細(xì)粒土含量對(duì)砂性路基土工程特性的影響

盧宇紅，盧旭東

(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410015)

沙土在我國(guó)廣泛分布。沙土按成因可分為風(fēng)積沙土、沖積沙土和洪積沙土。風(fēng)積沙土主要分布在北緯36°～49°之間的干旱和半干旱地區(qū)，包括塔克拉瑪干、古爾班通特、柴達(dá)木、巴丹吉林、烏蘭布、騰格里、庫(kù)布奇、毛烏蘇、小騰格里、西遼河和呼倫貝爾等沙區(qū)。風(fēng)積沙土粒徑分布窄，顆粒均勻，其中中細(xì)砂粒占80%～90%以上，而粗砂粒、粉粒的含量甚微。沖積沙土主要分布于江河、湖泊地區(qū)的沖積平原和沖積扇中，其粒徑分布較均勻，中細(xì)砂含量較高。洪積沙土多出現(xiàn)于山麓傾斜平原地帶，其顆粒分布不均勻，粗砂粒、中砂粒含量較高，而細(xì)砂粒含量相對(duì)較小。由于沙土具有結(jié)構(gòu)松散、級(jí)配不良、空隙率大、壓實(shí)性和抗沖刷能力差等特點(diǎn)，公路工程中直接將其作為路基填料，將會(huì)帶來(lái)諸多工程隱患。對(duì)此，工程中可通過(guò)摻入細(xì)粒土的方法改善沙土的級(jí)配，從而改良其路用特性。

根據(jù)《土的工程分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》［1］，砂土指粒徑大于2 mm的顆粒質(zhì)量不超過(guò)總質(zhì)量的50%，且大于0.075 mm的顆粒質(zhì)量超過(guò)總質(zhì)量50%的土。按此標(biāo)準(zhǔn)，上述各種成因的沙土屬于典型的砂土。目前針對(duì)風(fēng)積沙土的工程性質(zhì)研究較多［2～7］，但針對(duì)其中的細(xì)粒土含量(即黏土含量)對(duì)其強(qiáng)度等工程特性影響的室內(nèi)試驗(yàn)研究相對(duì)較少［8］。因此，本文以黃河中下游沖積平原地區(qū)某高速公路中所遇到的沙土為研究對(duì)象，從現(xiàn)場(chǎng)獲取沙土作為室內(nèi)試驗(yàn)材料，根據(jù)其粒徑分布，分別摻入不同含量的細(xì)粒黏土(俗稱(chēng)泥土)，制成不同試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究細(xì)粒土含量(亦即含泥量)對(duì)砂性路基土的物理力學(xué)及強(qiáng)度等工程特性的影響，為砂性土改良為路用材料提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及試樣制備

1.1 試驗(yàn)材料

本文所有試驗(yàn)土樣的材料，均取自現(xiàn)場(chǎng)沙土。從擬建公路取土場(chǎng)中的12個(gè)取土點(diǎn)采集了室內(nèi)所需的土樣材料。采用《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》［9］顆粒分析試驗(yàn)方法，在室內(nèi)進(jìn)行了顆分試驗(yàn)，得其顆粒組成如表1所示。不均勻系數(shù)Cu=3.6～5.1，曲率系數(shù)Cc=0.53～1.56，表明粒度比較均勻，級(jí)配不良。

表1 現(xiàn)場(chǎng)土的顆粒組成

1.2 室內(nèi)試樣材料配備

為配備后續(xù)試驗(yàn)所用土樣料，從現(xiàn)場(chǎng)取回的砂土中取出足夠量的土料，然后按照一定的比例，摻入不同重量的黏土料(本文指粒徑≤0.075的細(xì)粒土)，于是可得到不同含泥量(分別為5.1%、10.5%、15.3%、19.6%、25.9%、30.2%)下的試樣料如表 2所示，其中表2中試樣料1。表2同時(shí)列出了試樣料在各粒徑范圍內(nèi)土粒的含量。

為了解所配備試樣料的級(jí)配特性，采用《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》［9］方法，對(duì)表2中各試樣料進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)，得其不均勻系數(shù)Cu與曲率系數(shù)Cc如表3所示。從表3可知，除試樣料1外，其他各試樣料的不均勻系數(shù) Cu=5.1～8.2、曲率系數(shù) Cc=1.06～2.37，它們同時(shí)滿足Cu＞5和Cc=1～3兩個(gè)條件，這表明摻入黏土后，有效地改善了砂土的級(jí)配特性。

表2 室內(nèi)試樣材料級(jí)配組成 %

表3 試樣的不均勻系數(shù)Cu與曲率系數(shù)Cc

2 細(xì)粒土含量對(duì)砂性路基土物理特性的影響

2.1 細(xì)粒土含量對(duì)砂性路基土比重的影響

為探討?zhàn)ね翐搅繉?duì)砂性路基土比重的影響，分別對(duì)不同含泥量的室內(nèi)制備試樣進(jìn)行比重測(cè)定，得試樣結(jié)果如表4和圖1所示。從表4和圖1可以看出，隨砂性路基土中含泥量的增加，其比重相應(yīng)增加。當(dāng)含泥量從5.1%增大至30.2%時(shí)，土的顆粒比重增加了1.9%。

表4 不同含泥量下制備樣的比重

2.2 細(xì)粒土含量對(duì)砂性路基土最大干密度和最佳含水量的影響

圖1 不同含泥量砂性路基土的比重

工程實(shí)踐證明，對(duì)于過(guò)濕的路基土進(jìn)行碾壓或夯實(shí)時(shí)會(huì)出現(xiàn)松散和軟彈現(xiàn)象，土體難以壓實(shí)，對(duì)于很干的土進(jìn)行碾壓或夯實(shí)也不能把土充分壓實(shí)，只有在適當(dāng)?shù)暮糠秶鷥?nèi)才能充分壓實(shí)。這種現(xiàn)象可以用土粒結(jié)合水膜潤(rùn)滑理論和電化學(xué)性質(zhì)來(lái)解釋?zhuān)?0］。土在壓實(shí)的過(guò)程中，主要克服顆粒間的引力和摩擦力的作用。對(duì)細(xì)顆粒而言，主要受到顆粒間的引力的控制，摩擦力很小;而對(duì)粗顆粒而言，當(dāng)含水量很小時(shí)，引力小得可以忽略不計(jì)，主要是受到顆粒間的摩擦力控制。對(duì)于砂性路基土，在擊實(shí)過(guò)程中，力主要以振動(dòng)波的形式傳遞，土顆粒在振動(dòng)波的作用下移動(dòng)，重新排列組合，趨于密實(shí)。當(dāng)砂土含有一定水分時(shí)，在砂粒表面形成一層薄的水膜，產(chǎn)生表面張力，從而在砂粒之間形成引力，阻礙砂粒的移動(dòng)，影響土體的密實(shí)。當(dāng)含水量繼續(xù)增大時(shí)，砂粒的水膜增厚，削弱了砂粒之間的引力。此時(shí)除了振動(dòng)本身的作用，自由水也將沿孔隙向外排出，并對(duì)砂顆粒也產(chǎn)生一定的作用力使其位移，這樣綜合的作用使砂的密度有較大提高。當(dāng)含水量繼續(xù)增加時(shí)，出現(xiàn)了過(guò)多的自由水，在擊實(shí)過(guò)程中水分無(wú)法迅速排出，表層開(kāi)始出現(xiàn)液化、飛濺現(xiàn)象，部分的擊實(shí)功被吸收掉，這樣使沙的干密度有所降低。這說(shuō)明，在一定功能下，砂性路基土的壓實(shí)同樣存在一個(gè)最佳含水量和與之相對(duì)應(yīng)的最大干密度值。

砂性路基土顆粒分布均勻，孔隙較大，級(jí)配不良，壓實(shí)效果差。但如果在砂性路基土中摻入一定量細(xì)粒黏土，其孔隙的一部分空間將被粒徑很細(xì)的黏土顆粒填充，這將致使單位體積土的質(zhì)量增加，同時(shí)摻入的黏土使土的吸水和持水性能也發(fā)生改變，并可能改善土體的壓實(shí)效果。為定量研究黏土摻量對(duì)砂性路基土最大干密度和最佳含水量的影響，采用《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》［9］的擊實(shí)試驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟，從配置的各試樣料中取樣進(jìn)行試驗(yàn)，得不同含泥量下砂性路基土的擊實(shí)曲線如圖2所示。

圖2 含泥量 5.1%、10.5%、15.3%、19.6%、25.9%、30.2%時(shí)砂性路基土擊實(shí)曲線

根據(jù)圖2的擊實(shí)曲線，可整理出砂性路基土的最大干密度和最佳含水量隨黏土摻量(含泥量)的變化曲線如圖3、圖4所示。圖3表明砂性路基土的最佳含水量隨黏土摻入量(含泥量)的增加而增加;而圖4顯示，砂性路基土的最大干密度在含泥量低于25%左右時(shí)，隨含泥量增加而增加，而超過(guò)此值后反而降低，這說(shuō)明砂性路基土存在一個(gè)最優(yōu)(臨界)含泥量值，此時(shí)砂粒間孔隙很好地被摻入的細(xì)粒黏土顆粒充填。

圖3 最佳含水量隨含泥量變化曲線

圖4 最大干密度隨含泥量變化曲線

3 細(xì)粒土含量對(duì)砂性路基土強(qiáng)度特性的影響

3.1 細(xì)粒土含量對(duì)砂性路基土CBR值的影響

CBR試驗(yàn)又名加州承載比，是美國(guó)加利福尼亞洲提出的一種以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征其承載能力的試驗(yàn)方法。在直徑15.24 cm、高11.43 cm的土試樣頂面，用直徑4.95 cm的剛性壓頭，以每分鐘壓入變形1.27 mm的速率施加荷載，測(cè)定試樣的荷載—壓入變形曲線。取壓入變形2.54 mm時(shí)的壓力值除以標(biāo)準(zhǔn)碎石在此變形量時(shí)的壓力值，便得到該土樣的加州承載比CBR值。CBR值是路基設(shè)計(jì)時(shí)重要的力學(xué)指標(biāo)之一。

為探討?zhàn)ね翐搅繉?duì)砂性路基土CBR值的影響，按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》［9］對(duì)不同黏土摻量(不同含泥量)砂性路基土樣進(jìn)行了加州承載比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5和圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，存在一個(gè)最佳含泥量值(本試驗(yàn)結(jié)果為20% ～25%)，此時(shí)砂性路基土的CBR值最大。

表5 不同含泥量試樣CBR試驗(yàn)成果

圖5 CBR值隨含泥量變化曲線

3.2 細(xì)粒土含量對(duì)砂性路基土抗剪強(qiáng)度值的影響

由摩爾—庫(kù)倫強(qiáng)度理論可知，土的抗剪強(qiáng)度由粘聚強(qiáng)度和摩擦強(qiáng)度構(gòu)成，其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)是粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。粒狀的無(wú)粘性土的粒間摩阻力包括滑動(dòng)摩擦和由粒間相互咬合所提供的附加阻力，其大小取決于土顆粒的粒度大小、顆粒級(jí)配、密實(shí)度和土粒表面的粗糙度等因素。粘聚力系土粒間的膠結(jié)作用和各種物理—化學(xué)鍵力作用的結(jié)果，其大小與土的礦物組成和壓密程度有關(guān)［10］。為探討?zhàn)ね翐搅繉?duì)砂性路基土抗剪強(qiáng)度的影響，按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》［9］制備不同黏土摻量(含泥量)砂性土在最佳含水量下的擊實(shí)土樣，然后從中取樣進(jìn)行室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)。直剪試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6和圖6、圖7。

圖6和圖7表明，砂性路基土的內(nèi)摩擦角隨黏土摻量的增加而降低，粘聚力隨黏土摻量的增加而增加，且在黏土摻量小于20%時(shí)，粘聚力增長(zhǎng)較快，之后增長(zhǎng)較慢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，黏土的摻入增加了土粒間的膠結(jié)和各種物理—化學(xué)鍵力作用，同時(shí)削弱了土粒間相互咬合及摩阻作用。

表6 不同含泥量下試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)砂性路基土，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)較系統(tǒng)地研究了細(xì)粒土含量(亦即含泥量)對(duì)砂性路基土的級(jí)配特性、壓實(shí)特性、承載特性和抗剪強(qiáng)度等工程特性的影響，取得的主要結(jié)論如下:

1)摻入黏土(增大細(xì)粒土含量)可有效地改善砂性路基土的級(jí)配特性，而且土的顆粒比重隨黏土摻量的增加而增大，但增幅僅為1.9%。

2)砂性路基土存在一個(gè)臨界含泥量值，當(dāng)?shù)陀诖伺R界值(本文為25%左右)時(shí)，最大干密度隨含泥量增加而增加，超過(guò)此值后則逐漸降低。

3)存在一個(gè)最佳含泥量值(本試驗(yàn)結(jié)果為20%～25%)，此時(shí)砂性路基土的CBR值最大。

4)隨黏土摻量的增加，砂性路基土的內(nèi)摩擦角持續(xù)降低，而粘聚力一直增加，但在黏土摻量達(dá)到一定值時(shí)增長(zhǎng)速度減慢。

［1］GB/T 50145－2007，土的工程分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］陳忠達(dá)，張登良.風(fēng)積沙路基壓實(shí)技術(shù)的研究［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1999，12(2):13 －17.

［3］陳忠達(dá)，張登良.塔克拉瑪干風(fēng)積沙工程特性［J］.西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21(3):1 －4.

［4］楊振茂，侯永峰，孔 恒，等.風(fēng)積沙的壓實(shí)特性與循環(huán)荷載下變形性狀的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2002，15(2):8－10.

［5］王益桂，李世芳.風(fēng)積沙相對(duì)密度的試驗(yàn)研究［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2005(4):49－50.

［6］袁玉卿，王選倉(cāng).風(fēng)積沙壓實(shí)特性試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29(3):360 －365.

［7］劉紹寧，袁玉卿，李 偉，等.風(fēng)積沙土工程特性研究［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2011(1):23－28.

［8］宋建華.不同含泥量風(fēng)積沙的物理化學(xué)性質(zhì)［J］.山西建筑，2011，37(12):125 －126.

［9］JTG E40－2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［10］趙明華.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程(第2版)［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2003.