砒砂巖與沙復(fù)配成土后最大干密度的研究

魏雨露 韓霽昌 張 揚(yáng)

（1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院，西安 710075）

1 研究背景及目的

我國西北部分布著大面積的沙漠地區(qū)，環(huán)境惡劣、雨量稀少、植被稀疏、地表形態(tài)復(fù)雜、地基承載力低、筑路材料及水源缺乏，為其道路修筑帶來了很大的困難，但是隨著公路交通建設(shè)的發(fā)展，沙漠公路的里程數(shù)也逐漸增多.毛烏素沙地廣泛分布著風(fēng)積沙和被當(dāng)?shù)厝怂追Q為“砒砂巖”的松散巖層.風(fēng)積沙結(jié)構(gòu)松散，無聚力，粒間孔隙度高，成型困難，抗剪性能較差；砒砂巖質(zhì)地致密，含豐富的粉粒，顆粒間膠結(jié)程度差，成巖程度低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，工程性能差，無水堅固如石，遇水松軟如泥，易受風(fēng)化侵蝕［1－2］.群眾深受其害［3］.但將砒砂巖與沙按一定質(zhì)量比復(fù)配成土處理后，就能使沙在砒砂巖的作用下更加密實，砒砂巖在沙的作用下不易板結(jié)，不易松軟，形成具有良好結(jié)構(gòu)的復(fù)配土；如果可以將此復(fù)配土作為路基填料，不但可以變“害”為“寶”，還可以降低筑路成本，縮短工期，造福百姓.

砒砂巖與沙復(fù)配成土后能否作為路基填料，其壓實度是十分重要的參數(shù)之一［4］.壓實度越大，土壤顆粒間咬合就越好，摩擦角明顯增大，內(nèi)部空間變小，接觸更加緊密，內(nèi)聚力也得到增加.最大干密度和最佳含水率作為壓實度的表觀參數(shù)［5］，其確定得合理與否，直接影響對路基壓實效果的判斷.若確定的最大干密度值偏大，施工過程中壓實度難以達(dá)到規(guī)定的壓實標(biāo)準(zhǔn)，不但會造成人力、物力的浪費(fèi)，而且達(dá)不到規(guī)范規(guī)定值；若確定的最大干密度值偏小，在較小的壓實功能下就可以達(dá)到壓實標(biāo)準(zhǔn)，給工程管理工作帶來不便，道路正常運(yùn)行期間容易出現(xiàn)路基塌陷，導(dǎo)致路面開裂等病害，影響道路的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量和服務(wù)水平.故合理確定砒砂巖與沙復(fù)配成土后的最佳含水率和最大干密度值，對于其作路基填料來說至關(guān)重要.

本文通過重型標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗，選用陜西榆林毛烏素沙漠的砒砂巖與沙，研究其不同混合比例成土的最大干密度和最佳含水率，為砒砂巖用作公路建筑材料提供科學(xué)依據(jù)［6－7］.

2 標(biāo)準(zhǔn)重型擊實試驗

重型擊實試驗就是模擬施工現(xiàn)場壓實條件，采用錘擊方法使土體密度增大、強(qiáng)度增強(qiáng)提高、沉降變小的一種試驗方法，原理是在不同含水率的條件下，用人工或機(jī)械的方法，研究土體達(dá)到最大干密度時所對應(yīng)的最佳含水率的過程，該方法得出的最大干密度和最佳含水率對路堤填料的強(qiáng)度指標(biāo)和穩(wěn)定性具有控制意義，在路堤填筑壓實中起著至關(guān)重要的作用.

2.1 試驗設(shè)備及方案

按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTJ 050－93），試驗選用小型擊實筒［8－10］.試驗?zāi)Ｐ偷某叽缂霸O(shè)置見表1，試驗儀器與土樣如圖1所示.

表1 試驗?zāi)Ｐ偷某叽缂霸O(shè)置

圖1 試驗儀器與土樣

最大干密度以烘干土樣最大，風(fēng)干土樣次之，天然土樣最??；最佳含水率以烘干土樣最?。?1］，風(fēng)干土樣次之.由于風(fēng)干土樣最接近工程實際，且結(jié)果最接近最大干密度，所以選用風(fēng)干后的砒砂巖與沙進(jìn)行試驗.試驗將砒砂巖與沙分別按質(zhì)量比1∶5、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1這7種比例復(fù)配，每種質(zhì)量比配置成5種不同的含水率，分別為5%、7%、9%、11%和13%，共計35個試樣.將復(fù)配土加水拌和均勻后，燜料一夜進(jìn)行重型擊實試驗［12］.

試驗過程中，稱取一定質(zhì)量土樣分3層倒入小試筒內(nèi)，每層土擊打49次，第一層擊打完畢后，將試樣表面“拉毛”，再按上述方法擊打其余兩層土；試驗過程中要特別注意確保擊實后的試樣頂面不高出筒頂面3mm.

2.2 試驗結(jié)果及分析

對7種不同質(zhì)量比的復(fù)配土進(jìn)行重型擊實試驗，表2為砒砂巖與沙在不同質(zhì)量比及不同含水率下的干密度，圖2為7種試樣的重型擊實曲線.

表2 砒砂巖與沙在不同質(zhì)量比及不同含水率下的干密度（單位：g·cm－3）

圖2 7種試樣的重型擊實曲線

2.2.1 含水率對復(fù)配土最大干密度的影響

保持砒砂巖與沙同一質(zhì)量比條件不變，分析含水率對復(fù)配土最大干密度的影響.由表2分析可知，以質(zhì)量比2∶1為例，當(dāng)復(fù)配土的含水率為5%時，最大干密度為1.98g／cm3；含水率增加到7%～9%時，最大干密度隨之增加到最大值2.05g／cm3；這是因為當(dāng)含水率較低時，顆粒表面的水膜比較薄，顆粒間的摩阻力較大，不易被壓實；當(dāng)含水率逐漸增大時，顆粒表面水膜逐漸變厚，水膜的潤滑作用也隨之增大，使得顆粒表面的摩阻力相應(yīng)地減小，在外力作用下，就容易被壓實；同時由于水的加入也起到了一定的填充作用，使得砒砂巖與沙復(fù)配土之間的縫隙得到了相應(yīng)的充實，從而增加了密實度［13－15］.隨著含水率的繼續(xù)增加（以2%的含量增加），最大干密度值開始減小，直至含水率增加至13%，最大干密度減小為1.93g／cm3；這是因為水不可壓縮，又不能快速排出，當(dāng)含水率超過一定限值后，擊實功就被自由水吸收得越多［16］，同時孔隙體積也隨之變大，土粒相對地減少，故干密度就相應(yīng)地降低［17］.

由以上分析可以看出，干密度隨著含水率的增加先增加，在含水率增加為7%～9%時，出現(xiàn)峰值，之后又隨著含水率的增加開始降低，此時的峰值則為最大干密度，其對應(yīng)的含水率為最佳含水率.

2.2.2 砒砂巖含量對復(fù)配土最大干密度的影響

保持復(fù)配土同一含水率的條件不變，分析砒砂巖含量對復(fù)配土最大干密度的影響.以含水率7%為例，由圖2分析可知，砒砂巖與沙的質(zhì)量比為1∶5時，最大干密度為1.88g／cm3；增加砒砂巖的含量，質(zhì)量比為1∶2時，最大干密度增加為1.91g／cm3；質(zhì)量比增加為1∶1時，最大干密度為1.95g／cm3，變化率比較小，當(dāng)質(zhì)量比增加為2∶1時，最大干密度增加到最大值2.05g／cm3，且變化率比較明顯；這是因為風(fēng)積沙顆粒大，顆粒間縫隙大，而砒砂巖以粉粒為主，顆粒較小，當(dāng)砒砂巖的含量增加時，復(fù)配土的不均勻系數(shù)開始增加［18］，沙粒間的孔隙容易被砒砂巖的粉粒所填充，有較好的壓實性能［19］，同時復(fù)配土顆粒間存在電分子引力及毛細(xì)壓力，這兩種力使得土壤顆粒相互吸附而黏聚，形成聚集體，變得更加密實.隨著砒砂巖含量的繼續(xù)增加，復(fù)配土不均勻系數(shù)逐漸減小，達(dá)到水飽和狀態(tài)，毛細(xì)壓力消失，聚集體穩(wěn)定性降低，使得密度開始降低，但此時的影響是微小的，所以最大干密度開始相對緩慢地減小，直至質(zhì)量比為5∶1時，最大干密度降為1.99g／cm3.

由此分析可知，復(fù)配土的最大干密度隨著砒砂巖含量的增加而增加，當(dāng)砒砂巖與沙質(zhì)量比增加到2∶1時，出現(xiàn)峰值；此后最大干密度又隨著砒砂巖含量的增加開始減小，但變化率十分微小.

3 結(jié) 論

整個路面結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要的部分是路基質(zhì)量，控制路基壓實質(zhì)量的重要指標(biāo)是最大干密度和最佳含水率，所以要使用砒砂巖與沙復(fù)配成土作為合格的路基填料，控制好路基質(zhì)量，一定要確定其最大干密度和最佳含水率，使其能達(dá)到最佳的壓實狀態(tài)，增加路基地基承載力.通過對不同含水率、不同質(zhì)量比下砒砂巖與沙復(fù)配成土后的重型擊實試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到砒砂巖與沙作為路基填料時，當(dāng)復(fù)配比為2∶1，含水率為7%～9%時，得到的最大干密度值最大，約為2.05g／cm3，其余質(zhì)量比及含水率下的最大干密度值都小于此值.得到此試驗數(shù)據(jù)后，就可以確定砒砂巖與沙作為路基填料的最易壓實質(zhì)量比為2∶1，并在7%～9%這一最佳含水率區(qū)間下配備土樣，進(jìn)行相應(yīng)的CBR試驗（加州承載比試驗），分析和探討壓實度，研究其路用性能，為砒砂巖與沙用作公路建筑材料提供科學(xué)依據(jù)，解決沙漠道路筑路材料缺乏的問題.

［1］ 韓霽昌.砒砂巖的固沙作用［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2014：1.

［2］ 韓霽昌.砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)與造田工程示范［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2014：39.

［3］ 郭建軍，牛璽榮.沙漠公路路基設(shè)計淺談［J］.山西建筑，2007，33（1）：332－333.

［4］ 馮中居，謝永利.標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗最佳含水量和最大干密度的理論計算［J］.長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2002，22（2）：10－13.

5］ 林衛(wèi)民.不同壓實功能下最大干密度及最佳含水量研究［J］.公路與汽運(yùn)，2008（4）：142－143.

［6］ 李維生，張 雁.風(fēng)積沙錄用性能初探［J］.交通科技，2008（1）：71－73.

［7］ 朱宏祥.粗粒土最大密度試驗研究［J］.西部探礦工程，2009（1）：46－48.

［8］ 章 立，張成立，劉韻馨.風(fēng)積沙最大干密度的試驗研究［J］.山西建筑，2007（17）：180－181.

［9］ 聶青龍，邊艷妮，蔡 睿.風(fēng)積砂最大干密度確定方法及壓實度檢測方法研究［J］.中國公路，2013（3）：120－121.

［10］付兵先.不同含泥量風(fēng)積沙的路用性能研究［D］.西安：長安大學(xué)，2006.

［11］羅小芳.淺析影響擊實試驗準(zhǔn)確性的主要因素［J］.土工基礎(chǔ)，2009（1）：72－74.

［12］段偉剛，何 軍.土石混合料最大干密度試驗研究［J］.山西建筑，2008（27）：133－134.

［13］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(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，26（3）：103－106.

［14］Frost R J.Some Testing Experiences and Characteriscs of Bouldas Gravel Fillin Earth Dam ［J］. ASTM STP523，1973：142－145.

［15］Stephenson R J.Relative Density Tests on Rock Fillat Carter Dam［J］.ASTM，1973（9）：46－49.

［16］薛 成，李洪文，胡 冰.沙漠路基風(fēng)積沙特性和壓實機(jī)理研究［J］.公路，2013（6）：20－24.

［17］張志權(quán)，王志勇.最大干密度和最優(yōu)含水率的準(zhǔn)確性探討［J］.長安大學(xué)學(xué)報：建筑與環(huán)境科學(xué)版，2004，21（2）：7－10.

［18］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.

［19］黃 哲.擊實試驗過程中最大干密度和最有含水率影響因素分析［J］.河南水利與南水北調(diào)，2009（9）：103－104.