多因素條件下土石混合料擊實特性試驗分析

李岳超，王志強，喬丹陽，曹 暉

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省公路交通建設(shè)集團有限公司,甘肅 蘭州 730070)

由于土石混合體的擊實特性有較大差異，故其有效控制一直是工程界所關(guān)注的熱點問題。目前，國內(nèi)外學(xué)者已對土石混合體擊實特性進行了較為深入的研究，大多以較硬巖或硬巖組成的土石混合體性質(zhì)為主。杜俊等[1]研究結(jié)果表明，隨級配中含塊石量增加，混合料的最大干密度先增大后減小，當含石量為70%時，混合料的干密度達到最大值；王將等[2]設(shè)計了適用于最大粒徑120mm的擊實儀，對土石混合體最大干密度進行近似值法和經(jīng)驗公式法進行了驗證，試驗結(jié)果表明土工試驗規(guī)程推薦方法與實際結(jié)果較為接近；周中[3]的試驗結(jié)果表明，土石混合體的最大干密度受含石量的影響較小，不可以只依據(jù)最大干密度進行路基填筑質(zhì)量判斷；董金玉等[4]對土石混合體路基填筑壓實質(zhì)量影響因素進行了分析，由于土石混合體路基填料是由擾動的土或石顆粒、空氣和水組成的典型三相體材料，混合體的擊實是大小顆粒在力的作用下克服顆粒間阻力產(chǎn)生位移的過程，即大顆粒的巖石重新排列，小顆粒土料進行孔隙填充，增加單位體積內(nèi)固體的顆粒量，減小受力變形的過程。土石混合體的擊實結(jié)果不僅與其含量有關(guān)，而且還與其顆粒的堅硬程度和分化程度有關(guān)。因此，進行土石混合體路基填料的擊實特性研究尤為關(guān)鍵。

本文以甘肅省夏河縣王格爾塘至夏河段高速公路高填方地基土為對象，研究P5含量、最大粒徑以及擊實功3種不同條件對土石混合體擊實特性的影響，量化分析土石混合體在不同條件下的擊實特性。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及試驗分組

1.1.1 試驗材料

土石混合體由黃土和硬巖組成，其中石料的巖性為砂質(zhì)板巖、灰?guī)r等為主，巖石的主要礦物為鉀長石、石英、斜長石、黑云母等。試驗所用石料的粒徑上限分別為80 mm和60 mm，經(jīng)過測試細粒料物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 細粒土相關(guān)參數(shù)

在土石混合體中，土和石是一組相對的概念，會因研究者的研究內(nèi)容不同其界限會有所變化[5],本次室內(nèi)試驗土石閾值取5 mm，將粒徑大于5 mm的質(zhì)量占土石混合體總質(zhì)量的百分數(shù)記為P5，依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》[6]對自然風干的土石混填料進行標準篩分試驗，得到土石混合體的級配曲線如圖1所示?；旌狭系暮繛?0.6%，混合料的累積質(zhì)量分數(shù)為

圖1 基準配比篩分試驗

(1)

式中：pi為小于某粒徑的質(zhì)量分數(shù)；mi為小于某粒徑的累計質(zhì)量；mc為試樣的總質(zhì)量。

1.1.2 試驗分組

土石混合體擊實試驗研究3種不同控制因素下的擊實特性，記為Q1、Q2和Q3。其中Q1為不同P5含量擊實特性，包含最大粒徑60 mm和80 mm兩類；Q2為P5含量一定條件下，不同最大粒徑的擊實特性對比分析；Q3為不同擊實功(即錘擊荷載的重復(fù)次數(shù)不同)條件下該填料的擊實特性研究，具體的試驗分組情況及相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 混合體分組擊實特性試驗

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)備

依據(jù)粗顆粒土擊實試驗方法標準進行試驗，對土石混填料選用重型擊實試驗，單位體積擊實功為2 684.9 kJ/m3，儀器相關(guān)參數(shù)見表3，試樣尺寸φ=300×288 mm。試驗前需對控制器擊實次數(shù)設(shè)定為88次，讓其達到規(guī)范要求的擊實功。

表3 粗粒土重型擊實技術(shù)性能

1.2.2 混合體試樣配置

配置不同工況下土石混合體試樣，利用控制變量法進行不同擊實工況土石混合配比計算，以基準配比試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，保證5 mm以上粗顆粒質(zhì)量不變，通過改變細粒土的質(zhì)量進行P5調(diào)整。具體方法為通過粗顆粒質(zhì)量除以擬定的P5進行試樣的總質(zhì)量計算，總質(zhì)量減去基準配比中5 mm以上粗顆粒石的質(zhì)量，可以得到細粒土的質(zhì)量；再將擊實所需試樣的目標質(zhì)量除以總質(zhì)量，可以得到土和石的換算系數(shù)，分別將總試樣中粗顆粒質(zhì)量和細顆粒質(zhì)量乘以換算系數(shù)，可以得出不同擊實工況的混合料粗顆粒質(zhì)量和細顆粒質(zhì)量。調(diào)整好的細顆粒質(zhì)量除以基準配比細顆粒質(zhì)量得到粒徑質(zhì)量變換系數(shù)，用試樣總質(zhì)量變換系數(shù)乘以粒徑大于5 mm各粒徑質(zhì)量得到目標配比中各粗顆粒質(zhì)量。用試樣細粒徑變換系數(shù)乘以粒徑小于5 mm粒徑質(zhì)量得到目標配比中各細粒徑質(zhì)量，從而可以進行混合料級配曲線的繪制或試樣級配指標的計算。

以P5-70%土石混合體試樣各粒徑質(zhì)量計算為例，將48.8 kg土石混合體進行篩分，得到混合體P5為50.6%。其中粗顆粒質(zhì)量為24.7 kg，細粒質(zhì)量為24.1 kg，保持粗顆粒質(zhì)量不變，計算P5-70%時，土石混合體總質(zhì)量為35.3 kg，細顆粒質(zhì)量為10.6 kg。由于土石混合體擊實試驗所需試樣55 kg，因此需要將調(diào)配好的P5-70%試樣擴大1.56倍(試樣總質(zhì)量變換系數(shù))，得到擊實試樣中粗顆粒質(zhì)量為38.4，細顆粒質(zhì)量為16.6，試樣的總質(zhì)量為55 kg，計算細粒土料的變換系數(shù)為0.69。在基準配比中大于5 mm各粒徑質(zhì)量試樣總質(zhì)量變換系數(shù)可以得到目標含石量各粗粒質(zhì)量，在基準配比中小于5 mm各粒徑質(zhì)量乘以試樣細粒徑土料變換系數(shù)可以得到目標含石量各細粒質(zhì)量。試樣級配曲線如圖2所示。

(a)最大粒徑60 mm

1.2.3 不同擊實功設(shè)定

不同擊實功對混合體的擊實影響，主要考慮2個方面：①重復(fù)荷載對粗顆粒間的相對滑移和擠壓；②重復(fù)錘擊荷載作用下顆粒破碎所引起的顆粒重新排列。由于土石混合體本身的離散性很大，設(shè)置的擊實功太小，其粗顆粒自身的移動不充分，顆粒間無法充分擠壓，設(shè)置擊實功太大，粗顆粒的移動壓實與破碎排列在未達到設(shè)定擊實功要求前早已完成。因此，擊實功總共設(shè)定5級不同工況，分別為標準擊實功、±20%和±40%，具體設(shè)定參數(shù)見表4。

表4 擊實功率參數(shù)

1.3 試驗過程

土石混合體的擊實試驗步驟：先將現(xiàn)場取回的材料進一步篩分，按照本文相關(guān)計算方法進行配料、稱重，緊接著加水充分攪拌均勻，悶料24 h至水分充分吸收；悶料完成之后進行分層擊實，按照四分法進行取樣加入擊實筒中，每一層擊實完成之后需要鑿毛處理，以使試樣盡量咬合在一起；擊實試驗完成之后，取掉擊實筒，將試樣稱重，隨后進行含水率測定；之后重復(fù)上述步驟4次，1組試樣擊實完成；待每組試驗完成之后進行數(shù)據(jù)記錄與分析，計算該組試樣的最大干密度和最優(yōu)含水率，試驗過程中嚴格控制擊實功和用水量。

2 結(jié)果與分析

土石混合體的室內(nèi)擊實試驗實質(zhì)是重復(fù)荷載作用下粗顆粒的重新排列和細粒徑選擇空隙填充的過程，其中混合體的骨料粒徑和顆粒級配決定了可供細粒徑填充孔隙的大小，而細粒徑含量和含水率決定著土石混合體間的附著力和黏聚力[7-8]。因此，含水量和骨料的配比應(yīng)在合理范圍內(nèi)，土石混合體顆粒才能充分移動和填充，實現(xiàn)較好的密實程度，在擊實曲線中即可得到所對應(yīng)的最大干密度和最優(yōu)含水率。

2.1 不同含石量擊實試驗結(jié)果分析

不同P5含量條件下混合料擊實特性結(jié)果如圖3所示,可以看出：雖然2組土石混合體的最大粒徑不同，但擊實干密度與P5含量之間卻有相同的變化規(guī)律。對于圖3(a)：當P5含量未達到70%之前，土石混合體的最大干密度ρd,max與P5含量之間近似呈正比例關(guān)系，ρd,max隨著P5含量的增加逐漸增大，當P5含量介于70%～90%時，ρd,max卻隨P5含量的增加而快速減小，P5含量為70%時，干密度取得最大值。對于圖3(b)：當P5含量未達到70%之前，土石混合體的ρd,max與P5含量之間的變化規(guī)律與圖3(a)相似，但圖3(b)的ρd,max與P5含量相關(guān)性較圖3(a)更好；當P5含量介于70%～90%時，ρd,max隨著P5含量的增加無明顯變化；P5含量為80%時，干密度取得最大值，極值點對應(yīng)的P5含量為土石混合體取得最大密實狀態(tài)的最優(yōu)級配。二者P5含量介于70%～90%時，混合料ρd,max隨P5含量增加變化規(guī)律存在較大差異，需增加試驗次數(shù)，進一步確定ρd,max與較大P5含量之間具體變化趨勢。這是因為土石混合體在體積相同的情況下，細粒料所占比重較粗粒料要多，此時的土石混合體比表面積大、孔隙多、質(zhì)量輕。因此，隨著P5含量的增大，在土石混合體單位體積內(nèi)部逐漸形成粗顆粒石料骨架，而細粒料進行骨架填充，使得土石混合體內(nèi)部更加緊湊密實。而當P5介于70%～80%時，土石混合體內(nèi)部粗、細顆粒共同作用形成一個整體密實結(jié)構(gòu)，共同承受外部荷載，此時的干密度達到最大值；當P5含量大于80%時，由于粗顆增加，使得原來緊密的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)新的孔隙，細粒料數(shù)量并不能完全填充完這些孔隙，此時的外力僅被粗料顆粒形成的結(jié)構(gòu)分擔，而細粒料處于孔隙中且得不到有效的壓實，以至于干密度值呈減小趨勢。混合料的最優(yōu)含水率隨P5含量的變化近似呈正比例關(guān)系，隨著P5含量增加混合料的最優(yōu)含水率逐漸降低，這是因為隨著P5含量增加，混合料中粗顆粒石料質(zhì)量增加，且粗顆粒對水的敏感性較差，細粒徑質(zhì)量逐漸減小，對水的需求量也減小，且試驗符合一般規(guī)律。

(a)最大粒徑60 mm

由于土石混合填料在P5含量小于70%時有較好的線性關(guān)系，故分別對P5含量與ρd,max、最優(yōu)含水率ω優(yōu)進行線性擬合，擬合公式只適用本試驗所依托工程項目的土石混合體，擬合關(guān)系如式(2)～(5)。

最大粒徑60 mm時P5含量與ρd,max關(guān)系為

y=1.885x+2 200.9.

(2)

P5含量與ω優(yōu)關(guān)系為

y=-0.04x+7.5.

(3)

最大粒徑80 mm時P5含量與ρd,max關(guān)系為

y=5.35x+1 908.

(4)

P5含量與ω優(yōu)關(guān)系為

y=-0.071x+11.84.

(5)

根據(jù)上述擬合關(guān)系，可得到任意P5含量下土石混合體的ρd,max和ω優(yōu)，試驗結(jié)果可為現(xiàn)場路基土石混合體加水量提供理論依據(jù)。

2.2 不同最大粒徑擊實試驗結(jié)果分析

依據(jù)不同最大粒徑試驗結(jié)果，主要考慮P5含量相同條件下最大粒徑60 mm和80 mm所對應(yīng)的擊實特性，P5含量主要考慮P5-30%、P5-50%和P5-70%三種，試驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，土石混合體的擊實干密度與含水量存在著密切的關(guān)系。擊實的ρd-ω曲線在不同P5含量、不同最大粒徑下均呈現(xiàn)出單峰的特點。峰值狀態(tài)下縱坐標即土石混合體的最大干密度，橫坐標即混合料最大干密度所對應(yīng)的最優(yōu)含水率。在未達到最優(yōu)含水率之前，水分子作為膠凝劑作用其中，土石混合體中巖石與巖石之間、巖石與土顆粒之間、土顆粒與土顆粒之間在水分子引力與外界重力勢能輸入的作用下咬合在一起，使得土石混合體的干密度隨著含水率的增加而呈遞增趨勢，直至達到最大干密度。

(a)P5-30%

隨著含水率的增加，超過最優(yōu)含水率時，水分子作為潤滑劑作用在其中，擊實筒內(nèi)土石混合體出現(xiàn)了“彈簧現(xiàn)象”。在擊實錘受壓處土石混合體下陷，而擊實錘周邊的土石混合體受到排擠彈起，如彈簧般微微晃動，此時的土石混合體處于一種軟塑流動的狀態(tài)，且體積不再壓縮，壓實度無法進一步提高，反而出現(xiàn)下降現(xiàn)象。這是因為①土石混合體中的細顆粒土系黏性土，含水率過大時水分無法散發(fā)，在反復(fù)外界重力撞擊下出現(xiàn)彈簧現(xiàn)象；②擊錘反復(fù)撞擊碾壓下，巖石與巖石之間、巖石與土顆粒之間、土顆粒與土顆粒之間的空隙減小、水膜增厚，抗剪力減小引起彈簧現(xiàn)象。

同時可知土石混合體的最大粒徑與P5含量對其ρd,max和ω優(yōu)的影響是非常顯著。當P5含量分別為30%、50%和70%時，最大粒徑為60 mm混合料的ρd,max較80 mm混合料提高了8.45%、6.23%和2.41%；最大粒徑為60 mm混合料的ω優(yōu)較80 mm混合料降低了35.71%、38.16%和31.34%。根據(jù)以往試驗研究發(fā)現(xiàn)，土石混合體的擊實ρd,max隨著最大粒徑的增大而呈遞減趨勢。由此可知，土石混合體的最大粒徑與其他因素如材料級配、顆粒形狀分布、巖石物理力學(xué)性質(zhì)差異等交叉影響擊實結(jié)果，需進一步研究。

2.3 不同擊實功擊實試驗結(jié)果分析

不同擊實功下土石混合體的擊實特性如圖5所示。

圖5 不同擊實功下ρd-ω關(guān)系曲線

由圖5可知：在標準擊實功之前，隨著擊實功的增加，土石混合體的最優(yōu)含水率增大，最大干密度增加；達到標準擊實功之后，當再加大擊實功時，土石混合體的最佳含水率雖然有所增大，而土石混合體的最大干密度變化微小。這是因為隨著外界夯實能量的不斷輸入使得土石混合體內(nèi)部的孔隙越來越小，孔隙比越小干密度就越大，但是超過某限度(標準擊實功)后即使擊實功增加，由于此時土石混合體中材料之間的孔隙已經(jīng)被擠壓到極限狀態(tài)，無法進一步被壓縮，故最大干密度再增加效果也不明顯。因此，在工程實踐中，從經(jīng)濟效益、質(zhì)量把控角度考慮，若要使土石混合體的干密度達到最大則應(yīng)盡可能減小其孔隙比，以標準擊實功下的最大干密度作為基準進行路基的壓實。

3 結(jié)論

1)通過不同P5含量試驗研究，隨著P5含量增加，混合料的ρd,max先增加后減小，混合料的ω優(yōu)逐漸減小。當P5含量小于70%時，P5含量與ρd,max和ω優(yōu)呈正比例關(guān)系，且可以推算任意P5含量下ρd,max和ω優(yōu)值。

2)當P5含量一定條件下，混合料最大粒徑為60 mm的ρd,max較80 mm的ρd,max大，混合料最大粒徑為60 mm的ω優(yōu)較80 mm的ω優(yōu)小。

3)通過不同擊實功下混合料的擊實特性試驗研究發(fā)現(xiàn)，當混合料擊實試驗的擊實功小于標準擊實功時，改變擊實功的大小可以提高擊實特性，當混合料的擊實功大于標準擊實功時，改變混合料的擊實功對擊實特性影響不大。