人工配制不同含砂率粉土性質(zhì)研究

白蘭蘭，馬文寧

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 215000；2.泰州市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇泰州 225000）

1 研究背景

粉土的主要顆粒是粉?；蚍凵埃ち：可?，顆粒黏結(jié)性差。這種土液限低，塑性指數(shù)小（IP＜10），粉粒含量較高（一般＞50%），黏粒含量低（一般＜15%）。該類土含水率稍大則進(jìn)入流塑狀態(tài)，易產(chǎn)生橡皮土現(xiàn)象，壓實(shí)困難，CBR值極低（一般≤5）。

多年來中外相關(guān)學(xué)者對(duì)粉土基本性質(zhì)進(jìn)行了大量研究。劉連喜［1］通過研究武漢地區(qū)粉土的工程特性，用統(tǒng)計(jì)的方法分析了武漢地區(qū)粉土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，求得粉土承載力基本值f與室內(nèi)物性指標(biāo)e，w之間的相關(guān)關(guān)系，給出相應(yīng)的承載力表，以及粉土的物理、力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值。于永志等［2］通過對(duì)膠東濱海含沙粉土的研究，認(rèn)為粉土根據(jù)粒度構(gòu)成可劃分為砂質(zhì)粉土和粉土質(zhì)土，其中，前者砂粒組含量較高，后者粉粒組為主要含量。馬為民［3］通過進(jìn)行室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了沙漠地區(qū)粉土的工程特性。研究結(jié)果表明沙漠地區(qū)的粉土具有濕陷變形特性。這些研究表明，不同地域的粉土?xí)胁煌乃苄院皖w粒級(jí)配，且其物理力學(xué)性質(zhì)差異較為顯著。同時(shí)，相關(guān)學(xué)者還對(duì)粉土的壓實(shí)特性進(jìn)行了研究，武科等［4］針對(duì)我國(guó)公路路基填土壓實(shí)特性，采用室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，確定了不同擊實(shí)功下壓實(shí)度與孔隙比、空氣體積分?jǐn)?shù)、飽和度之間的關(guān)系。肖軍華等［3］通過室內(nèi)試驗(yàn)，分析了粉土作為路基填料的基本物理力學(xué)性質(zhì)，對(duì)比研究了不同密實(shí)度、含水率下粉土的強(qiáng)度與變形性狀。研究表明［5－8］，粉土的顆粒級(jí)配不良，難于壓實(shí)，壓實(shí)后空氣體積率較大。

以往的研究中，主要集中對(duì)特定地區(qū)粉土的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行研究。然而，砂粒作為粉土的重要組成成分，其含量對(duì)粉土的性質(zhì)有很大的影響，因此，比較研究不同含砂率粉土的性質(zhì)顯得尤為重要。

2 研究方案及方法

2.1 研究方案

人工配制不同級(jí)配砂質(zhì)粉土（含砂率為10%，20%，30%，40%，50%），在室內(nèi)通過標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)研究含砂率對(duì)粉土擊實(shí)性能的影響，同時(shí)通過擊實(shí)后試樣的微觀結(jié)構(gòu)分析研究砂質(zhì)粉土的壓實(shí)機(jī)理。并在不同含水率條件下研究不同含砂率粉土的壓縮特性，分別在最優(yōu)含水率條件下采用靜壓法制備CBR試樣和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣，比較含砂率對(duì)CBR和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。

2.2 研究方法

（1）通過顆粒分析試驗(yàn)得到2種粉土的粗顆粒含量（含砂率分別＜10%，＞50%），通過計(jì)算配制出含砂率為10%，20%，30%，40%，50%的粉土。

（2）通過標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)得到5種粉土的最大干密度和最優(yōu)含水率。將擊實(shí)后試樣放在電鏡掃描儀上進(jìn)行掃描。

（3）分別在最優(yōu)含水率不同壓實(shí)度（93%，94%，96%）條件下采用靜壓法制備CBR試樣（直徑為156 mm，高為120 mm）、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣（直徑為50 mm，高為50 mm）和96%壓實(shí)度下的環(huán)刀試樣（直徑為61.8 mm，高為20 mm）。將CBR試樣浸水4 d后進(jìn)行CBR試驗(yàn)，將無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣直接放在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，將環(huán)刀試樣置于固結(jié)儀上進(jìn)行3種含水率（最優(yōu)含水率、飽和含水率、最優(yōu)含水率到飽和含水率之間）下的壓縮試驗(yàn)。在進(jìn)行最優(yōu)含水率和最優(yōu)含水率到飽和含水率之間的壓縮試驗(yàn)時(shí)用濕布放在試驗(yàn)盒上部減少試樣水分散失。

3 試驗(yàn)成果

3.1 不同含砂率粉土壓實(shí)特性

對(duì)5種含砂率粉土分別通過室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)研究了壓實(shí)性，試驗(yàn)結(jié)果見表1和圖1。

表1 不同含砂率擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Table1 Results of compaction test on silt with different sand content

圖1 不同含砂率粉土擊實(shí)曲線Fig.1 Compaction curves of silt with different sand content

從表1和圖1可以看到，隨著含砂率的增大，粉土的最大干密度先增大后隨之逐漸減小。這是因?yàn)椋S著含砂率的增加粉土中粗顆粒含量增多，從而改變粉土級(jí)配使細(xì)顆粒能夠更多進(jìn)入粗顆粒形成的孔隙中，使壓實(shí)度不斷增大。增大到一定程度后隨著含砂率的繼續(xù)增加孔隙變多，細(xì)顆粒不足以填充增加的孔隙，最大干密度反而減小。于是出現(xiàn)最大干密度隨含砂率增加先增大后減小的規(guī)律。圖1中擊實(shí)曲線峰值右側(cè)坡度比峰值左側(cè)坡度大，隨著含水率的增大最大干密度降低較快，且隨著含砂率的增加這種趨勢(shì)越明顯，這說明粉土的含砂率越高，壓實(shí)時(shí)對(duì)含水率的敏感性越大。

分別對(duì)不同含砂率下不同含水率的擊實(shí)樣進(jìn)行電鏡掃描，對(duì)掃描圖片進(jìn)行二值化處理后得到孔隙面積占比如表2所示（試樣1—試樣5分別表示含水率由低到高的重型擊實(shí)試樣）。

表2 不同含砂率粉土擊實(shí)試樣的孔隙面積占比Table2 Percentage of pore areas of compacted samples with different sand content

分析不同含水率下?lián)魧?shí)試樣的孔隙面積可以發(fā)現(xiàn)，隨著含水率的增加，孔隙面積都是先減小后增大，這是因?yàn)?，隨著含水率的增加，越接近最優(yōu)含水率粉土越易壓實(shí)，孔隙面積變小，隨著含水率的繼續(xù)增加，粉土越來越難于壓實(shí)，導(dǎo)致孔隙面積逐漸變大。通過試樣的截面和截面照片也可以發(fā)現(xiàn)，隨著含水率增加，照片反光越來越明顯。同時(shí)，隨著含砂率的增大，相近含水率時(shí)壓實(shí)試樣的孔隙面積隨含砂率的增加先減小后增加，這是因?yàn)楹奥实脑黾痈淖兞朔弁恋念w粒組成，導(dǎo)致粉土壓實(shí)性發(fā)生變化，這一現(xiàn)象剛好與重型擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度隨含砂率增加先增大后減小的結(jié)果一致。

3.2 不同含砂率粉土的壓縮試驗(yàn)

在96%壓實(shí)度條件下對(duì)5種含砂率粉土進(jìn)行不同含水率條件下的壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同含砂率粉土壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table3 Results of compression test on silt with different sand content

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，不同含砂率粉土的壓縮系數(shù)隨含砂率的變化不大，在誤差允許的情況下可以認(rèn)為含砂率對(duì)粉土的壓縮系數(shù)影響不大。

3.3 不同含砂率粉土的CBR試驗(yàn)

分別對(duì)5種含砂率粉土在室內(nèi)進(jìn)行了壓實(shí)度為93%，94%，96%的CBR試驗(yàn)，CBR試驗(yàn)制樣采用靜壓法，制樣時(shí)土料的含水率為最優(yōu)含水率。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 在不同壓實(shí)度下CBR隨含砂率變化的曲線Fig.2 Curves of CBR vs.sand ratio under different compaction degrees

從圖2可以看出，隨著含砂率的增加，CBR值逐漸增大，當(dāng)含砂率相同時(shí)CBR值隨著壓實(shí)度的增加而增大。這是因?yàn)?，含砂率的不同直接影響粉土的?jí)配，而且，隨著含砂率的增加，粗顆粒含量增加，當(dāng)粗顆粒較少時(shí)，粗顆粒之間基本不會(huì)相互接觸，當(dāng)粗顆粒增加到一定程度時(shí)，粗顆粒開始相互接觸，相互接觸的粗顆粒在給細(xì)顆粒提供孔隙的同時(shí)起著骨架的作用，因此，粗顆粒越多這種作用越明顯，粉土的強(qiáng)度越高，致使粉土的CBR值增大。

3.4 不同含砂率粉土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

分別在93%，94%，96%壓實(shí)度下對(duì)5種含砂率粉土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試樣采用靜壓法制備，不泡水情況下直接進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（粉土水穩(wěn)定性差，泡水會(huì)立刻崩解），試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含砂率變化的曲線Fig.3 Curves of unconfined compressive strength vs.sand content

從無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含砂率變化的曲線可以看出，相同壓實(shí)度條件下粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含砂率的增加不斷降低，而對(duì)相同含砂率的粉土而言，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨壓實(shí)度增加而變大。究其原因，隨著壓實(shí)度的增加，粉土越來越密實(shí)，在無側(cè)限條件下施加壓力時(shí)產(chǎn)生的抗滑作用越大導(dǎo)致無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度增加而增大。但是，隨著含砂率的增加，粗顆粒含量增多，在無側(cè)限情況下更難于成型，成型后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也很低，含砂率越大這種現(xiàn)象越明顯。因此出現(xiàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含砂率增加而逐漸變低的規(guī)律。

4 結(jié) 論

（1）相同含砂率的粉土擊實(shí)試樣的孔隙面積隨著含水率的增加先減小后增大，相同含水率附近試樣的孔隙面積隨含砂率增加先減小后變大，這剛好與粉土的最大干密度隨著含砂率的增大先變大后減小的結(jié)果一致。

（2）隨著含砂率的變大，粗顆粒含量增加，粗顆粒在給細(xì)顆粒提供孔隙的同時(shí)起著骨架的作用，使粉土的CBR值增大，即CBR值隨著含砂率的增加而增大。

（3）對(duì)相同含砂率的粉土而言，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著粉土壓實(shí)度增加而增大。但相同壓實(shí)度粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含砂率的增加越來越小。

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