含黏粒砂土填料工程特性研究

高源?朱紅麗

摘 要 含黏粒砂土作為一種良好的填料，常用于高等級(jí)公路、鐵路路基填方中，然而砂土作為一種松散的集料，其壓實(shí)特性往往受到黏粒含量的影響，呈現(xiàn)出不同壓實(shí)特性，研究不同黏粒含量的砂土的擊實(shí)特性，在路基施工方法的選擇和施工質(zhì)量的控制上具有重要意義。依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，配制一系列不同黏粒含量的細(xì)砂進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，分析黏粒含量對(duì)砂土擊實(shí)特性的影響，研究表明：砂土在不同的黏粒條件下，表現(xiàn)出不同特征，大致可以劃分為3種類(lèi)型，即準(zhǔn)直線型、波峰波谷型、波峰型。后兩種類(lèi)型存在界限黏粒含量，約35%;黏粒含量≥35%時(shí)，砂土表現(xiàn)出良好的擊實(shí)特性。

關(guān)鍵詞 擊實(shí)試驗(yàn);含黏粒砂土;壓實(shí)特性;工程特性

引言

大量高速鐵路、高等級(jí)公路、機(jī)場(chǎng)、港口碼頭的建設(shè)，對(duì)路基、下臥層填料的需求量巨大，黏土、砂土作為良好的工程填料，壓實(shí)后具有較強(qiáng)的承載力和較小的變形，因此廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。此外，砂土是一種極易獲得的工程原材料，在我國(guó)內(nèi)陸河流湖泊，沿海沙灘入?？?、西部干旱沙漠風(fēng)成砂，都提供了豐富的砂性土資源，給工程建設(shè)大大降低了原材料運(yùn)輸成本[1]。

雖然砂土作為一種良好的填筑材料，但是由于其顆粒呈松散狀態(tài)，不能直接壓實(shí)填筑，需配合一定的黏性土作為膠結(jié)物，才能達(dá)到路基的填筑密實(shí)度。黏粒的含量大小顯著地改善了砂土作為路基填料的工程特性，也影響著路基的使用方式和施工質(zhì)量的控制，也對(duì)路基工后沉降產(chǎn)生影響[2-4]。本文通過(guò)采取天然砂樣，以不含細(xì)粒的部分為砂骨架配置一系列不同黏粒含量試樣，進(jìn)行室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)，分析砂土的壓實(shí)機(jī)理，研究細(xì)粒含量對(duì)砂土壓實(shí)特性的影響，為砂土的工程應(yīng)用提供參考。

1試樣制備

1.1 天然砂土樣的顆粒分析

試驗(yàn)試樣制備采用的砂樣為天然砂土，取樣于遼寧省營(yíng)口市鲅魚(yú)圈地區(qū)，參考《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)砂樣進(jìn)行顆粒分析，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

由上表可知：砂的顆粒粒徑范圍集中在0.075～0.5mm之間，含量大于96%，顆粒直徑>0.5mm的顆粒所占比例小于3.7%，直徑小于0.075mm的細(xì)粒含量更少，只占1.95%，不均勻系數(shù)Cu=3.46，曲率系數(shù)Cc=0.83。由此可知，所取天然砂樣的顆粒較細(xì)，顆粒直徑分布集中，級(jí)配不良，較為純潔，黏粒含量較少，按現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范可將其定義為細(xì)砂。

1.2 試驗(yàn)砂樣的制備

由前文天然砂樣篩分試驗(yàn)可知，天然砂樣黏粒含量為1.95%，由此對(duì)天然砂樣摻入不同比例的黏粒，可按質(zhì)量比例分別為5.0%，10.0%，20.0%和35.0%制備一系列不同黏粒含量的試驗(yàn)試樣。所摻配黏土物理指標(biāo)具體為：黏土天然密度ρ為2.72g/cm3，液限ωL為25.2%，塑限ωp為18.3%。

參考《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[5]對(duì)制備的一系列砂樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，可得其擊實(shí)曲線如圖2所示。由此可知，摻配黏粒的最大干密度為1.78g/cm3。最優(yōu)含水率為14.2%。

同時(shí)制備一組黏粒含量接近為0的潔凈細(xì)砂，將上文所述混合砂樣進(jìn)行編號(hào)如下：

利用密度計(jì)法[5]對(duì)上述砂土試樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由此計(jì)算不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)，并按填料分組如下表3所示：

2室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)

本次擊實(shí)試驗(yàn)儀器為CSK-VI型電動(dòng)擊實(shí)儀，重型擊實(shí)筒內(nèi)徑和高度分別為102，116mm，擊錘質(zhì)量4.5kg，單位體積擊實(shí)功為2659kJ/m3，試樣分5層擊實(shí)，每層錘擊25次，擊實(shí)完成后選取試樣中心2處代表性試樣，采用烘干法測(cè)定含水率。

對(duì)混合砂樣T1～T6進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)[5]，其標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)曲線如圖3。

由圖3可知：對(duì)于砂樣T1，T2，在一定擊實(shí)功作用下，干密度隨含水率的變化不明顯，呈現(xiàn)準(zhǔn)直線型。分析其原因主要有：①黏粒含量的影響，試樣T1，T2黏粒含量十分微小，小于5%，礦物主要成分為石英，無(wú)黏聚力，與水作用微弱;試樣T3的黏粒含量有所提升，在一定程度上改善級(jí)配，提高了黏聚力，干密度曲線整體上升，但是含水率對(duì)擊實(shí)干密度依然無(wú)明顯規(guī)律性影響;②排水條件的影響，砂樣T2是天然細(xì)砂，第四系沉積作用形成，粒徑單一，分選性好，是典型的顆粒狀松散結(jié)構(gòu)，孔隙率大，滲透性強(qiáng)，在擊實(shí)過(guò)程中因良好的排水性能而不會(huì)形成較大孔隙水壓力，故含水率對(duì)壓實(shí)性能影響較小。

砂樣T4，T5與砂樣T1，T2，T3相比，因?yàn)轲ち：吭黾?，黏粒土水界面的雙電層結(jié)構(gòu)改善了砂土混合物與水的作用，表現(xiàn)出較強(qiáng)的壓實(shí)效果。對(duì)于砂樣T5，隨著含水率的提高，干密度呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的趨勢(shì)，表明黏粒含量已經(jīng)對(duì)試樣土的擊實(shí)性能有了顯著影響。在含水率8%時(shí)，干密度分別達(dá)到峰值，試樣土表現(xiàn)出干壓實(shí)特性。在1% ～3%附近的低含水率區(qū)段，干密度最小，壓實(shí)效果差。此時(shí)擊實(shí)曲線呈波峰波谷型，其示意圖如圖4所示。

由圖4可知：擊實(shí)曲線隨著含水率的變化分為四個(gè)區(qū)段。

第一區(qū)段：當(dāng)細(xì)砂處于含水率極低的干燥狀態(tài)時(shí)，砂顆粒之間的黏聚力分量為零，擊實(shí)功只需要克服砂顆粒的內(nèi)摩擦分量。當(dāng)擊實(shí)錘落在砂樣表面時(shí)，砂顆粒受到垂直和水平兩個(gè)方向上的振動(dòng)，砂顆粒向有空隙的空間移動(dòng)，周?chē)形礉M足的應(yīng)力場(chǎng)，會(huì)吸附周?chē)障吨辛阶钚〉念w粒，在砂顆粒表面形成薄膜，使砂顆粒的直接接觸面積減小[7]。此外，隨著黏粒含量的增加，改善了細(xì)砂的級(jí)配，使得砂樣T4，T5的干密度更大。

第二區(qū)段：隨著含水率增加，砂樣干密度逐漸降低，并達(dá)到最小值。造成此現(xiàn)象的原因是：由于水對(duì)細(xì)砂顆粒的非潤(rùn)滑效應(yīng)，使內(nèi)摩擦分量加大。其次，砂中黏粒吸附水后，產(chǎn)生黏聚力，使砂樣中黏聚力分量增加。砂顆粒之間會(huì)產(chǎn)生結(jié)合水膜，含水率較小時(shí)，結(jié)合水膜黏結(jié)作用明顯，使得砂樣中內(nèi)摩擦分量和黏聚力分量都有所增加，不利于壓實(shí)。

第三區(qū)段：砂中含水率繼續(xù)增大，水膜逐漸變厚，結(jié)合水膜的黏滯作用迅速退化，水對(duì)砂顆粒的潤(rùn)滑作用逐漸增大，砂土內(nèi)摩擦力減小。同時(shí)，含水率增加使不利于砂顆粒位移的毛細(xì)吸力作用消失，砂樣更易擊實(shí)。

第四區(qū)段：擊實(shí)干密度到達(dá)峰值后，隨著含水率繼續(xù)增加，砂土內(nèi)摩擦力和黏聚力下降幅度變小，砂達(dá)到飽和，由于水極難被壓縮，因此擊實(shí)干密度降低[8]砂樣T6在重型擊實(shí)功下，砂顆粒之間的孔隙基本被填滿，砂顆粒失去骨架支撐作用，表現(xiàn)出類(lèi)似于黏性土的波峰型擊實(shí)曲線。砂樣T6黏粒含量約35%，表明黏粒含量≥35%時(shí)，砂土表現(xiàn)出良好的擊實(shí)特性，為界限黏粒含量。

3結(jié)束語(yǔ)

本文制備一系列摻配不同黏粒含量的細(xì)砂進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，研究細(xì)粒含量對(duì)砂土擊實(shí)特性的影響，得出以下結(jié)論：

（1）級(jí)配均勻細(xì)砂的擊實(shí)特性與其細(xì)粒含量相關(guān)，是無(wú)黏性的砂骨架和含黏性的細(xì)粒共同作用的結(jié)果，根據(jù)細(xì)粒含量的不同擊實(shí)曲線可分為三種典型種類(lèi)，即準(zhǔn)直線型、波峰波谷型、波峰型。

（2）砂土在干燥狀態(tài)和欠飽和狀態(tài)下具有良好的壓實(shí)特性，工程上可根據(jù)具體情況選擇合適的壓實(shí)含水率。同時(shí)，在低含水率時(shí)，砂土具有難以壓實(shí)的特性，工程上應(yīng)該極力避免此類(lèi)情況。

（3）細(xì)粒含量較少的細(xì)砂擊實(shí)特性主要受無(wú)黏性的砂骨架影響，其擊實(shí)曲線為準(zhǔn)直線型曲線、波峰波谷型曲線，且該類(lèi)擊實(shí)曲線的細(xì)砂壓實(shí)性能較差，作為工程材料應(yīng)謹(jǐn)慎使用。

（4）合適的細(xì)粒比例會(huì)改良粉砂的級(jí)配，細(xì)粒含量超過(guò)35%的砂土具有良好的擊實(shí)特性，可作為一種良好的路基填料。

參考文獻(xiàn)

[1] 王勇，王艷麗.細(xì)粒含量對(duì)飽和砂土動(dòng)彈性模量與阻尼比的影響研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（9）：2623-2628.

[2] 張海霞，凌建明，蔣鑫，等.長(zhǎng)江口細(xì)砂路用性能的試驗(yàn)研究[J].公路工程，2008，33（3）：142-146.

[3] 張宏，錢(qián)勁松，戴清，等.長(zhǎng)江口細(xì)砂作為路基填料的工程特性研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2012，15（2）：237-240.

[4] 譚鵬，曹長(zhǎng)偉，資西陽(yáng)，等.濱海細(xì)砂作為公路路基填料的工程特性研究[J].公路工程，2014，39（1）：94-98.

[5] GBT50123-1999.土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)非原版[S].北京：中華人民共和國(guó)建設(shè)部，1999.

[6] 姚兆明，黃茂松，張宏博.長(zhǎng)期循環(huán)荷載下粉細(xì)砂的累積變形特性[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，39（2）：204-208.

[7] 趙天宇，王錦芳.考慮密度與干濕循環(huán)影響的黃土土水特征曲線[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，43（6）：2445-2453.

[8] 高大釗.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2000：201.