土石混填路基材料最大干密度的影響因素研究

羅亨俊等

摘要：鑒于使用細粒土評價土石混填路基材料的性能適用性及合理性不足，通過對不同粗顆粒含量及不同最大粒徑的30種不同級配的土石混填材料進行擊實試驗，分析了粗顆粒含量與最大粒徑對混填路基材料的影響。考慮了密度干涉系數(shù)、校正系數(shù)，提出了新的最大干密度的理論計算方法。與傳統(tǒng)方法相比，新方法的計算結果更接近實測值，且相對誤差減小了73%。

關鍵詞：土石混填路基；壓實質量；最大干密度；粗顆粒

中圖分類號：U414.03文獻標志碼：B

Abstract： Composition of gradation， changes of moisture content and strength formation mechanism of earthrock mixed materials are different from general fine grained soil， and coarse particle plays a dominant role in it. But when evaluation method of compaction quality of fine grained soil is used to evaluate earthrock mixed materials， the disadvantages of the applicability and rationality are obvious. 30 sets of earthrock mixed materials were picked to carry out the compaction tests in order to analyze the influences of coarse particle content and maximum particle size on the maximum dry density and optimum moisture content of fine grained soil. Parameters such as density interference factor and correction factor were considered， and the calculation methods of maximum dry density were put forward. Relative error decreased by 73% with the new method compared with traditional method.

Key words： subgrade filled with earthrock mixture；compaction quality；maximum dry density；coarse particle

0引言

土石混填路基是指在路基填料中有30%～70%粒徑不小于5 mm的粗顆粒的路基。由于中國高等級公路逐漸向中西部山區(qū)發(fā)展，土石混填路基成為一種不可避免的路基填筑形式[1]。由于土石混填材料的級配組成、含水率變化、強度機理等不同于一般的細粒土，且粗顆粒含量在其中起主導作用，若在評價其壓實質量時仍使用細粒土的評價方法，必然會因為方法的適用性及合理性不足而導致評價有誤差。本文對土石混填材料的性質、結構及強度形成機理等進行比較分析，通過大型擊實試驗分析了粗顆粒含量對土石混填材料性質的影響，并從控制對壓實質量起關鍵作用的最大干密度出發(fā)，研究了影響最大干密度的因素。將密度干涉系數(shù)、校正系數(shù)等引入到最大干密度理論計算方法中，進一步優(yōu)化了土石混填材料最大干密度的計算方法[2]。

1土石混填路基材料及其強度形成

1.1土石混填路基的性質

土石混填路基主要有以下幾方面的特點。

（1） 與普通路基相比，土石混填路基具有沉陷性小、穩(wěn)定性好、抗剪強度高及滲透性低等優(yōu)點，是一種良好的路基結構形式。

（2） 土石混填路基材料的差異性，不僅表現(xiàn)在巖石種類上，還表現(xiàn)在填料來源、級配組成及強度機理等方面。

（3） 在壓實特性方面，土石混填路基與一般填土路基的差別也比較大，除填料中土、石種類及二者之間的含量不同外，其物理結構和力學特性在壓實成型后也有所不同，因此與常見的填土路基相比有較大的差別[3]。

（4） 在施工工藝方面，土石混填路基與一般填土路基也有顯著不同，普通填土路基施工主要的控制指標為層厚度與含水率，而土石混填路基在考慮這兩者的前提下還要考慮填料的最大粒徑、顆粒的強度以及碾壓機械的性能等因素。

（5） 目前還沒有一個更為貼近實測值的較為準確的最大干密度計算方法。

1.2土石混填路基材料的結構及強度形成

圖1土石混填材料三種不同結構連接方式

土石混填路基材料是由石料、水、空氣和土顆粒共同組成的一種較為復雜的多相體系[4]，其中礦物質骨架由粗顆粒形成。影響土石混填路基材料結構的主要因素有：粗顆粒形態(tài)特征（顆粒形狀、顆粒級配、顆粒大小及顆粒表面風化程度等）；土的性質（最為重要的指標是含水率和塑性指數(shù)）；土和石質顆粒的相互作用。其中，土和石質顆粒的相互作用有三種表現(xiàn)形式：石質顆粒被土結合料分離，如圖1（a）所示，該結構強度主要依賴于土的粘結力；混填材料中相鄰石質顆粒間為附著結合，如圖1（b）所示，該結構強度主要依靠土的粘聚力和粗顆粒的附著結合力；混填材料中石質顆粒間相互接觸，如圖1（c）所示，該結構強度主要靠粗顆粒的骨架嵌擠作用。

顆粒間的摩擦力、嵌擠鎖結力和粗細顆粒間的粘聚力是土石混填路基材料強度形成的主要原因[5]。工程力學性質不同的顆粒和不同組成比例的顆粒間有類似于瀝青混合料的三種結構類型：懸浮密實型結構、骨架密實型結構和骨架空隙型結構[6]。endprint

2粗顆粒含量及最大粒徑對土石混填材料性質的影響

本文對圖2所示級配的土石混填材料進行大型擊實試驗，其中試驗的土樣粗顆粒含量Pc分別為0%、10%、30%、50%、70%、90%，最大粒徑分別為10、20、40、60、80 mm，具體試驗結果如表1所示。

由圖4可知，當土石混填材料中的粗顆粒含量Pc在10%～70%時，細顆粒的壓實度可以達到66%～97%；當粗顆粒含量Pc在70%～90%時，細顆粒的壓實度降低到34%～66%。通過分析上述數(shù)據可知，在Pc值較大時，細顆粒處于松散狀態(tài)，這種情況下土石混填路基材料的抗?jié)B透及抗沖刷能力較弱。因此，應避免將粗顆粒含量較大的土石混填材料運用于路基邊坡處。

2.3對土石混填材料最佳含水率及細顆粒含水率的影響

由表1可繪制出如圖5所示的土石混填材料中粗顆粒含量與最佳含水率的關系曲線，以及如圖6所示的土石混填材料中粗顆粒含量與細顆粒含水率的關系曲線。

由圖5可知，土石混填材料的最佳含水率隨著粗顆粒含量Pc的增大而減小，同時在最大粒徑不同的土石混填材料中，當粗顆粒含量Pc相同時，土石混填材料的最佳含水率幾乎一樣。由圖6可知：當粗顆粒含量Pc<70%時，細顆粒含水率變化較小；當粗顆粒含量Pc>70%時，細顆粒含水率變化幅度較大，這時細粒土已變成軟塑狀態(tài)。

分別使用式（3）、（10）計算粗顆粒含量為10%、30%、50%、70%、90%條件下土石混填材料的最大干密度，并對理論計算值與實際測定值進行比較分析。當粗顆粒含量為10%時，不同理論計算方法所得密度與實際測定密度如圖9所示。由圖9可知，引用密度干涉系數(shù)和校正系數(shù)后的理論計算式式（10）較式（3）的計算結果更為接近實測值，且相對誤差較傳統(tǒng)計算方法減小了73%。由此可知，當粗顆粒含量為10%～90%時，式（10）的計算值更為貼近實測值。

4結語

本文通過對6種粗顆粒含量及5種最大粒徑的30組土石混填材料進行室內大型擊實試驗，分析、比較其結果后，得出以下幾點結論。

（1） 由粗顆粒含量與土石混填材料的最大干密

圖9式（3）、式（10）計算結果及實測密度

度關系可知，在實際工程中，不宜采用細粒土的最大干密度替代土石混填材料的最大干密度，否則會降低路基的壓實標準。

（2） 由粗顆粒含量與細顆粒的壓實度關系可知，當粗顆粒含量較大時，細顆粒的壓實度較低，處于松散狀態(tài)，導致土石混填材料的抗?jié)B透及抗沖刷能力較弱，所以應避免將粗顆粒含量較大的土石混填材料應用于路基邊坡處。

（3） 在使用土石混填材料的最大理論干密度計算公式時，若考慮密度干涉系數(shù)及校正系數(shù)，其計算結果較傳統(tǒng)方法更接近實測值，且相對誤差減小了73%。當粗顆粒含量為10%～90%時，新方法具有更為廣泛的適用性。

參考文獻：

[1]馮忠居，張永清.粗粒土路基的壓實試驗[J]. 長安大學學報：自然科學版，2004，24（3）：912.

[2]王龍，馬松林，徐德興，等.土石混合料的結構分類[J].哈爾濱建筑大學學報，2000，33（6）：129132.

[3]蔡銘，岳祖潤，葉朝良.粗顆粒土混合料最大干密度及壓實度研究[J].石家莊鐵道大學學報：自然科學版，2013，26（3）：103106.

[4]周志軍.土石混填路基壓實質量控制方法研究[D].西安：長安大學，2006.

[5]姜煒.土石混填路基壓實質量的室內試驗研究[D].西安：長安大學，2005.

[6]周志軍，南浩林，張熠.土石混合料路用工程力學性質試驗[J].長安大學學報：自然科學版，2007，27（5）：1115.

[責任編輯：譚忠華]endprint

2粗顆粒含量及最大粒徑對土石混填材料性質的影響

本文對圖2所示級配的土石混填材料進行大型擊實試驗，其中試驗的土樣粗顆粒含量Pc分別為0%、10%、30%、50%、70%、90%，最大粒徑分別為10、20、40、60、80 mm，具體試驗結果如表1所示。

由圖4可知，當土石混填材料中的粗顆粒含量Pc在10%～70%時，細顆粒的壓實度可以達到66%～97%；當粗顆粒含量Pc在70%～90%時，細顆粒的壓實度降低到34%～66%。通過分析上述數(shù)據可知，在Pc值較大時，細顆粒處于松散狀態(tài)，這種情況下土石混填路基材料的抗?jié)B透及抗沖刷能力較弱。因此，應避免將粗顆粒含量較大的土石混填材料運用于路基邊坡處。

2.3對土石混填材料最佳含水率及細顆粒含水率的影響

由表1可繪制出如圖5所示的土石混填材料中粗顆粒含量與最佳含水率的關系曲線，以及如圖6所示的土石混填材料中粗顆粒含量與細顆粒含水率的關系曲線。

由圖5可知，土石混填材料的最佳含水率隨著粗顆粒含量Pc的增大而減小，同時在最大粒徑不同的土石混填材料中，當粗顆粒含量Pc相同時，土石混填材料的最佳含水率幾乎一樣。由圖6可知：當粗顆粒含量Pc<70%時，細顆粒含水率變化較?。划敶诸w粒含量Pc>70%時，細顆粒含水率變化幅度較大，這時細粒土已變成軟塑狀態(tài)。

分別使用式（3）、（10）計算粗顆粒含量為10%、30%、50%、70%、90%條件下土石混填材料的最大干密度，并對理論計算值與實際測定值進行比較分析。當粗顆粒含量為10%時，不同理論計算方法所得密度與實際測定密度如圖9所示。由圖9可知，引用密度干涉系數(shù)和校正系數(shù)后的理論計算式式（10）較式（3）的計算結果更為接近實測值，且相對誤差較傳統(tǒng)計算方法減小了73%。由此可知，當粗顆粒含量為10%～90%時，式（10）的計算值更為貼近實測值。

4結語

本文通過對6種粗顆粒含量及5種最大粒徑的30組土石混填材料進行室內大型擊實試驗，分析、比較其結果后，得出以下幾點結論。

（1） 由粗顆粒含量與土石混填材料的最大干密

圖9式（3）、式（10）計算結果及實測密度

度關系可知，在實際工程中，不宜采用細粒土的最大干密度替代土石混填材料的最大干密度，否則會降低路基的壓實標準。

（2） 由粗顆粒含量與細顆粒的壓實度關系可知，當粗顆粒含量較大時，細顆粒的壓實度較低，處于松散狀態(tài)，導致土石混填材料的抗?jié)B透及抗沖刷能力較弱，所以應避免將粗顆粒含量較大的土石混填材料應用于路基邊坡處。

（3） 在使用土石混填材料的最大理論干密度計算公式時，若考慮密度干涉系數(shù)及校正系數(shù)，其計算結果較傳統(tǒng)方法更接近實測值，且相對誤差減小了73%。當粗顆粒含量為10%～90%時，新方法具有更為廣泛的適用性。

參考文獻：

[1]馮忠居，張永清.粗粒土路基的壓實試驗[J]. 長安大學學報：自然科學版，2004，24（3）：912.

[2]王龍，馬松林，徐德興，等.土石混合料的結構分類[J].哈爾濱建筑大學學報，2000，33（6）：129132.

[3]蔡銘，岳祖潤，葉朝良.粗顆粒土混合料最大干密度及壓實度研究[J].石家莊鐵道大學學報：自然科學版，2013，26（3）：103106.

[4]周志軍.土石混填路基壓實質量控制方法研究[D].西安：長安大學，2006.

[5]姜煒.土石混填路基壓實質量的室內試驗研究[D].西安：長安大學，2005.

[6]周志軍，南浩林，張熠.土石混合料路用工程力學性質試驗[J].長安大學學報：自然科學版，2007，27（5）：1115.

[責任編輯：譚忠華]endprint

2粗顆粒含量及最大粒徑對土石混填材料性質的影響

本文對圖2所示級配的土石混填材料進行大型擊實試驗，其中試驗的土樣粗顆粒含量Pc分別為0%、10%、30%、50%、70%、90%，最大粒徑分別為10、20、40、60、80 mm，具體試驗結果如表1所示。

由圖4可知，當土石混填材料中的粗顆粒含量Pc在10%～70%時，細顆粒的壓實度可以達到66%～97%；當粗顆粒含量Pc在70%～90%時，細顆粒的壓實度降低到34%～66%。通過分析上述數(shù)據可知，在Pc值較大時，細顆粒處于松散狀態(tài)，這種情況下土石混填路基材料的抗?jié)B透及抗沖刷能力較弱。因此，應避免將粗顆粒含量較大的土石混填材料運用于路基邊坡處。

2.3對土石混填材料最佳含水率及細顆粒含水率的影響

由表1可繪制出如圖5所示的土石混填材料中粗顆粒含量與最佳含水率的關系曲線，以及如圖6所示的土石混填材料中粗顆粒含量與細顆粒含水率的關系曲線。

由圖5可知，土石混填材料的最佳含水率隨著粗顆粒含量Pc的增大而減小，同時在最大粒徑不同的土石混填材料中，當粗顆粒含量Pc相同時，土石混填材料的最佳含水率幾乎一樣。由圖6可知：當粗顆粒含量Pc<70%時，細顆粒含水率變化較?。划敶诸w粒含量Pc>70%時，細顆粒含水率變化幅度較大，這時細粒土已變成軟塑狀態(tài)。

分別使用式（3）、（10）計算粗顆粒含量為10%、30%、50%、70%、90%條件下土石混填材料的最大干密度，并對理論計算值與實際測定值進行比較分析。當粗顆粒含量為10%時，不同理論計算方法所得密度與實際測定密度如圖9所示。由圖9可知，引用密度干涉系數(shù)和校正系數(shù)后的理論計算式式（10）較式（3）的計算結果更為接近實測值，且相對誤差較傳統(tǒng)計算方法減小了73%。由此可知，當粗顆粒含量為10%～90%時，式（10）的計算值更為貼近實測值。

4結語

本文通過對6種粗顆粒含量及5種最大粒徑的30組土石混填材料進行室內大型擊實試驗，分析、比較其結果后，得出以下幾點結論。

（1） 由粗顆粒含量與土石混填材料的最大干密

圖9式（3）、式（10）計算結果及實測密度

度關系可知，在實際工程中，不宜采用細粒土的最大干密度替代土石混填材料的最大干密度，否則會降低路基的壓實標準。

（2） 由粗顆粒含量與細顆粒的壓實度關系可知，當粗顆粒含量較大時，細顆粒的壓實度較低，處于松散狀態(tài)，導致土石混填材料的抗?jié)B透及抗沖刷能力較弱，所以應避免將粗顆粒含量較大的土石混填材料應用于路基邊坡處。

（3） 在使用土石混填材料的最大理論干密度計算公式時，若考慮密度干涉系數(shù)及校正系數(shù)，其計算結果較傳統(tǒng)方法更接近實測值，且相對誤差減小了73%。當粗顆粒含量為10%～90%時，新方法具有更為廣泛的適用性。

參考文獻：

[1]馮忠居，張永清.粗粒土路基的壓實試驗[J]. 長安大學學報：自然科學版，2004，24（3）：912.

[2]王龍，馬松林，徐德興，等.土石混合料的結構分類[J].哈爾濱建筑大學學報，2000，33（6）：129132.

[3]蔡銘，岳祖潤，葉朝良.粗顆粒土混合料最大干密度及壓實度研究[J].石家莊鐵道大學學報：自然科學版，2013，26（3）：103106.

[4]周志軍.土石混填路基壓實質量控制方法研究[D].西安：長安大學，2006.

[5]姜煒.土石混填路基壓實質量的室內試驗研究[D].西安：長安大學，2005.

[6]周志軍，南浩林，張熠.土石混合料路用工程力學性質試驗[J].長安大學學報：自然科學版，2007，27（5）：1115.

[責任編輯：譚忠華]endprint