天然砂礫擊實特性研究

余宗杰，焦芳芳

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830046)

0 前 言

新疆處于特殊的干旱荒漠區(qū)環(huán)境，這一獨特環(huán)境儲藏著極為豐富的天然砂礫，天然砂礫是一種較好的路基填料并已在工程中廣泛應(yīng)用[1]。新疆地區(qū)路基填料以天然砂礫為主，天然砂礫具有強度高、壓實密度大、沉降變形小及透水性好等優(yōu)點，同時天然砂礫顆粒組成不均勻、細(xì)粒含量少、顆粒間結(jié)合力低，一般屬于粗粒土范圍[2]。相關(guān)文獻(xiàn)[3]表明自東向西顆粒級配存在著較大差異。本文針對新疆某地區(qū)天然砂礫進(jìn)行室內(nèi)顆分試驗和室內(nèi)重型擊實試驗，研究天然砂礫的不同顆粒含量的壓實特性，研究粗顆粒含量和細(xì)粒土含量對天然砂礫最大干密度和最佳含水量的影響。確定天然砂礫在粗顆粒含量、細(xì)粒土含量下最大干密度和最佳含水量的變化關(guān)系。確定天然砂礫的最大干密度和最佳含水量有利于提高實際工程碾壓質(zhì)量。

1 天然砂礫顆分試驗

新疆地處我國西北，地域遼闊，礫類土分布十分廣泛。新疆礫類土的形成主要是第四紀(jì)地質(zhì)構(gòu)造巖石風(fēng)化形成的[4]。選取G331青河—富蘊縣—阿勒泰公路工程的天然砂礫路基填料進(jìn)行室內(nèi)顆分試驗。該地區(qū)天然砂礫的顆粒最大粒徑小于60 mm，粒徑范圍為5～60 mm的占57.2%，在2 mm篩孔上顆粒含量為12.4%，在1 mm篩孔上顆粒含量為2.9%，在0.5 mm和0.25 mm篩孔上顆粒含量分別為9.1%和9.8%，在0.075 mm篩孔上顆粒含量為17.1%，在篩底上顆粒含量為5.9%。天然砂礫級配參數(shù)見表1，級配曲線見圖1。

表1 天然砂礫級配參數(shù)

圖1 級配曲線

由圖1可以看出，取自新疆阿勒泰地區(qū)的天然砂礫，由于1～2 mm的顆粒含量較少，可以看出在1～2 mm間是一段極為平緩的臺階。不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc能很好反映天然砂礫顆粒粒徑的組成，前者主要反映天然砂礫顆粒粒徑分布情況，后者主要反映天然砂礫顆粒級配曲線的形狀。由表1可以得出，不均勻系數(shù)Cu=63.0，曲率系數(shù) Cc=0.30，細(xì)粒土含量為5.87%，粗顆粒含量為57.2%。根據(jù)公路土工試驗規(guī)程[5]規(guī)定，礫類土中細(xì)粒組質(zhì)量為總質(zhì)量5%～15%的土稱含細(xì)粒土礫，記該土的名稱代號為GF。表1中的d10=0.10，該值表示顆粒粒徑小于0.10 mm的顆粒的質(zhì)量占篩分總質(zhì)量的10%，d30和 d60的表示與此相同。

2 易溶鹽試驗

篩取1 mm以下顆粒100 g天然砂礫進(jìn)行易溶鹽試驗，通過易溶鹽試驗測定天然砂礫離子種類和含量[6]，具體離子種類及含量數(shù)據(jù)見表2。

表2 天然砂礫易溶鹽試驗結(jié)果

由表2可以看出，天然砂礫中Cl-/SO42-含量為0.43%，SO42-的含量次之，其中HCO3-、Cl-和Ca2+含量比較接近，天然砂礫中含鹽總量為0.225%。結(jié)合以上數(shù)據(jù)和公路土工試驗規(guī)程[5]可判斷該天然砂礫為硫酸鹽非鹽漬土。

3 天然砂礫擊實特性研究

3.1 擊實試驗

相關(guān)文獻(xiàn)[7]表明，天然砂礫的最大干密度與粗顆粒含量和細(xì)粒土含量密切相關(guān)，本實驗將對這兩個因素的影響進(jìn)行研究。

本實驗方法選用重型擊實儀進(jìn)行試驗，選用干土法制備試樣，首先對提前風(fēng)干的天然砂礫料進(jìn)行篩分，以備后期試驗摻配取用，按控制粒徑含量要求稱取砂礫料，含水量按2%遞增，分別為3%、5%、7%、9%、11%。每組按四分法分別制備5個試樣，一共11組試驗。

3.2 影響因素分析

3.2.1 粗顆粒含量的影響

對天然砂礫進(jìn)行不同粗顆粒含量(P5)的擊實試驗，分析得到P5對天然砂礫最大干密度和最佳含水量的影響，如圖2所示。

圖2 P5與天然砂礫最大干密度、最佳含水量的關(guān)系

從圖2可以看出，天然砂礫的最大干密度隨著粗顆粒含量的增加而先增加后減小。當(dāng)粗顆粒含量處于20%～40%時，天然砂礫最大干密度ρdmax增長較快，增長率為3.7%，此階段由于級配中5 mm以下顆粒含量遠(yuǎn)大于5 mm以上顆粒含量，粗顆粒料含量太少；當(dāng)粗顆粒含量處于40%～70%時，天然砂礫最大干密度ρdmax增長變得平緩，增長率為2.7%，當(dāng)粗顆粒含量為70%時，天然砂礫有最大干密度，此時ρdmax=2.29 g/cm3，此時的粗顆粒含量稱最佳粗顆粒含量，這與文獻(xiàn)[1]中略有差異，其主要原因是由于擊實方法不同。當(dāng)粗顆粒含量不斷增加，粗細(xì)顆粒間充分填充；當(dāng)粗顆粒含量處于70%～80%時，天然砂礫最大干密度ρdmax開始減小，減小率為0.4%，其主要原因是粗顆粒含量太大，細(xì)顆粒無法填滿粗顆粒間形成的間隙，導(dǎo)致天然砂礫的空隙率變大，即表現(xiàn)為最大干密度ρdmax減小，此階段為骨架空隙結(jié)構(gòu)。

通過軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出天然砂礫ρdmax和p5之間的關(guān)系，用式(1)表示：

ρdmax=0.0225 P5+ 2.1471 (R2=0.9004)

(1)

從圖2可以看出，取自新疆阿勒泰地區(qū)天然砂礫的最佳含水量隨著P5的增加而減小。這主要是由于粗顆粒不斷增加的同時，細(xì)顆粒料在不斷減小，導(dǎo)致粗顆粒間出現(xiàn)無法填滿的空隙。通過軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出天然砂礫wopt和P5之間的關(guān)系，用式(2)表示：

wopt=-0.5179 P5+8.6857 (R2=0.9921)

(2)

通過以上分析表明，粗顆粒含量P5對天然砂礫的最大干密度ρdmax和最佳含水量wopt都有顯著影響，在實際工程中，只有當(dāng)路基填料的粗顆粒含量P5處于最佳粗顆粒含量附近，即60%～70%最佳，這與文獻(xiàn)[8]研究結(jié)果基本一致，并且含水量處于最佳含水量附近，才能得到最佳的壓實效果。

3.2.2 細(xì)粒土含量的影響

對天然砂礫進(jìn)行不同細(xì)粒土含量(F)的擊實試驗，分析F對天然砂礫最大干密度和最佳含水量的影響，如圖3所示。

從圖3可以看出，取自新疆阿勒泰地區(qū)天然砂礫的最大干密度ρdmax隨著f的增加而減小，主要是因為隨著f的增加，粗顆粒料間被細(xì)顆粒料分隔而無法接觸。

圖3 f與天然砂礫最大干密度、最佳含水量的關(guān)系

通過軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出天然砂礫ρdmax和F之間的關(guān)系用式(3)表示：

ρdmax=-0.043F+ 2.311 (R2=0.989)

(3)

通過軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出天然砂礫wopt和F之間的關(guān)系用式(4)表示：

Wopt=0.97F + 4.41 (R2=0.998)

(4)

通過以上分析表明，細(xì)粒土含量F對天然砂礫的最大干密度ρdmax和最佳含水量Wopt都有顯著影響，在實際工程中，只有當(dāng)路基填料的細(xì)粒土含量處于骨架密實結(jié)構(gòu)對應(yīng)的細(xì)粒土含量附近，并且含水量處于最佳含水量附近時，才能得到最佳的壓實效果。

4 結(jié) 論

1)新疆阿勒泰地區(qū)的天然砂礫為硫酸鹽非鹽漬土，土中細(xì)粒組質(zhì)量為5.87%，名稱代號為GF。

2)最大干密度隨著粗顆粒含量的增加而先增大后減小，當(dāng)含量處于20%～40%時，天然砂礫最大干密度ρdmax增長較快；當(dāng)粗顆粒含量處于40%～70%時，天然砂礫最大干密度ρdmax增長變得相對平緩；當(dāng)粗顆粒含量為70%時，天然砂礫有最大干密度，此時ρdmax=2.29 g/cm3，此時的粗顆粒含量稱最佳粗顆粒含量。

3)天然砂礫的最大干密度ρdmax隨著細(xì)粒土含量的增加而減小，隨著細(xì)粒土含量逐漸增加，含水量也逐漸增加。

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