寬級配礫質(zhì)土擊實(shí)特性試驗(yàn)研究

朱 濤，李方振

(福建省地質(zhì)工程勘察院， 福建 福州 350002)

寬級配礫質(zhì)土擊實(shí)特性試驗(yàn)研究

朱 濤，李方振

(福建省地質(zhì)工程勘察院， 福建 福州 350002)

為分析寬級配礫質(zhì)土的壓實(shí)特性，通過室內(nèi)試驗(yàn)，對影響寬級配礫質(zhì)土壓實(shí)效果的因素進(jìn)行全面總結(jié)和分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，寬級配礫質(zhì)土擊實(shí)時(shí)干密度和含水率關(guān)系曲線呈上凸的拋物線型，具有一個(gè)最優(yōu)含水率。擊實(shí)后試樣的最大干密度隨礫石含量的增加呈現(xiàn)出先迅速增大，之后逐漸減小的變化規(guī)律。隨著礫石含量的增加，寬級配礫質(zhì)土的最優(yōu)含水率先逐漸減小，之后基本穩(wěn)定。

寬級配礫質(zhì)土；干密度；含水率

大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)表明，采用黏土料和礫石混合而成的礫質(zhì)黏土(寬級配礫質(zhì)土)不但能滿足防滲的要求，而且其變形模量大，壓縮性較小，與壩殼料變形較為協(xié)調(diào)[1-3]。國內(nèi)外學(xué)者對寬級配礫質(zhì)土進(jìn)行了大量的研究，也取得了較多的成果[4-7]。以往多在工程應(yīng)用范圍內(nèi)，對單一礫石含量(即單一結(jié)構(gòu))的寬級配礫質(zhì)土壓實(shí)特性做研究，較少有對其做系統(tǒng)的研究[1]。本文采用輕型擊實(shí)和重型擊實(shí)，對不同礫石含量的土樣進(jìn)行擊實(shí)，系統(tǒng)研究寬級配礫質(zhì)土的壓實(shí)特性。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)用料

試驗(yàn)采用的寬級配礫質(zhì)土由黏土料和礫石料摻合而成。其中，黏土料經(jīng)篩分剔除粒徑大于5 mm顆粒的花崗巖殘積土，基本物理參數(shù)為：土粒比重Gs=2.75；液限wl=54%；塑限wp=35%；塑性指數(shù)Ip=19，顆粒級配詳見表1。礫石料為對粒徑大于20 mm的顆粒進(jìn)行等量替代法處理后的人工花崗巖碎石，顆粒級配表2。

表1 黏土料級配

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分別以擊實(shí)功和礫石含量為單獨(dú)變量，研究寬級配礫質(zhì)土的壓實(shí)特性，即對不同礫石含量(30%、40%、50%、60%、70%、80%)的寬級配礫質(zhì)土進(jìn)行輕型和重型擊實(shí)試驗(yàn)，測定最大干密度ρd max及最優(yōu)含水率wop。不同礫石含量的寬級配礫質(zhì)土顆粒級配曲線見圖1。

表2 礫石料級配

圖1不同礫石含量寬級配礫質(zhì)土顆粒級配曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)采用1 486.3 kJ/m3(輕型擊實(shí))和2 684.9 kJ/m3(重型擊實(shí))兩種擊實(shí)功對不同礫石含量寬級配礫質(zhì)土的擊實(shí)結(jié)果見表3和表4。表3和表4表明，礫石含量不同，擊實(shí)后的最大干密度和最優(yōu)含水率也不同。重型擊實(shí)得到的最大干密度大于輕型擊實(shí)的，而最優(yōu)含水率小于輕型擊實(shí)的最優(yōu)含水率。

表3 寬級配礫質(zhì)土輕型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表4 寬級配礫質(zhì)土重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

寬級配礫質(zhì)土的壓實(shí)特性與礫石含量、顆粒級配、含水率等有密切的關(guān)系，并且壓實(shí)的方法和壓實(shí)功能也對壓實(shí)結(jié)果有較大的影響。本文依據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果并結(jié)合前人的研究成果，對寬級配礫質(zhì)土的壓實(shí)特性進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

3.1 含水率的影響

寬級配礫質(zhì)土的擊實(shí)試驗(yàn)與黏性土相似。每組試樣，分別在5個(gè)不同含水率下，用相同的擊實(shí)功將它們分層擊實(shí)，測定土樣的含水率和密度，再由式(1)算出相對應(yīng)的干密度。然后在以含水率和干密度分別為橫縱坐標(biāo)的坐標(biāo)平面內(nèi)描出這些點(diǎn)，采用相應(yīng)曲線對其進(jìn)行擬合，算出最大干密度ρd max及與之對應(yīng)的含水率即最優(yōu)含水率wop。

(1)

式中：m為質(zhì)量；ρd為干密度；v為體積；w為含水率。

圖2 輕型擊實(shí)關(guān)系曲線

圖3重型擊實(shí)關(guān)系曲線

本文對寬級配礫質(zhì)土進(jìn)行輕型擊實(shí)和重型擊實(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，如圖2和圖3所示。寬級配礫質(zhì)土的壓實(shí)特性和一般黏性土基本相同，表現(xiàn)為隨著含水率的增加，擊實(shí)后干密度先增后降。擊實(shí)功一定時(shí)，只有在某一特定的含水率下才能達(dá)到最佳擊實(shí)效果，此時(shí)的含水率為最優(yōu)含水率wop。關(guān)于寬級配礫質(zhì)土在擊實(shí)過程中干密度和含水率關(guān)系曲線表現(xiàn)為上凸的拋物線型，分析其原因?yàn)椋簩捈壟涞[質(zhì)土中含有一定量的黏粒，而這些黏性土顆粒之間存在著黏結(jié)力和水分子引力(電作用力)，當(dāng)含水率較低時(shí)，土顆粒表面水膜較薄，擊實(shí)過程中顆粒間電作用以引力占優(yōu)，土顆粒錯(cuò)動(dòng)比較困難，阻礙了顆粒間的變化和排列，不易擊實(shí)所以干密度較小[8-9]；隨著含水率的增加，顆粒間水膜變厚，顆粒間的斥力占優(yōu)，擊實(shí)過程中顆粒比較容易錯(cuò)動(dòng)，土顆粒定向排列增加，干密度也相應(yīng)的增大[8，10-11]；但當(dāng)含水率達(dá)到最優(yōu)含水率wop后，隨著含水率的增加，雖然使顆粒間的引力進(jìn)一步減小，但此時(shí)顆粒間的孔隙被水和空氣占據(jù)，再加上土質(zhì)滲透性較弱，在擊實(shí)過程中水不能自由排出，擊實(shí)時(shí)只是土體中的空氣被壓縮，同時(shí)很大一部分擊實(shí)功被水吸收以孔隙水壓力的形式存在，使土體有效應(yīng)力減小，擊實(shí)只能導(dǎo)致土顆粒更大程度的定向排列，而土體并不發(fā)生永久體積的變化，所以隨著含水率的近一步增加，干密度表現(xiàn)出減小的趨勢[8，12-13]。

3.2 粗粒含量的影響

本節(jié)以不同礫石含量的寬級配礫質(zhì)土為研究對象，其重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見圖4。不同礫石含量寬級配礫質(zhì)土的粗粒含量P5見表5。

表5 不同礫石含量礫質(zhì)土對應(yīng)的粗粒含量

從圖4可以看出，最大干密度ρdmax隨礫石含量的增加而增加，在礫石含量為70%時(shí)達(dá)到最大，之后隨礫石含量增加最大干密度逐漸減??；而最優(yōu)含水率wop隨礫石含量的增加而減小，當(dāng)?shù)[石含量達(dá)到70%(P5=40.40%)時(shí)，最優(yōu)含水率最小，之后隨礫石含量的增加最優(yōu)含水率變化不大。

根據(jù)粗顆粒含量不同，寬級配礫質(zhì)土的結(jié)構(gòu)形式有懸浮-密實(shí)、骨架-密實(shí)、骨架-空隙三種[3，12-13]。在礫石含量小于40%(P5=23.08%)時(shí)，寬級配礫質(zhì)土的結(jié)構(gòu)形式為懸浮-密實(shí)，即礫石全部被細(xì)顆粒密實(shí)的包圍，由于礫石的重度大于細(xì)粒土，所以隨著礫石含量的增加，擊實(shí)后的最大干密度迅速增加；而當(dāng)?shù)[石含量在40%～70%(P5=23.08%～40.40%)時(shí)，礫質(zhì)土為骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)，此時(shí)粗顆粒之間開始接觸形成骨架而細(xì)粒土又能完全密實(shí)的填滿粗粒土中的空隙，干密度隨礫石含量的增加逐漸增加；當(dāng)?shù)[石含量大于70%(P5>40.40%)時(shí)，由于礫石含量太多，細(xì)顆粒較少不足以將空隙完全填滿，此時(shí)礫質(zhì)土的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為骨架-空隙，隨礫石含量的增加礫質(zhì)土中的空隙越來越大，所以擊實(shí)后的干密度不增反而有少許降低。

隨礫石含量的增加，寬級配礫質(zhì)土中的黏粒含量逐漸降低，所以與之對應(yīng)的擊實(shí)過程中所需的水就越少，而另一方面礫質(zhì)土的總質(zhì)量因礫石含量的增加而增大，所以相應(yīng)的含水率就會(huì)降低，因而最優(yōu)含水率也就越小。對于最后基本趨于穩(wěn)定，是因?yàn)殡S礫石含量增加，黏顆粒逐漸減小，此時(shí)的寬級配礫質(zhì)土已基本轉(zhuǎn)化為無黏性粗粒土，所以最優(yōu)含水率變化不大。

圖4最大干密度、最優(yōu)含水率與礫石含量關(guān)系

3.3 壓實(shí)功能的影響

寬級配礫質(zhì)土的壓實(shí)特性除了與含水率有關(guān)外，還與擊實(shí)功有著密切的關(guān)系。土料性質(zhì)和作用力的特點(diǎn)導(dǎo)致不同壓實(shí)方法有不同的壓實(shí)效果。因此，本次試驗(yàn)為避免壓實(shí)方法對壓實(shí)效果的影響，不同擊實(shí)功是通過改變擊實(shí)次數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。采用重型擊實(shí)筒將寬級配礫質(zhì)土分五層擊實(shí)，每層31擊，擊實(shí)功為1 486.3 kJ/m3；而采用相同的重型擊實(shí)儀器，土樣分五層每層56擊，實(shí)現(xiàn)擊實(shí)功為2 684.9 kJ/m3。擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 擊實(shí)功對最大干密度的影響

圖6擊實(shí)功對最優(yōu)含水率的影響

從圖5可以看出，隨著擊實(shí)功的增加，寬級配礫質(zhì)土擊實(shí)后的干密度均表現(xiàn)出增加的趨勢。礫石含量不同其增加的幅度也不盡相同，總體而言，礫石含量越低干密度增加的幅度會(huì)越大。但是要指出的是，干密度并不會(huì)隨擊實(shí)功的增加而無限增加，當(dāng)擊實(shí)功增加到足以克服顆粒間的阻力時(shí)，此時(shí)隨擊實(shí)功的增加干密度增加就很不明顯[6，14-16]。所以對于寬級配礫質(zhì)土存在一個(gè)最優(yōu)擊實(shí)功，一味的靠增大擊實(shí)功來提高其壓實(shí)度收效甚微而且不經(jīng)濟(jì)。

從圖6可以看出，隨著擊實(shí)功的增加寬級配礫質(zhì)土的最優(yōu)含水率逐漸減小。隨著含水率的增加，顆粒間的作用力逐漸減小，在較小的擊實(shí)功能作用下，顆粒就能任意錯(cuò)動(dòng)，定向排列，達(dá)到壓實(shí)的目的。擊實(shí)功越大，克服土顆粒間作用力的能力越強(qiáng)，達(dá)到最大干密度所需要的最優(yōu)含水率越低。因此擊實(shí)功越小，最優(yōu)含水率越大；擊實(shí)功越大，最優(yōu)含水率越小。

4 結(jié) 論

以不同礫石含量的寬級配礫質(zhì)土為研究對象，分別進(jìn)行輕型擊實(shí)和重型擊實(shí)試驗(yàn)。通過試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論。

(1) 寬級配礫質(zhì)土的壓實(shí)特性和一般黏性土相似，擊實(shí)時(shí)干密度和含水率關(guān)系曲線呈上凸的拋物線形。在含水率較低時(shí)，擊實(shí)后干密度隨含水率的增加而增大；當(dāng)含水率到達(dá)一定值，擊實(shí)后干密度最大；之后隨含水率的增大，擊實(shí)后干密度逐漸減小。

(2) 隨著擊實(shí)功的增大，擊實(shí)后的最大干密度呈增大的趨勢，而最優(yōu)含水率則表現(xiàn)為隨擊實(shí)功的增加而減小。

(3) 隨著礫石含量的增加，擊實(shí)后最大干密度呈現(xiàn)先迅速增大而后小幅度的減小趨勢，而最優(yōu)含水率表現(xiàn)為先逐漸減小之后基本趨于穩(wěn)定。

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CompactionPropertyofWideGradingGravellySoil

ZHU Tao, LI Fangzhen

(GeologicalEngineeringSurveyinFujianProvince,Fuzhou,Fujian350002,China)

In order to analyze compaction properties of wide grading gravelly soil, the compaction properties of wide grading gravelly soil and its influencing factors were discussed in this paper based on indoor compaction tests. Results show that the dry density of wide grading gravelly soil increased first, and then decreased, with the increasing of water content, which means that there is an optimum moisture content to obtain the maximum dry density. The maximum dry density increased quickly first, and decreased slowly, the optimum water content decreased, and basically stable finally, with the increasing of coarse grains content.

widegradinggravellysoil;drydensity;watercontent

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.044

2017-06-12

2017-07-11

朱 濤(1965—)，男，福建福州人，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害勘查與管理工作。E-mail: 78549937@qq.com

TU47

A

1672—1144(2017)05—0232—04