最大干密度ρdmax与最佳含水量ω0:①击实功及击实方式与现代重型振碾压路机严重不符，导致压实标准过低，现场压实度容易出现超百现象，无法真正发挥现代重型振碾压实设备的功效；②该方法分3层击实、每层击实98次。击实锤往往会将粒径较大粒径的土砸碎，改变了试验材料的颗粒分布特性，导致测试结果易失真；③与现场振碾相比，击实过程缓慢，导致试验前后材料水分变化大；④最为严重的是，重型击实过程中，由于土石混合料中每层都有很多大粒径碎砾石的存在，试件表面难以削平，试件高度难以准确测定。(2)静力压实方法制备路基土的圆柱形试件：①击实方式与静力压实制备方式不相匹配；②静力压实制备试件不符合实际振动碾压路基的条件，制备的试件与实际碾压成型的路基不符合，两者的力学相关性不足55％；③土石混合料中每层都有很多大粒径碎砾石的存在，静力压实制备过程中集料压碎情况较为严重，制备的试件级配与实际碾压成型的路基级配不相符；④静力压实制备过程中水分损失情况较为严重，这与实际现场碾压的路基土含水量不符。技术实现要素：针对现有技术中存在的问题，本发明的目的旨在提供一种模拟现场碾压效果的土石混填路基土力学试件的制备方法，该方法制备的试件用于力学性能测试。其操作简便，室内试件与现场芯样的力学相关性高，力学性能测试结果可靠。本发明拟采用以下技术方案来解决上述问题，具体过程如下：模拟现场碾压效果的土石混填路基土力学试件的制备方法，包括如下步骤：步骤1：先确定土石混合料的最大干密度ρdmax与最佳含水率ω0；步骤2：采用振动法成型力学试件。所述步骤1包括如下步骤：步骤1.1，将土石混填料试样烘干至恒重；步骤1.2，将烘干至恒重的土石混填料试样冷却至室温；步骤1.3，配制若干份土石混合料试样，以一定梯度含水率向试样加入水，拌合至均匀状态，再将土石混合料试样密闭闷料，然后再将每份试样的闷湿土石混合料均分为2份；步骤1.4，取步骤1.3中均分后1份的土样装入试模中；步骤1.5，将试样进行第一次振动击实；步骤1.6，再将步骤1.3中均分后的另一份土样装入试模中，进行第二次振动击实；步骤1.7，将步骤1.6振动击实后的试样进行脱模并量取试样高度、直径和质量，从试样上取土石混合料并测试其含水率，计算干密度；步骤1.8，重复步骤1.4至步骤1.7，得到若干份试样含水率与干密度；步骤1.9，根据步骤1.8得到的若干份试样的含水率与干密度，绘制干密度—含水率关系曲线，其中横坐标为含水率、纵坐标为干密度，曲线峰值所对应的干密度为最大干密度ρdmax、所对应的含水率为最佳含水率ω0。所述步骤1.1中的烘干过程，以及在步骤1.7中测试含水率时的烘干过程中，烘干温度为105±5℃，时间不少于6小时。所述步骤1.3中，通过四分法配制若干份土石混合料试样，以2％～3％梯度的含水率向试样中加入水，拌合至均匀状态，装入塑料袋中封闭闷料24h；再采用四分法将每份试样的闷湿土石混合料均分为2份。所述步骤1.4中，所述试模的规格为：直径×高度＝150mm×230mm；将土样装模时，在试模底部放置一直径×高度＝150mm×50mm的垫块，垫块上放置一直径为150mm的滤纸。所述步骤1.5中，在将试样进行第一次振动击实前，向试模中的土石混合料顶面放置滤纸，第一次振动击实的时间为50s，振动击实仪参数设置为：振动频率25hz，激振力5.5kn、名义振幅1.4mm、、上车质量110±2kg、下车质量170±2kg、偏心块夹角0°、静面压力109kpa。所述步骤1.6中，第二次振动击实前，先清除掉表面滤纸、并进行拉毛，将步骤三中均分后的另一份土样装入试模中后进行刮平，并在试样上表面放置滤纸，再进行第二次振动击实，参数与第一次振动击实相同。所述步骤2包括如下步骤：步骤2.1，将土石混填料烘干至恒重；步骤2.2，再测定试验材料固有的含水率ω固；步骤2.3，结合最佳含水率ω0和最大干密度ρdmax，计算制备一个力学试件的所需加水量m水及添料量m添；其中，m水＝4800(ω0-ω固)，m添＝ρdmax(1+0.01ω0)2177；步骤2.4，取一组料，配得所需土石比的相同试样若干份，每份质量均相同；向其中加入步骤2.3计算所得的加水量m水，拌和均匀后闷料；步骤2.5，取步骤2.4中配得的一份试样进行振动试验，将该份试样均匀分成两小份，取其中一小份加入到试模内，进行第一次振动击实；步骤2.6，将步骤2.5中试样均匀分成两份中的另一小份填入试模内，再进行第二次振动击实，振动成型得到一个力学试件。所述步骤2.5与2.6中，第一次振动击实和第二次振动击实的时间均为50s，振动击实仪参数为振动频率25hz、激振力5.5kn、名义振幅1.4mm、上车质量110±2kg、下车质量170±2kg、偏心块夹角0°、静面压力109kpa。所述步骤2.1中，烘干过程中，温度为105±5℃，时间不小于6小时；所述步骤2.5中，所用试模为直径152mm，高为170mm的标准试模。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的模拟现场碾压效果的土石混填路基土力学试件的制备方法首先确定土石混合料的最大干密度ρdmax与最佳含水率ω0；再采用振动法成型力学试件，因此对原材料的破坏小，膨胀率、吸水量容易测定，成型试件的cbr值及回弹模量值与现场接近，通过本发明的方法能够提高土石混填路基土承载力60％以上；所确定的最大干密度与现代重型振碾设备所碾压的现场路基最大干密度基本一致，成型试件力学参数测试结果与现场实测结果相关性不低于85％；真正发挥了现代重型振碾压实设备的功效，提高了路基的压实质量，使得室内试件的力学测试结果能充分模拟现场芯样，提高了路基设计与性能预估的可靠性，其操作简便，室内试件与现场芯样的力学相关性高，力学性能测试结果可靠。【附图说明】图1是通过本发明的方法制备的力学试件(其中路基土石混合料的土石比＝60:40)的干密度—含水率曲线。图2是通过重型击实法测定的路基土石混合料(土石比＝60:40)的干密度—含水率曲线。图3是通过本发明的方法制备的力学试件(其中路基土石混合料的土石比＝50:50)的干密度—含水率曲线。图4是通过重型击实法测定的路基土石混合料(土石比＝50:50)的干密度—含水率曲线。图5是通过本发明的方法制备的力学试件(其中路基土石混合料的土石比＝60:40)的cbr测试曲线。图6是通过重型击实法制备的路基土石混合料(土石比＝60:40)试件的cbr测试曲线。图7是通过本发明的方法制备的力学试件(其中路基土石混合料的土石比＝50:50)的cbr测试曲线。图8是通过重型击实法制备的路基土石混合料(土石比＝50:50)试件的cbr测试曲线。【具体实施方式】下面结合附图和实施例对本发明的内容做进一步的详细解释说明。本发明的模拟现场碾压效果的土石混填路基土力学试件的制备方法适用于土石混填路基土材料，成型的试件尺寸满足规范设计要求及力学试验仪器(cbr仪、路面材料强度仪等)测量的要求，包括如下步骤：步骤1：采用振动击实法确定土石混合料的最大干密度ρdmax与最佳含水率ω0；步骤2：更换标准试模，采用振动法成型力学试件；其中，步骤1包括如下步骤：步骤1.1：取若干土石混合料置于烘箱中烘干，温度为105±5℃，时间不小于6小时；步骤1.2：将试样从烘箱中取出，将其置于室温中冷却；步骤1.3：取一组料配得5份试样，以2～3％梯度的含水率(水的质量与土石混填料质量的比值)向试样加入水(如同样的5份试样依次加入2％、4％、6％、8％、10％的水)，拌合至均匀状态，装入塑料袋中封闭闷料24h；采用四分法将闷湿土石混填料均分为2份；步骤1.4：取均分后试样的约50％装入直径×高度＝150mm×230mm的试模中，试模底部放置一直径×高度＝150mm×50mm的垫块，垫块上分放置一直径150mm的滤纸；步骤1.5：向试模中的土石混填料顶面放置滤纸，并将试模固定到振动击实仪上，启动振动开关进行第一层压实，振动击实50s；振动击实仪参数设置为：振动频率25hz、激振力5.5kn、名义振幅1.4mm、上车质量110±2kg、下车质量170±2kg、偏心块夹角0°、静面压力109kpa；步骤1.6：将试模从振动击实仪中取出，用刮刀清除掉表面滤纸、并进行拉毛，将剩下的约占总量50％的另一半土石混填料装入试模中并刮平，放置滤纸，进行第二次振动击实试验，振动击实50s；步骤1.7：用电动脱模机将试件从试模中完整脱出，揭掉表面滤纸，用游标卡尺量取量试件高度h和直径d，称量试件质量m1；将试件破碎从试件中部取约550g土石混合料放入小铁盒中，然后置于105±5℃烘箱中烘干6小时，测试含水率ω1(以百分数计)，计算试样的干密度式中，w1为第1份试样的含水率，％；ρd(1)为第1份试样的干密度，g/cm3；步骤1.8：重复步骤1.4～步骤1.7，用此组中剩余4份料进行试验，共得到5份试验的含水率wi与干密度ρd(i)，i＝1，2，3，4，5；步骤1.9：根据5组数据绘制干密度—含水率关系曲线，其中横坐标为含水率，纵坐标为干密度，曲线峰值所对应的干密度为最大干密度ρdmax、所对应的含水率为最佳含水率ω0；步骤2包括如下步骤：步骤2.1：在预定做试验的前一天，从密封储存的试样中取符合试验土石比条件的试样，置于105±5℃的烘箱中烘干至恒重，时间不小于6小时；步骤2.2：测定试验材料固有的含水率ω固，步骤2.3，结合最佳含水率ω0和最大干密度ρdmax，计算制备一个力学试件的所需加水量m水及添料量m添；其中，m水＝4800(ω0-ω固)，m添＝ρdmax(1+0.01ω0)2177；步骤2.4：取一组料配得所需土石比的相同试样3份，每份质量4800g；向其中加入步骤2.3计算所得的加水量m水，拌和均匀后闷料24h；步骤2.5：取步骤2.4中配得的第一份试样进行振动试验，成型力学试件所用标准试模内径152mm，高度170mm，根据含水率和干密度以及试模尺寸计算所需的试验用料，将试样用四分法均匀分成两小份，取其中一小份加入到试模内，进行第一次振动击实50s；步骤2.6：取出垫块，用电动脱模机将混合料顶至移除的垫块那一端，待试样表面与试模端部平齐，移除垫块，对第一层填料表面进行拉毛处理；取步骤2.5中另一小份料填入试模内，整平表面，加上滤纸，进行第二次振动击实50s，振动成型得到第一个力学试件；步骤2.7：用剩下的料，按照上述的步骤2.5～步骤2.6，重复试验两次，得到一组平行3个力学试件。实施例1本实施例的具体实施步骤如下(以60:40的土石混填料为例)。步骤1、确定最佳含水率及最大干密度；①取料置烘箱中烘干至恒重，烘干时间为8左右，烘箱温度设定为105±5℃；②从烘箱中将料取出，待冷却后进行筛分，剔除40mm以上的料，将各档筛上的料倒入对应标号的大铁盒中，密闭保存；③按照试验对应的土石比配料：60:40的土石比，每份4800g；其中0～2mm、2～5mm、5～10mm、10～20mm、20～40mm的各档料分别对应称量1440g、1440g、960g、480g、480g，称完后置于大铁盒中均匀铺开，加水拌和(加水量按2％的梯度增加，如2％、4％、6％、8％、10％)，共得到一组5份试验用料；④闷料24h后，开始试验：取其中一份试料，用四分法将料平均分为两份，取一半量装入下部放有50mm高垫块、垫块上有直径150mm滤纸的试模中(试模直径150mm，高度230mm)，刮平填料，上部覆盖滤纸，进行第一层振动压实约50s；振完后除掉混合料表面层滤纸，对试模内填料顶部进行拉毛，倒入剩下的一半料进行第二次振动压实试验约50s；(振动压实仪的工作参数为振动频率25hz、激振力5.5kn、名义振幅1.4mm、上车质量110±2kg、下车质量170±2kg、偏心块夹角0°、静面压力109kpa)；⑤对试件进行脱模，从360°四个方向量试件高度及底面直径，测含水率，重复试验5次，根据数据计算得到5组试样含水率及对应干密度，绘制干密度—含水率关系曲线见图1示，得到该试验条件下最佳含水率ω0为9.3％及最大干密度ρdmax为2.14g/cm3，如表1所示，表1为5组组试样含水率及对应干密度；表1试验序号12345平均含水率(％)5.67.39.210.412.6干密度(g/cm3)1.992.042.092.072.01步骤2、根据最佳含水率及最大干密度振动成型力学试件：⑥成型力学试件试验前一天，从筛分过的密闭储存的土石混填料中取样，按试验条件土石比(60:40)配料，置于105±5℃的烘箱中烘干6小时，测试验用料的固有含水率为1.76％；⑦按试验要求的土石比进行配料，如60:40土石比，按0～2mm、2～5mm、5～10mm、10～20mm、20～40mm依次称料，共计4800g，根据之前振动试验得到的该条件下的最佳含水率9.3％及最大干密度2.14g/cm3；考虑原混合料的固有含水率1.76％，重新对混合料进行加水拌匀，加水量为4800÷(1+0.0176)×(0.093-0.0176)＝356g，使土石混填料尽可能接近试验最佳含水率及最大干密度，一组制备3份相同试样；⑧将均匀拌和好的3份试样，分别置于3个大铁盒中铺散开来，进行闷料24h；⑨振动成型力学试件：取第一份试样进行振动试验，成型力学试件所用标准试模内径152mm，高度170mm；根据含水率和干密度以及试模尺寸计算所需的试验用料2.14×(1+0.093)×2177＝5092g；考虑到试验过程中人为损失取料质量为5092±50g，将试样用四分法均匀分成两小份，从一小份中取计算加料的一半2546g加入到试模内，进行振动击实约50s，取出垫块，用电动脱模机将混合料顶至移除的垫块那一端，待试样表面与试模端部平齐，移除垫块，对第一层填料表面进行拉毛处理；从另一小份料中取计算所需的剩下一半2546g填入试模内，整平表面，加上滤纸，进行振动压实50s，振动成型得到第一个力学试件；用剩下的料，按照上述的子步骤⑧～⑨，重复试验两次，得到一组平行3个力学试件。表2为通过本发明的方法制备的力学试件(其中路基土石混合料的土石比＝60:40)的cbr测试表；表2表3为通过重型击实法制备的路基土石混合料(土石比＝60:40)试件的cbr测试表；表3通过本实施例制备的土石混填路基土试件(土石比＝60:40)的cbr测试曲线图如图5和表2所示，cbr为61.75％，现场碾压后路基的cbr为68.53％，两者的相关性达到90.1％；通过重型击实法制备的土石混填路基土力学试件(土石比＝60:40)的cbr测试曲线如图6和表3所示，cbr为37.93％，仅为现场碾压后路基cbr的55.3％。通过本发明制备的土石混填路基土试件的cbr是型击实法制备试件的1.63倍，即承载力提高了63％。实施例2本实施例的具体实施步骤如下(以50:50的土石混填料为例)步骤1、测试验条件下的最佳含水率及最大干密度；①取料置烘箱中烘干至恒重，烘干时间为8小时，烘箱温度设定为105±5℃；②从烘箱中将料取出，待冷却后进行筛分，剔除40mm以上的料，将各档筛上的料倒入对应标号的大铁盒中，密闭保存；③按照试验对应的土石比配料：50:50的土石比，每份4800g；其中0～2mm、2～5mm、5～10mm、10～20mm、20～40mm的各档料分别对应称量1200g、1200g、720g、720g、960g，称完后置于大铁盒中均匀铺开，加水拌和(加水量按2％的梯度增加，如2％、4％、6％、8％、10％)，共得到一组5份试验用料；④闷料24h后，开始试验：取其中一份试料，用四分法将料平均分为两份，取一半量装入下部放有50mm高垫块、垫块上有直径150mm滤纸的试模中(试模直径150mm，高度230mm)，刮平填料，上部覆盖滤纸，进行第一层振动压实约50s；振完后除掉混合料表面层滤纸，对试模内填料顶部进行拉毛，倒入剩下的一半料进行第二次振动压实试验约50s；(振动压实仪的工作参数为振动频率25hz、激振力5.5kn、名义振幅1.4mm、上车质量110±2kg、下车质量170±2kg、偏心块夹角0°、静面压力109kpa)；⑤对试件进行脱模，从360°四个方向量试件高度及底面直径，测含水率，重复试验5次，根据数据计算得到5组试样含水率及对应干密度，绘制干密度—含水率关系曲线见图2示，得到该试验条件下最佳含水率ω0为9.1％及最大干密度ρdmax为2.11g/cm3，如表2所示，表4为5组组试样含水率及对应干密度；表4试验序号12345平均含水率(％)4.17.58.710.612.8干密度(g/cm3)2.002.062.112.062.00步骤2、根据最佳含水率及最大干密度振动成型力学试件：⑥成型力学试件试验前一天，从筛分过的密闭储存的土石混填料中取样，按试验条件土石比(50:50)配料，置于105±5℃的烘箱中烘干6小时，测试验用料的固有含水率为1.68％；⑦按试验要求的土石比进行配料，如50:50土石比，按0～2mm、2～5mm、5～10mm、10～20mm、20～40mm依次称料，共计4800g，根据之前振动试验得到的该条件下的最佳含水率9.1％及最大干密度2.11g/cm3；考虑原混合料的固有含水率1.68％，重新对混合料进行加水拌匀，加水量为4800÷(1+0.0168)×(0.091-0.0168)＝350g，使土石混填料尽可能接近试验最佳含水率及最大干密度，一组制备3份相同试样；⑧将均匀拌和好的3份试样，分别置于3个大铁盒中铺散开来，进行闷料24h；⑨振动成型力学试件：取第一份试样进行振动试验，成型力学试件所用标准试模内径152mm，高度170mm；根据含水率和干密度以及试模尺寸计算所需的试验用料2.11×(1+0.091)×2177＝5011g；考虑到试验过程中人为损失取料质量为5011±50g，将试样用四分法均匀分成两小份，从一小份中取计算加料的一半2530g加入到试模内，进行振动击实约50s，取出垫块，用电动脱模机将混合料顶至移除的垫块那一端，待试样表面与试模端部平齐，移除垫块，对第一层填料表面进行拉毛处理；从另一小份料中取计算所需的剩下一半2530g填入试模内，整平表面，加上滤纸，进行振动压实50s，振动成型得到第一个力学试件；用剩下的料，按照上述的子步骤⑧～⑨，重复试验两次，得到一组平行3个力学试件。表5为通过本发明的方法制备的力学试件(其中路基土石混合料的土石比＝50:50)的cbr测试表；表5表6为通过重型击实法制备的路基土石混合料(土石比＝50:50)试件的cbr测试表；表6通过本实施例制备的土石混填路基土试件(土石比＝50:50)的cbr测试曲线图如图7和表5所示，cbr为67.76％，现场碾压后路基的cbr为79.34％，两者的相关性达到85.4％；；通过重型击实法制备的土石混填路基土力学试件(土石比＝50:50)的cbr测试曲线如图8和表6所示，cbr为39.09％，仅为现场碾压后路基cbr的49.3％。通过本发明制备的土石混填路基土试件的cbr是型击实法制备试件的1.73倍，即承载力提高了73％。当前第1页12