無黏性粗顆粒填料的振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)研究

彭文件　劉　群

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴州　550081)

無黏性粗顆粒填料的振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)研究

彭文件劉群

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴州550081)

摘要根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范和國內(nèi)外研究成果，對(duì)高速鐵路高填路基無黏性粗顆粒填料進(jìn)行振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，無黏性粗顆粒填料的振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)曲線呈波浪形，即隨含水率的增大，干密度先減小后增大；在干燥狀態(tài)或飽和含水狀態(tài)時(shí)干密度較大，最大干密度為2.24 g/cm3；建議在施工中采用干燥狀態(tài)或飽和含水狀態(tài)的無黏性粗顆粒填料來增加壓實(shí)效果。

關(guān)鍵詞無黏性粗顆粒高速鐵路振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度

美國、澳大利亞、加拿大和日本對(duì)于無黏性粗顆粒和巨顆粒土(小于0.075mm的顆粒含量不大于15%)，采用振動(dòng)臺(tái)法獲得最大干密度；英國和瑞典等歐洲國家采用表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)；德國和法國采用普氏擊實(shí)試驗(yàn)[1]。對(duì)無黏性粗顆粒土的擊實(shí)試驗(yàn)，我國水電系統(tǒng)沿用ATSM標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)法，公路行業(yè)則規(guī)定對(duì)粗顆粒和巨顆粒土采用振動(dòng)臺(tái)法和表面振動(dòng)壓實(shí)法來得到最大干密度；在鐵路行業(yè)，原鐵路土工試驗(yàn)規(guī)程采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)法，新實(shí)施的TB10102-2010鐵路土工試驗(yàn)規(guī)程[2]及水利和公路規(guī)范對(duì)擊實(shí)方法進(jìn)行了修改，采用表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)來確定最大干密度。本文以滬昆客運(yùn)專線DK369+015～DK371+417高填路堤中的砂質(zhì)板巖無黏性粗顆粒填料為研究對(duì)象，采用表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)來確定其最大干密度。

1篩分試驗(yàn)

粗粒土試驗(yàn)土樣直接從路基填筑現(xiàn)場(chǎng)取樣，由于料場(chǎng)出產(chǎn)的填料粒徑不大于60mm，采用剔除法對(duì)極少數(shù)超大粒徑的填料進(jìn)行人工剔除，控制粗粒土試樣最大粒徑為60mm。將取回來的全部土樣攤平置于橡皮板上，用木錘把粗顆粒表面上的細(xì)粒土錘散，錘擊時(shí)不應(yīng)破壞土的天然顆粒，再經(jīng)日曬風(fēng)干成自然態(tài)。用四分對(duì)角線法按《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102-2010)表7.2.2的規(guī)定，取不少于5kg的代表性風(fēng)干試樣，用篩分機(jī)進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)。平行進(jìn)行3次篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1　粗粒土顆粒組成

將篩分試驗(yàn)結(jié)果繪制成粗粒土填料的級(jí)配曲線，見圖1。

圖1　砂質(zhì)板巖粗粒土級(jí)配曲線

由圖1可見，粗粒土顆粒分布均勻，不均勻系數(shù)Cu>10，曲率系數(shù)Cc在1～3之間，大于5 mm的顆粒含量占到80%左右，是優(yōu)良的粗顆粒填料。

2表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程(TB10102-2010)》相關(guān)規(guī)定，采用表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)(試驗(yàn)裝置見圖2)測(cè)定粗粒土的最大干密度和最優(yōu)含水率。表面振動(dòng)壓實(shí)法的振動(dòng)原理是粗粒土料在振動(dòng)沖擊過程中，土顆粒之間的摩擦力由初始的靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入動(dòng)摩擦狀態(tài)，同時(shí)顆粒重新排列，細(xì)顆粒與粗顆粒相互填充，與現(xiàn)場(chǎng)壓路機(jī)碾壓的原理相似，且能使填料顆粒更好地分布，達(dá)到更大的壓實(shí)度。因此從原理上來說，表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)法與現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)條件更加符合。

圖2　表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)裝置

2.1表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)參數(shù)

振動(dòng)機(jī)功率：1.1kW；振動(dòng)頻率：47.5～50Hz；激振力：80kN。

試筒尺寸：體積14 200cm3，內(nèi)徑280 mm，試筒高度300 mm，套筒高度250 mm。

振動(dòng)時(shí)間：6～8min。

土樣最大粒徑：60mm。

表面振動(dòng)壓實(shí)儀擊實(shí)筒直徑280mm，是最大粒徑的4倍以上，滿足尺寸效應(yīng)的粒徑要求。

2.2試驗(yàn)步驟

(1) 按選用擊實(shí)筒(內(nèi)徑為d)取6份風(fēng)干態(tài)試樣，每份質(zhì)量為35～40kg，稱量并記錄空試筒質(zhì)量。

(2) 分別加水達(dá)到所要求的不同含水率，將土樣和水充分拌勻，并燜料24h直到水分均勻分布。

(3) 每一組試樣分3份，第一份裝填完后土樣高度宜為擊實(shí)筒高的1/3，裝上套筒進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)。

(4) 振動(dòng)密實(shí)后卸下套筒，循環(huán)裝填第二份、第三份。

(5) 試驗(yàn)完成后稱重?fù)魧?shí)筒和試樣總質(zhì)量m1，并測(cè)量試樣總高度h1，按照式(1)、式(2)計(jì)算土樣密度。

濕密度=濕土質(zhì)量/體積=(m1-m0)/πd2h1

(1)

干密度= 濕土質(zhì)量/(1+含水率)=

(m1-m0)/πd2h1(1+ω1)

(2)

2.3試驗(yàn)結(jié)果

按照規(guī)范要求，平行進(jìn)行了3組表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)，得到粗粒土填料含水率與密度的關(guān)系，見表2。

表2　粗顆粒填料含水率與密度關(guān)系

由表2可見，砂質(zhì)板巖粗粒土填料在干燥態(tài)與飽和含水狀態(tài)時(shí)干密度較大，最大干密度為2.21g/cm3，表面振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3　表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)曲線

由圖3可見：當(dāng)含水率接近0時(shí)，干密度較大，稍增大含水率，干密度反而減小，直至曲線上出現(xiàn)干密度值最小的谷點(diǎn)；但在此點(diǎn)之后，干密度又隨含水率的增大而增大，曲線出現(xiàn)雙峰值，這是無黏性粗顆粒填料獨(dú)有的特征。郭慶國[3]等早在碧口砂礫石、大伙房砂礫石中發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。

究其原因主要是無黏性粗顆粒填料顆粒較粗，且顆粒間粘結(jié)力趨于0，當(dāng)含水率很小時(shí)，在外力作用下大小顆粒之間易于相互充填，形成較高的密度；當(dāng)稍增加含水率后，在顆粒表面形成一層薄膜水，增大了分子引力，顆粒間形成似粘結(jié)力，在外力作用下，顆粒移動(dòng)不但要克服摩阻力，還要克服由水分子形成的似粘結(jié)力，因而不易壓實(shí)，干密度較小；以后隨著含水率的增大，水膜增厚，水分子引力逐漸減小，以至消失，同時(shí)還在顆粒間起潤滑作用，減小摩阻力，顆粒在外力作用下易于移動(dòng)和相互填充，可達(dá)到較高的密度值。無黏性粗顆粒填料因自身顆粒粗，透水性強(qiáng)，具有自由排水能力，壓實(shí)中孔隙水被擠壓出來，孔隙減小而逐漸密實(shí)，它的最優(yōu)含水率相當(dāng)于全部孔隙被水填充的飽和含水量[4]。

收稿日期：2014-10-05

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.045