粗顆粒土混合料最大干密度及壓實(shí)度試驗(yàn)研究

杜可耕，李安珍

(中交一公局海威工程建設(shè)有限公司，北京 101119)

目前高速鐵路客運(yùn)專線施工中，路基的剛度及穩(wěn)定性是影響行車(chē)安全和舒適性的一個(gè)重要因素。粗粒土是指砂礫石、砂卵石、石渣、爆破開(kāi)采的石料等粗顆粒土石混合料，粗顆粒間黏結(jié)力小、透水性強(qiáng)，具有良好的工程使用性能，因此粗顆粒土混合料在高速鐵路路堤填筑中得到廣泛的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)方法

首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的粗顆粒土混合料進(jìn)行土粒分析，然后按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)中的振動(dòng)方法(表面振動(dòng)儀法與振動(dòng)臺(tái)法)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)過(guò)程為:

1)按濕法試驗(yàn)時(shí)，可對(duì)烘干試料加足量水，或用現(xiàn)場(chǎng)濕土料進(jìn)行。拌勻試料(使顆粒級(jí)配及含水均勻)，然后大致分成3份。如果向干料中加水，則最小飽和時(shí)間需1/2 h。加水宜加到足夠份量，即在拌合盤(pán)中無(wú)自由水滯積，且在振密過(guò)程中基本保持飽和狀態(tài)。

對(duì)于烘干試料中的加水量，可嘗試每4.5 kg試料約加1 000 ml的水量，亦或按下式估算

式中，Mw為加水量，g;ρd為由起初振密結(jié)果所估算的干密度，kg/m3;Ms為試樣質(zhì)量，g;ρw為水的密度，取1 000 kg/m3;Gs為土粒相對(duì)密度。

2)將試筒固定于底板上，用小鏟或大勺將任一份濕料徐徐填入試筒(裝填量宜使振畢試樣等于或略低于筒高的1/3)。

3)放下振動(dòng)器，表面振動(dòng)儀振動(dòng)6 min，振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)8 min。吊起振動(dòng)器，吸去試樣表面自由水。

4)重復(fù) 2)和3)進(jìn)行第二層、第三層試樣振動(dòng)壓實(shí)。

5)卸去套筒測(cè)定振畢試樣高度，讀數(shù)宜從4個(gè)不同點(diǎn)位讀取，并精確至0.5 mm，取4次讀數(shù)平均值作為試樣高度H0。

6)測(cè)定試樣含水率，計(jì)算最大干密度ρdmax。

7)重復(fù)1)至6)，直至獲得一致的最大干密度。但須制備足夠的代表性試樣，不得重復(fù)振動(dòng)壓實(shí)同一個(gè)試樣。

2 最大干密度試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土粒級(jí)配分析

對(duì)不同的粗顆粒土混合料采用篩分法進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。不同土樣級(jí)配系數(shù)如表1所示。

圖2 不同土樣的級(jí)配曲線

表1 不同土樣級(jí)配系數(shù)

由表1可以看出，七類土中試樣2#，4#，6#的級(jí)配組成較差，土樣6#為卵石土，其他土樣為碎石土。參考規(guī)范［1-3］并結(jié)合工程實(shí)際，本文規(guī)定:＜5 mm的顆粒稱為細(xì)顆粒，＞5 mm的顆粒稱為粗顆粒［4-6］。

2.2 表面振動(dòng)儀法、振動(dòng)臺(tái)法試驗(yàn)結(jié)果與分析

表面振動(dòng)儀法和振動(dòng)臺(tái)法測(cè)得的最大干密度見(jiàn)圖3。

在通常情況下，粗顆粒土混合料結(jié)構(gòu)中粗顆粒通過(guò)土粘結(jié)在一起，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在很大程度上取決于石質(zhì)骨架的強(qiáng)度組成因素，即混合料內(nèi)摩阻力大小，而該摩阻力又取決于顆粒形狀及其表面特性等。6#土樣為表面光滑的鵝卵石，其形狀多為圓形，振動(dòng)時(shí)其表面的摩阻力較小，能夠更充分地被振動(dòng)密實(shí)，所以其干密度值較其它幾類土大。其余幾組為碎石，因此相對(duì)于卵石其最大干密度較小。

另外級(jí)配相近的土樣4#，5#，7#最大干密度極為相近，這說(shuō)明級(jí)配的組成對(duì)粗顆粒土混合料最大干密度的影響極大。1#，2#，3#，6#四種土樣最大干密度值相差較大，是由于土料的質(zhì)地有著根本性差異和級(jí)配組成相差較大所致，級(jí)配良好土組的最大干密度整體上大于級(jí)配不良土組的。

同時(shí)也可以看出，針對(duì)同一種土加水后濕土法測(cè)得的最大干密度明顯要大于干土法所測(cè)的最大干密度。這是由于水的介入起到了一定潤(rùn)滑，使得土粒之間的摩阻力減小，定向運(yùn)動(dòng)更為容易，因而使得粗顆粒土混合料振動(dòng)得更加密實(shí)。另外水的介入也起到了一定的填充作用，粗顆粒土中的孔隙得到了充分的填充從而更加密實(shí)，所以濕土法測(cè)得的最大干密度明顯大于干土法。

由圖4可見(jiàn)，同一種粗顆粒土混合料在相同的條件下，表面振動(dòng)儀法的壓實(shí)效果要優(yōu)于振動(dòng)臺(tái)法。這說(shuō)明表面振動(dòng)儀法要略微優(yōu)于振動(dòng)臺(tái)法，即表面振動(dòng)(振動(dòng)自上而下傳遞)要優(yōu)于底部振動(dòng)(振動(dòng)自下而上傳遞)。另外，表面振動(dòng)儀法更加便于操作，并且振動(dòng)機(jī)理與現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)較為相似，因此做粗顆粒土混合料最大干密度振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，本文推薦使用表面振動(dòng)儀法。圖4中干土法與濕土法的試驗(yàn)結(jié)果表明，在干土條件下表面振動(dòng)儀法振實(shí)效果更優(yōu)，這也表明在沒(méi)有水膜潤(rùn)滑的狀態(tài)下振動(dòng)臺(tái)法所提供的振搗力不能對(duì)干土提供較好的振密作用。

3 粗顆粒土混合料路基壓實(shí)度確定與分析

圖4 兩種振動(dòng)方法結(jié)果對(duì)比

下面將現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)最大干密度與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所測(cè)最大干密度進(jìn)行對(duì)比，以分析粗顆粒土混合料路基的壓實(shí)度。為了使壓實(shí)度值更有說(shuō)服力，從京石客專正定段施工路基選取10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行土粒分析及密度試驗(yàn)(篩分結(jié)果見(jiàn)圖5)，然后采用與現(xiàn)場(chǎng)10個(gè)土樣相同的級(jí)配，配制試樣，進(jìn)行室內(nèi)表面振動(dòng)法最大干密度試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)與室內(nèi)試驗(yàn)所得粗顆粒土混合料最大干密度結(jié)果對(duì)比如表2。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)所取10個(gè)點(diǎn)的級(jí)配曲線

表2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表2可見(jiàn)，路基壓實(shí)度都在95%以上，1點(diǎn)室內(nèi)試驗(yàn)之所以小于現(xiàn)場(chǎng)所得，經(jīng)分析是由于現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)級(jí)配不一致或者現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)能量大于實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)能量所致。由此可見(jiàn)，采用表面振動(dòng)法測(cè)試所得最大干密度可有效地用于高速鐵路路基壓實(shí)度的評(píng)價(jià)。此方法為一種較為理想的確定粗顆粒土混合料最大干密度的方法。

4 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)兩種方法試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，可得以下主要結(jié)論:

1)級(jí)配良好土組的最大干密度整體上大于級(jí)配不良土組的;同一種土濕土法測(cè)得的最大干密度明顯大于干土法。

2)表面振動(dòng)儀法的壓實(shí)效果要優(yōu)于振動(dòng)臺(tái)法，做粗顆粒土混合料最大干密度振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，本文推薦使用表面振動(dòng)儀法。

3)表面振動(dòng)法提供的最大干密度是有效的，施工過(guò)程中可以采用此法測(cè)取最大干密度來(lái)控制路基壓實(shí)質(zhì)量。

［1］ 南京水利科學(xué)研究院．SL 237—1999 水利土工試驗(yàn)規(guī)程［S］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1999．

［2］ 中華人民共和國(guó)交通部．JTG E40—2007 公路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］．北京:人民交通出版社，1999．

［3］ 中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10102—2004 鐵路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2004．

［4］ 杜華，邢愛(ài)國(guó)．多土類土石混填路基壓實(shí)度快速預(yù)測(cè)研究［J］．鐵道建筑，2008(2):59-60．

［5］ 張智．客運(yùn)專線鐵路路基變形模量檢測(cè)與路基壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)分析［J］．鐵道建筑，2010(7):84-86．

［6］ 杜文忠．干旱地區(qū)鐵路粗粒土路基壓實(shí)含水率分析［J］．鐵道建筑，2011(10):59-60．