哈齊客專基床粗粒土填料擊實(shí)特性研究

岳祖潤(rùn)， 楊志浩， 吳 鎮(zhèn)2， 苗雷強(qiáng)3， 李沐原4， 陳佩哲

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250022；3.河北建研科技有限公司，河北 石家莊 050021；4.重慶理工大學(xué) 兩江國(guó)際學(xué)院，重慶 401135)

隨著我國(guó)鐵路、公路、水壩等大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷深入，作為其主要填料的粗顆粒土的工程特性研究也逐漸成為眾多研究人員所關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。粗顆粒土的壓實(shí)特性也是其工程特性研究中的一項(xiàng)重要分支，對(duì)該特性進(jìn)行深入研究對(duì)于路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及路基現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)施工意義重大。粗顆粒土的擊實(shí)特性與多因素有關(guān)，目前眾多學(xué)者也針對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，并取得了較多成果。如林紹湊[1]在路基施工現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)在不同深度土層上埋設(shè)土壓力傳感器，研究了松鋪厚度、振動(dòng)壓路機(jī)噸位在粗粒土路基中的應(yīng)力變化規(guī)律，為粗顆粒土的振動(dòng)壓實(shí)特性研究提供了理論依據(jù)。蔡銘[2]研究了粗顆粒土在不同含水率、擊實(shí)時(shí)間、細(xì)粒土含量、超大粒徑土含量條件下的最大干密度測(cè)定試驗(yàn)。楊志浩等[3]通過(guò)表面振動(dòng)擊實(shí)儀法和振動(dòng)臺(tái)方法，研究了不同擊實(shí)頻率條件下的粗顆粒土的最大干密度的變化規(guī)律，并得到其相應(yīng)試驗(yàn)粗顆粒土的最優(yōu)擊實(shí)頻率范圍。杜可耕等[4]等進(jìn)行了干、濕法以及表面振動(dòng)儀和振動(dòng)臺(tái)法的正交試驗(yàn)，并分析了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不同及原因。楊西鋒[5]針對(duì)哈大客專路基填料的物理特性改良為研究對(duì)象，對(duì)粗顆粒填料物理改良的過(guò)程及結(jié)果進(jìn)行了分析，針對(duì)目前規(guī)范關(guān)于粗顆粒的分級(jí)方法提出了改進(jìn)。汪水銀等[6]通過(guò)自行研制的振動(dòng)壓實(shí)儀研究了不同振幅下的粉土和水泥穩(wěn)定碎石的擊實(shí)試驗(yàn)。朱俊高等[7]使用表面振動(dòng)擊實(shí)儀研究了振動(dòng)時(shí)間及擊實(shí)錘重對(duì)粗粒土最大干密度的影響規(guī)律試驗(yàn)研究。綜上所述，針對(duì)粗顆粒土的擊實(shí)特性雖進(jìn)行了多類因素條件下的試驗(yàn)研究，但將細(xì)粒含量作為影響變量的研究還不多見(jiàn)。細(xì)顆粒含量對(duì)粗顆粒土填料的最大干密度及最優(yōu)含水量有明顯影響，怎樣合理設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)填料的粒徑級(jí)配及施工含水量，從而保證路基達(dá)到更大的密實(shí)度，還需深入研究。

本試驗(yàn)采用自行改裝的表面振動(dòng)擊實(shí)儀，對(duì)不同細(xì)顆粒含量的級(jí)配碎石進(jìn)行了不同含水率的擊實(shí)試驗(yàn)研究，探索細(xì)顆粒含量對(duì)該粗粒土填料最大干密度及最優(yōu)含水率的影響規(guī)律，對(duì)于季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路兼顧強(qiáng)度及抗凍脹性能路基填料的選擇及完善粗粒土力學(xué)特性有重要價(jià)值。

1 試驗(yàn)土樣及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自哈齊客運(yùn)專線施工現(xiàn)場(chǎng)路基填料，并進(jìn)行篩分試驗(yàn)，按照《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB1001—2005)[8]配制不同細(xì)顆粒含量的級(jí)配碎石填料(最大粒徑為40 mm)。每組不同參數(shù)試驗(yàn)同時(shí)制備3份土樣混合料，進(jìn)行平行試驗(yàn)。

從顆粒分析試驗(yàn)中得知，原土樣中細(xì)粒土(粒徑小于0.075 mm部分)含量為5.62%。為研究不同細(xì)粒土含量(粒徑小于0.075 mm部分)的級(jí)配碎石擊實(shí)特性，故在篩分過(guò)程中將原有細(xì)顆粒土保存，以便后續(xù)試樣制備使用。

1.2 試驗(yàn)方案及方法

細(xì)顆粒含量及含水率為粗顆粒土擊實(shí)特性的2個(gè)重要影響因素，由于粗顆粒土的擊實(shí)特性與細(xì)粒土有明顯不同，干法和濕法得到的壓實(shí)效果均較好。試驗(yàn)選擇試樣含水率從0開(kāi)始變化，然后每隔2個(gè)百分比取一含水率，直至試樣飽和，具體的試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。試樣加水前要充分?jǐn)嚢?，加水后密封保?4 h，保證試樣內(nèi)部含水率均勻分布。對(duì)原級(jí)配碎石路基填料進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，得知最大粒徑為60 mm，且粒徑大于40 mm的質(zhì)量百分比小于5%，故采用相似級(jí)配法對(duì)試樣最大粒徑進(jìn)行調(diào)整，最大粒徑取40 mm。試驗(yàn)設(shè)備采用自行改造的表面振動(dòng)擊實(shí)儀，原理為通過(guò)上部重復(fù)施加振動(dòng)荷載，對(duì)試驗(yàn)桶內(nèi)的材料產(chǎn)生連續(xù)循環(huán)的沖擊力，使材料顆粒之間被迫發(fā)生相互滑動(dòng)，從而達(dá)到密實(shí)。振動(dòng)頻率可在0～70 Hz選擇，根據(jù)楊志浩等[3]的研究結(jié)論，本試驗(yàn)加載頻率統(tǒng)一采用50 Hz，激振力24.6 kN。鋼制夯通過(guò)豎向傳動(dòng)桿牢固于振動(dòng)電機(jī)上，下面具有一厚度為12.5 mm的夯面板，試驗(yàn)桶直徑比夯面板直徑大3 mm，試驗(yàn)桶為高25 cm，直徑30 cm的圓柱形鐵桶，試驗(yàn)桶固定在下部的鐵板上，鐵板固定在450 kg重的混凝土塊上，試驗(yàn)操作過(guò)程按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)[9]執(zhí)行。

表1 擊實(shí)試驗(yàn)方案參數(shù)設(shè)計(jì)表 %

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 擊實(shí)特征曲線

圖1 不同細(xì)粒含量的級(jí)配碎石擊實(shí)曲線

不同細(xì)顆粒含量的級(jí)配碎石填料的擊實(shí)特征曲線如圖1所示，可看出當(dāng)細(xì)顆粒含量小于9%時(shí)，試樣擊實(shí)曲線表現(xiàn)出明顯的雙峰值，當(dāng)細(xì)顆粒含量大于9%時(shí)，試樣擊實(shí)曲線則表現(xiàn)出明顯的單峰值。當(dāng)細(xì)顆粒含量小于9%時(shí)，含水率接近0(干燥狀態(tài))及在某一含水率(潮濕狀態(tài))條件下干密度達(dá)到峰值，但濕法條件下干密度的最大值大于干法。分析其原因，干燥狀態(tài)下取得峰值干密度，由于試樣內(nèi)部顆粒間的粘結(jié)力較小，擊實(shí)功作用下，粗顆粒與細(xì)顆粒之間相互填充，能夠達(dá)到較為密實(shí)的壓實(shí)狀態(tài)；隨著含水率的增加，細(xì)顆粒表面會(huì)出現(xiàn)一層很薄的結(jié)合水膜，外力作用下使顆粒間移動(dòng)需要克服很大的粒間阻力，這種阻力可能來(lái)自毛細(xì)壓力或結(jié)合水的抗剪阻力，不易達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，干密度降低；隨著含水率的繼續(xù)增大，水膜的厚度增加，顆粒之間的阻力降低，顆粒之間容易密實(shí)，干密度增大，當(dāng)含水率達(dá)到最優(yōu)含水率時(shí)，干密度取得最大值；隨著含水率的繼續(xù)增加，水膜起到的潤(rùn)滑作用已不明顯，且顆粒之間的孔隙會(huì)存在較多的水分，在擊實(shí)功的作用下，作用于土顆粒之間的有效應(yīng)力減小，導(dǎo)致干密度再次下降。細(xì)顆粒含量大于9%時(shí)，由于試樣內(nèi)部細(xì)顆粒含量增多，比表面積較大，對(duì)水分的吸附作用增強(qiáng)，故當(dāng)含水率在0.2%左右到最優(yōu)含水率之間，已經(jīng)達(dá)到了隨著含水率的增加顆粒表面的結(jié)合水膜增厚的狀態(tài)，得到的干密度逐漸增大；當(dāng)含水率大于最優(yōu)含水率時(shí)，干密度減小。原因與上述相同。

2.2 最大干密度與細(xì)粒土含量的關(guān)系

圖2為試驗(yàn)填料最大干密度與細(xì)顆粒含量之間的關(guān)系曲線。當(dāng)細(xì)顆粒含量小于15%時(shí)，細(xì)顆粒土含量對(duì)該填料最大干密度的影響顯著，隨著細(xì)粒含量的增加，最大干密度先增大后減小，細(xì)粒含量為9%時(shí)，試驗(yàn)填料的最大干密度值取得最大值2.42 g/cm3。細(xì)顆粒含量大于15%時(shí)，細(xì)顆粒土含量對(duì)該填料最大干密度的影響不大，隨著細(xì)粒含量的增加，最大干密度值減小，但下降速率很小。針對(duì)粗顆粒土的擊實(shí)特性，可將9%定義為最優(yōu)的細(xì)顆粒含量。當(dāng)細(xì)顆粒含量較小時(shí)，粗顆粒之間的孔隙較大，隨著細(xì)顆粒含量的增加顆粒間的孔隙被細(xì)顆粒所填充，導(dǎo)致最大干密度增加，當(dāng)細(xì)顆粒含量為9%時(shí)，取得最大值；當(dāng)細(xì)顆粒含量繼續(xù)增加，試樣中多余的細(xì)顆粒土包圍在粗顆粒周圍，使得試樣中的粗顆粒處于懸浮狀態(tài)，顆粒之間的咬合力降低，不易被壓實(shí)，且細(xì)顆粒含量大于11%時(shí)，最大干密度迅速減小，當(dāng)細(xì)顆粒含量大于15%時(shí)，粗顆粒的懸浮作用對(duì)最大干密度的影響趨勢(shì)減弱，導(dǎo)致隨著細(xì)顆粒含量的增加，最大干密度的下降趨勢(shì)變緩。

2.3 最優(yōu)含水率與細(xì)粒土含量的關(guān)系

圖3為細(xì)顆粒含量與最優(yōu)含水率之間的關(guān)系，整體上隨著細(xì)顆粒含量的增加，最優(yōu)含水率呈上升趨勢(shì)。當(dāng)細(xì)顆粒含量小于20%時(shí)，隨著細(xì)顆粒含量的增加，最優(yōu)含水率近似呈線性增長(zhǎng)。當(dāng)細(xì)顆粒含量大于20%時(shí)，隨細(xì)顆粒含量的增加最優(yōu)含水率增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。原因?yàn)殡S細(xì)顆粒含量的增加，細(xì)顆粒含量比表面積大，土樣的黏性增強(qiáng)，土樣的吸水能力增強(qiáng)，使顆粒間相互移動(dòng)至最佳密實(shí)狀態(tài)需要更大的含水率以減小顆粒之間的摩擦，即最優(yōu)含水率增大。當(dāng)細(xì)顆粒含量超過(guò)20%，粗顆粒懸浮在細(xì)顆粒周圍，屬懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，隨細(xì)顆粒土含量的增加，吸水性能改善程度較骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)減弱，故最優(yōu)含水率的增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。

圖2 最大干密度隨細(xì)粒土含量的變化曲線

圖3 最優(yōu)含水率隨細(xì)粒土含量的變化曲線

3 結(jié)論與展望

針對(duì)不同細(xì)粒含量的級(jí)配碎石填料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)研究，探索了細(xì)顆粒含量對(duì)該填料最大干密度及最優(yōu)含水率的影響規(guī)律，對(duì)季節(jié)性高速鐵路滿足壓實(shí)性及抗凍脹性路基填料參數(shù)優(yōu)選設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)施工過(guò)程中出現(xiàn)的壓實(shí)度超“1”現(xiàn)象具有重要指導(dǎo)意義，主要結(jié)論如下。

(1)不同級(jí)配碎石填料擊實(shí)特征曲線存在雙峰值及單峰值現(xiàn)象，且在細(xì)粒土含量為9%時(shí)，該填料的最大干密度取得最大值2.42 g/cm3，為了保證粗顆粒土路基具有良好的壓實(shí)效果，細(xì)粒土含量應(yīng)取9%左右。

(2)隨著細(xì)顆粒土含量的增加，最優(yōu)含水率總體上越來(lái)越大。當(dāng)細(xì)顆粒含量小于20%時(shí)，隨著細(xì)顆粒含量的增加，最優(yōu)含水率呈近似線性上升趨勢(shì)；當(dāng)細(xì)顆粒含量大于20%之后，最優(yōu)含水率增長(zhǎng)速率變緩。現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)施工過(guò)程中，可結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)填料的含水量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，達(dá)到更好的壓實(shí)效果。

(3)粗粒土填料中細(xì)顆粒含量對(duì)其壓實(shí)特性影響較大，但隨著細(xì)顆粒含量的增多，填料的凍脹敏感性增強(qiáng)，抗凍脹性能降低，故在季節(jié)性凍土地區(qū)路基基床的填料選擇方面，要針對(duì)壓實(shí)性和抗凍脹性綜合分析比選，以獲得最優(yōu)的路基填料配比，增強(qiáng)路基的長(zhǎng)期服役性。