土承載比（CBR）檢測技術(shù)

一、檢測原理
土承載比（California Bearing Ratio, CBR）是表征路基土、基層材料及墊層材料力學(xué)強度的經(jīng)驗性指標(biāo)，其定義為：標(biāo)準(zhǔn)貫入桿以一定速率壓入試樣時，在特定貫入深度（通常為2.5mm和5.0mm）下，材料單位面積所承受的壓力與相同貫入深度下標(biāo)準(zhǔn)碎石材料單位面積所承受壓力的百分比。其科學(xué)依據(jù)源于對材料局部抗剪切能力的模擬，反映了材料在受荷狀態(tài)下抵抗貫入變形的能力。CBR值與材料的內(nèi)摩擦角、粘聚力及密度密切相關(guān)，是評價材料承載能力的關(guān)鍵參數(shù)。對于非飽和土，其強度還與基質(zhì)吸力有關(guān)，但標(biāo)準(zhǔn)CBR試驗并未直接考慮此因素。

二、檢測項目
CBR檢測主要圍繞材料在不同狀態(tài)下的力學(xué)性能展開，系統(tǒng)分類如下：

1. 室內(nèi)CBR試驗：這是核心的檢測項目。

   • 擊實試樣CBR：對試樣進行標(biāo)準(zhǔn)擊實或修正擊實，測定其佳含水率及大干密度下的CBR值，用于設(shè)計與質(zhì)量控制。

   • 浸水CBR：試樣在特定條件下（通常為飽水4天）浸泡后測定的CBR值，用于模擬不利水文條件，評價材料的水穩(wěn)定性。浸水膨脹量的測定是此項目的關(guān)鍵組成部分。

   • 原狀試樣CBR：對現(xiàn)場取得的原狀土樣直接進行試驗，測定其天然狀態(tài)下的承載比。

2. 現(xiàn)場CBR試驗：

   • 原位CBR試驗：使用現(xiàn)場CBR儀直接在路基或場地上進行測試，獲取現(xiàn)場條件下的CBR值，結(jié)果受現(xiàn)場含水率和密實度影響。

   • 動態(tài)錐貫入儀（DCP）相關(guān)性CBR：通過DCP測試的貫入指數(shù)與CBR值之間的經(jīng)驗關(guān)系式，快速推算現(xiàn)場CBR，常用于快速普查。

三、檢測范圍
CBR檢測廣泛應(yīng)用于對地基承載力有要求的工程領(lǐng)域：

1. 公路工程：用于評價路基土、級配碎石基層、穩(wěn)定土基層（如水泥穩(wěn)定土、石灰穩(wěn)定土）的承載能力，是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計厚度的核心依據(jù)。

2. 機場工程：跑道道基、停機坪地基的強度評價與質(zhì)量控制。

3. 鐵路工程：路基基床表層及底層填料的承載力評估。

4. 港口與航道工程：碼頭堆場、后方陸域形成的地基處理效果檢驗。

5. 建筑工程：建筑物地基、場地平整后的地基承載力快速評價。

6. 水利工程：堤壩填筑材料的質(zhì)量控制和穩(wěn)定性評估。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)
國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在核心原理上一致，但在試件制備、養(yǎng)護、試驗細節(jié)上存在差異。

1. 主流標(biāo)準(zhǔn)：

   • ASTM D1883：美國材料與試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)。采用修正擊實功（每層56擊），強調(diào)浸水養(yǎng)護，是上廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)之一。

   • AASHTO T193：美國州公路與運輸官員協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，與ASTM D1883高度相似。

   • BS 1377-4：英國標(biāo)準(zhǔn)。提供了多種擊實方法（2.5kg或4.5kg錘）的選擇，浸水程序與ASTM略有不同。

2. 中國標(biāo)準(zhǔn)：

   • JTG 3430-2020：《公路土工試驗規(guī)程》。采用擊實功分為三類：重型（I-1、I-2）和輕型（II-1），其中I-1法（每層98擊）與ASTM修正法等效，I-2法（每層30擊）適用于以碎石為主的粒料。對浸水時間、貫入速率等有明確規(guī)定。

3. 對比分析：

   • 擊實功：中國標(biāo)準(zhǔn)提供了更靈活的擊實功選擇，以適應(yīng)不同工程要求和材料類型；ASTM標(biāo)準(zhǔn)主要采用修正擊實功。

   • 浸水程序：各標(biāo)準(zhǔn)對試樣飽水方法、浸泡時間及頂面荷載的規(guī)定存在細微差別，影響終的浸水CBR值。

   • 結(jié)果取值：普遍規(guī)定先計算2.5mm和5.0mm貫入深度時的CBR值，通常取2.5mm處的值作為材料的CBR；若5.0mm處的值更大，則需重新試驗，若仍如此，則取5.0mm處的值。

五、檢測方法
以室內(nèi)CBR試驗（以JTG 3430重型I-1法為例）為核心：

1. 試樣制備：

   • 根據(jù)擊實試驗確定的佳含水率和大干密度，按預(yù)定干密度和含水率配制土樣。

   • 將試樣分三層裝入CBR試模中，每層按98次進行擊實。

   • 擊實后刮平試樣表面，稱重以計算試樣的濕密度和干密度。

2. 浸水養(yǎng)護：

   • 在試樣頂面加上濾紙和多孔板，并安裝環(huán)形荷載板（通常為4.5kg）。

   • 將試模放入水槽中，安裝好千分表以測量膨脹量。

   • 向水槽內(nèi)注水，使水面高出試樣頂面25mm以上，浸泡96小時（4天）。

   • 浸泡結(jié)束后，讀取千分表讀數(shù)，計算浸水膨脹量。

3. 貫入試驗：

   • 將浸水后的試模從水槽中取出，瀝去表面自由水。

   • 將試模置于加載框架上，安裝標(biāo)準(zhǔn)貫入桿（直徑50mm）。

   • 在貫入桿上施加約45N的初始荷載，調(diào)整測力環(huán)和位移計歸零。

   • 啟動加載設(shè)備，使貫入桿以1~1.25mm/min的恒定速率壓入試樣。

   • 記錄貫入量分別為0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 4.0, 5.0, 7.5, 10.0, 12.5mm時相應(yīng)的測力環(huán)讀數(shù)。

4. 操作要點：

   • 試樣制備的均勻性和密度控制是試驗成功的關(guān)鍵。

   • 浸水過程中必須確保試樣始終處于飽水狀態(tài)。

   • 貫入試驗前，必須確保儀器對中，避免偏載。

   • 貫入速率必須嚴格保持恒定。

六、檢測儀器

1. 室內(nèi)CBR試驗儀：

   • 加載框架：提供反力，通常為機械式或液壓式，要求具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。

   • 測力系統(tǒng)：早期采用機械式測力環(huán)配合百分表，現(xiàn)代儀器多采用荷載傳感器，精度高，便于數(shù)據(jù)自動采集。

   • 位移測量系統(tǒng)：使用位移傳感器或百分表測量貫入深度，要求分辨率至少達到0.01mm。

   • 貫入速率控制裝置：電機驅(qū)動系統(tǒng)，確保貫入桿以1~1.25mm/min的恒定速度運動。

   • CBR試模：內(nèi)徑152mm，高170mm的金屬圓筒，帶有配套的底板和擴展環(huán)。

   • 擊實儀：與試模配套，提供標(biāo)準(zhǔn)擊實能量。

2. 現(xiàn)場CBR試驗儀：主要由承載板、千斤頂、測力計及位移計組成，通過反力裝置（如車輛）提供荷載。

3. 動態(tài)錐貫入儀（DCP）：由落錘、導(dǎo)向桿和錐頭組成，通過測量一定錘擊次數(shù)下的貫入深度來評價土體強度，與CBR具有經(jīng)驗相關(guān)性，便攜、快速。

七、結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)處理：

   • 將貫入試驗記錄的讀數(shù)轉(zhuǎn)換為單位壓力（p）和貫入量（l）。

   • 繪制壓力-貫入量（p-l）曲線。通常該曲線呈上凸形。

   • 按公式計算CBR值：CBR?.? = (p?.? / p??.?) × ， CBR?.? = (p?.? / p??.?) × 。其中，p?.?和p?.?為試樣在2.5mm和5.0mm貫入量時的單位壓力；p??.?和p??.?為標(biāo)準(zhǔn)碎石在相同貫入量時的標(biāo)準(zhǔn)壓力（通常為6.9MPa和10.3MPa）。

2. 結(jié)果評判：

   • 取值規(guī)則：通常采用2.5mm貫入深度對應(yīng)的CBR值。如5.0mm處的CBR值大于2.5mm處，應(yīng)重做試驗。若重做后結(jié)果依舊，則采用5.0mm處的CBR值。

   • 工程應(yīng)用評判：將試驗得到的CBR值與工程設(shè)計規(guī)范要求的低CBR值進行對比。例如，高速公路路基頂面的CBR值可能要求不低于8%，基層材料要求更高。浸水CBR值常用于評估材料在潮濕環(huán)境下的性能保持能力，其值與未浸水CBR值的比值是重要的水穩(wěn)定性指標(biāo)。

   • 膨脹量評判：浸水膨脹量是評價細粒土（特別是黏性土）膨脹潛勢的重要指標(biāo)。過大的膨脹量（如>2%）即使CBR值達標(biāo)，也可能因體積變化對路面造成破壞。

   • p-l曲線形態(tài)分析：曲線的形狀可反映土體性質(zhì)。曲線初始段陡峭表明材料初始剛度大；若曲線平滑且無明顯拐點，表明材料塑性較強。異常曲線可能預(yù)示著試驗誤差或試樣不均勻。