全風(fēng)化軟巖填料級配對壓實與破碎特性的影響

張榮　郭志玉　鄭博文　南凱　王俊杰　李莎

摘要：為研究顆粒級配對全風(fēng)化軟巖填料的壓實特性及破碎特性的影響，對不同級配的全風(fēng)化軟巖進行擊實、篩分及承載比試驗。結(jié)果表明：全風(fēng)化軟巖最大干密度為1.86～2.05 g/cm3，最佳含水率為9.50%～11.23%。最大干密度隨粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，隨有效粒徑和限制粒徑的增大而增大，隨不均勻系數(shù)的增大而增大，隨曲率系數(shù)的增大先減小后增大；最佳含水率隨粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小，隨有效粒徑和限制粒徑的增大而減小，隨不均勻系數(shù)的增大而減小，隨曲率系數(shù)的增大先增大后減??；4種級配的全風(fēng)化軟巖填料擊實后的平均破碎率為0～30%，擊實后級配曲線均向上限偏移，含水率對填料破碎率的影響較小，且粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小破碎率越小；不同級配的加州承載比（california bearing ratio，CBR）為2.90～12.36，填料在壓實過程中存在一定破碎，但含石量較大的土體仍能滿足路堤填料填筑要求。在路堤填筑過程中提高含石量能取得較好的壓實效果，可提高路堤承載比。

關(guān)鍵詞：顆粒級配；壓實特性；破碎特性；CBR；全風(fēng)化軟巖

中圖分類號：U416.1+2文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1672-0032（2023）02-0081-08

引用格式：張榮，郭志玉，鄭博文，等.全風(fēng)化軟巖填料級配對壓實與破碎特性的影響［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報，2023，31（2）：81-88.

ZHANG Rong， GUO Zhiyu， ZHENG Bowen， et al. Effect of packing stages on compaction and crushing characteristics of fully weathered argillaceous sandstone［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2023，31（2）：81-88.

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展與進步，高速公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計和建造已經(jīng)向西部山區(qū)轉(zhuǎn)移，高速公路沿線地形已從平原微丘區(qū)轉(zhuǎn)向山嶺重丘區(qū)。德遂高速TJ4標(biāo)段沿線山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，路基填筑就地取材，該路基填料主要為軟巖和粉砂巖，風(fēng)化程度較高，力學(xué)強度較低，抗變形能力較差[1]，給路基施工帶來一定困難。含石率對路堤壓實質(zhì)量的影響較大，因此為了獲得較好的壓實效果，有必要研究級配對軟巖填料壓實質(zhì)量的影響 [2]，為實際工程應(yīng)用提供可靠數(shù)據(jù)，

鄭明新等[3]、王合春[4]、方燾等[5]、劉新喜等[6]在分析風(fēng)化軟巖基本礦物成分、耐崩解性的基礎(chǔ)上，結(jié)合風(fēng)化巖塊力學(xué)強度和擊實試驗結(jié)果，初步判定軟巖填筑路基的可行性。但漢成等[7]、康景文等[8]、傅毅靜等[9]研究風(fēng)化軟巖路基的工程特性，發(fā)現(xiàn)其抗剪強度較高，回彈模量滿足路基強度和剛度的要求，可通過增大粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高風(fēng)化軟巖路基強度。劉振宇等[10]研究風(fēng)化程度和含水率對風(fēng)化紅層砂巖力學(xué)特性的影響，發(fā)現(xiàn)

填料的母巖特性、含水率、級配組成、擊實功等影響路基填料壓實質(zhì)量。高成雷等[11]進行不同顆粒級配無黏性土的表面振動壓實試驗，闡明顆粒級配對無黏性土的壓實機制為不同顆粒的互相填充效應(yīng)、大顆粒的懸浮效應(yīng)和小顆粒的虛填效應(yīng)。Wang等[12]通過室內(nèi)擊實試驗研究不同擊實條件下砂巖、泥巖顆粒的壓實特性。余明東等[13]分析影響昔格達混合填料壓實特性的因素，并推斷泥巖對其壓實特性的影響主要由泥巖顆粒的粒徑和含水率決定。鞠興華等[14]通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗等方法研究泥質(zhì)軟巖填料工程特性，結(jié)果表明水和擊實功對填料級配變化影響較大。杜俊等[15]、陶慶東等[16]、周榮等[17]、戴仁輝等[18]研究土石混合體路基填料分形特性和壓實破碎特征，認(rèn)為破碎率對含水率與含石量變化較敏感。徐俊等[19]、蒲陽等[20]、馬捷等[21]、李永奎等[22]研究不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的砂泥巖填料的力學(xué)性能。

不同風(fēng)化程度及工程水文地質(zhì)條件下全風(fēng)化軟巖的性能差異較大。本文對某高速公路沿線全風(fēng)化軟巖填料進行室內(nèi)試驗，研究不同級配對壓實特性和破碎特性的影響，并進行承載比試驗，判斷是否適用于路堤填料，為路堤填筑施工提供理論和實踐依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試驗材料及儀器

試驗土料來自德遂高速TJ4標(biāo)段，所取全風(fēng)化軟巖均為爆破后所留，呈暗紅色，與土壤顏色相似，含有泥質(zhì)膠結(jié)物，磨圓度較高，形狀呈長扁球體。其液限約為30%，塑限約為16%。用振篩機篩分土樣，將土料依次通過孔徑不同的篩孔，篩分后的土樣如圖1所示。

試驗所用儀器為電動擊實儀和電動脫模儀。選用的小擊實筒內(nèi)徑為10 cm，高12.7 cm，體積為997 cm3。落錘直徑為5 cm，質(zhì)量為4.5 kg。

1.2 試驗方案

為研究級配對壓實特性的影響，從現(xiàn)場運土至實驗室，測得全風(fēng)化軟巖原始級配，采用4組設(shè)計級配配制試樣，4種級配曲線如圖2所示。由圖2可知：級配1、2曲線平緩，表明級配良好，級配3、4曲線陡峭，表明級配不良。

根據(jù)圖2數(shù)據(jù)計算得到試驗參數(shù)如表1所示，其中級配3為原始級配。試樣在擊實過程中存在顆粒破碎，對路堤填筑造成一定影響，需研究全風(fēng)化軟巖的加州承載比（california bearing ratio，CBR）ECBR，測定是否滿足高速公路路堤填筑要求。若滿足不均勻系數(shù)Cu>5，同時曲率系數(shù)Cc 需滿足1

1.3 試驗過程

根據(jù)文獻[23]要求進行擊實試驗。按照每種級配不同的粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)和預(yù)估含水率制備試樣，分別有4組不同級配與5種不同含水率。采用電動脫模儀得到完整試樣，在試樣中心取具代表性的土樣，烘干后測定其含水率，得到干密度

ρd=ρ/（1+w），

式中：ρ為濕密度；w為含水率，w=（m-md）/md×100%，其中m為濕土質(zhì)量，md為干土質(zhì)量。

將擊實土樣打散、烘干后，采用振篩機進行篩析，震搖時間為15 min。將土料依次通過直徑為20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm的篩孔，稱量各篩網(wǎng)上的土樣質(zhì)量，并按照級配曲線制備土樣。

根據(jù)擊實試驗測得最大干密度，進行壓實度為93%土樣的CBR試驗，測定不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)土樣的承載比是否滿足文獻[24]要求。將試樣浸水4 d，采用萬能試驗儀進行貫入試驗，并按照文獻[24]計算CBR，測定填料是否滿足要求。

2 壓實特性

不同級配對應(yīng)不同的特征粒徑、粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Cu、Cc等特征參數(shù)，壓實質(zhì)量表現(xiàn)為試樣的最佳含水率和最大干密度。因此全風(fēng)化軟巖級配對壓實特性的影響表現(xiàn)為級配各種特征參數(shù)對試樣的最佳含水率和最大干密度的影響。

2.1 不同級配的擊實曲線

通過擊實試驗獲得4種不同級配下?lián)魧嵑蟮母擅芏群秃赎P(guān)系曲線，如圖3所示。由圖3可知：試樣的干密度隨含水率的增大而先增大后減小。取曲線峰值干密度為最大干密度，對應(yīng)的含水率為最佳含水率，得到4種級配的全風(fēng)化軟巖最大干密度為1.86～2.05 g/cm3，最佳含水率為9.50%～11.23%。

2.2 級配特征粒徑

4種級配特征粒徑對全風(fēng)化軟巖壓實特性的影響如圖4、5所示。由圖4、5可知：隨d50、d60特征粒徑的增大，全風(fēng)化軟巖的最大干密度隨之增大，最佳含水率隨之減小。對于軟巖填料其特征粒徑越大，則其最大干密度越大，最佳含水率越小。

2.3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

w5對全風(fēng)化軟巖壓實特性的影響如圖6所示。

由圖6可知：最大干密度隨w5的增大而增大，最佳含水率隨w5的增大而減小。土體中土顆粒起骨架作用，其中粗顆粒發(fā)揮控制作用。在全風(fēng)化軟巖中，粗顆粒搭建土體的框架，細(xì)顆粒填充粗顆粒間的間隙，水分子除填充間隙外，還充當(dāng)土體顆粒間的黏合劑。

土體中粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時，細(xì)顆粒填充粗顆粒間的間隙，粗顆粒增多使土體中應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯。土料主要由粗顆粒結(jié)構(gòu)承受擊實壓力，全風(fēng)化軟巖在填料擊實過程中存在顆粒破碎現(xiàn)象，部分粗顆粒變?yōu)榧?xì)顆粒，填充顆粒間隙，土體更密實，單位體積容納更多土顆粒，土體最大干密度增大。隨細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，單位體積內(nèi)土體顆粒的比表面積增大，水與土體顆粒間的接觸更充分，土顆粒對水的吸附能力提升，最佳含水率增大。

2.4 不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)的影響

Cu、Cc對全風(fēng)化軟巖壓實特性的影響如圖7、8所示。

由圖7、8可知：最大干密度隨Cu的增大而增大，隨Cc的增大而先減小后增大。最佳含水率隨Cu的增大而減小，隨Cc的增大先增大后減小?？傮w來說，級配良好的全風(fēng)化軟巖試樣壓實效果優(yōu)于級配不良的試樣。不均勻程度越高，顆粒粒徑越連續(xù)，則土體顆粒粒徑互相填充程度越高，壓實效果越好。

3 破碎特性

通過篩分試驗，測得不同級配的全風(fēng)化軟巖在不同含水率下?lián)魧嵑蟮募壟渥兓?，如圖9所示。

由圖9可知：擊實后的級配曲線明顯向上限偏移，說明全風(fēng)化軟巖在擊實過程中存在顆粒破碎現(xiàn)象，不同含水率的土樣壓實后的級配曲線分布大致相同，說明含水率對顆粒破碎的影響程度較小。粗顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，向上偏移的幅度越大，說明粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，就有越多的粗顆粒破碎為細(xì)顆粒填充粗顆粒間的間隙。

擊實前、后ω5質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比如表2所示。由表2可知：擊實對全風(fēng)化軟巖填料級配的影響較大，與擊實前相比，擊實后粗顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯減小，其中級配1粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化最大，級配4粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化最小。這是因為粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時，粗顆粒懸浮在細(xì)顆粒中，最不易發(fā)生破碎。粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時，細(xì)顆粒填充在粗顆粒孔隙間，應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，最易發(fā)生破碎。

破碎率Bg表征相應(yīng)壓力下顆粒破碎的程度，Bg的下限為0，上限理論值為100%。根據(jù)Marsal顆粒破碎率公式[25]，定義為試驗前、后顆粒各級粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)之差ΔWk的絕對值之和，計算公式為：

式中：Wki、Wkf分別為試驗前、后級配曲線上某級粒組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

相同擊實功下含水率對顆粒破碎情況影響較小，相對破碎率差異較小。采用平均相對破碎率表示不同級配對全風(fēng)化軟巖破碎情況的影響。全風(fēng)化軟巖土樣的平均相對破碎率隨級配的變化如圖10所示。

由圖10可知：平均相對破碎率為7%～30%，且破碎率隨粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大呈非線性增長。全風(fēng)化軟巖填料風(fēng)化程度較大，顆粒內(nèi)部孔隙率較大，抗變形性能較差，擊實后的相對平均破碎率較高。粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，有越多的粗顆粒破碎為細(xì)顆粒，破碎率越大。隨土體顆粒逐漸趨于均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸減弱，隨擊實功的增大，單位擊實功引起的平均相對破碎率逐漸減小。

4 CBR試驗

通過貫入試驗得到土樣的荷載-位移曲線，如圖11所示。由圖11可知：試樣的荷載-位移曲線呈上凸?fàn)?，在貫入初始階段，土體產(chǎn)生彈性變形，曲線斜率較??；隨貫入量的增大，土體產(chǎn)生局部剪切破壞，相同的貫入量只需增大較小的壓力，因此斜率變大；同時粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大的土樣在相同貫入量下需較大壓力。

全風(fēng)化軟巖填料不同級配土體ECBR如表3所示。貫入量分別為2.5、5.0 mm時，ECBR取ECBR2.5和ECBR5.0兩者中較大值。

由表3可知：粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大則ECBR越大。根據(jù)文獻[23]要求，壓實度為93%時，ECBR≥3。級配4粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)過小，不能用作路堤填料。雖然填料在壓實過程中存在一定破碎，但含石率較高的土體仍滿足路堤填筑要求。因此提高粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)能提高路基強度，路基填筑時需控制粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能過小。

5 結(jié)論

采用4種不同級配的全風(fēng)化軟巖試樣進行擊實試驗，研究級配對全風(fēng)化軟巖壓實特性的影響，分析特征粒徑、粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)等因素對最大干密度、最佳含水率及破碎率的影響。

1）對不同級配的全風(fēng)化軟巖進行壓實試驗，得到的最大干密度為1.86～2.05 g/cm3。最大干密度一般隨有效粒徑和限制粒徑的增大而增大，隨粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，隨不均勻系數(shù)的增大而增大，隨曲率系數(shù)的增大而先減小后增大。

2）不同級配的全風(fēng)化軟巖進行壓實試驗，最佳含水率為9.50%～11.23%。最佳含水率一般隨特征粒徑d50、d60的增大而減小，隨粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小，隨不均勻系數(shù)的增大而減小，隨曲率系數(shù)的增大而先增大后減小。

3）不同級配下全風(fēng)化軟巖的平均相對破碎率為0～30%，含水率對全風(fēng)化軟巖擊實后破碎率的影響較小，粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小的土體破碎率越小。擊實后級配曲線向上限偏移，且粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越多，偏移幅度越大。隨粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，單位擊實功引起的平均破碎率減小。

4）不同級配下全風(fēng)化軟巖的加州承載比為2.90～12.36，且隨粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而變大，但含石率較小的土樣承載比過低，不符合路堤填料要求，提高含石率可提高路堤的承載比。

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Effect of packing stages on compaction and crushing characteristics of fully weathered argillaceous sandstone

ZHANG Rong1， GUO Zhiyu1， ZHENG Bowen1， NAN Kai1， WANG Junjie2， LI Sha2

1.China Railway 12 Bureau Group Fourth Engineering Co.，Ltd.， Xi′an 710000， China;

2.School of River and Ocean Engineering， Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074， China

Abstract：In order to study the effect of particle size on the compaction and crushing characteristics of fully weathered soft rock filler， compaction， screening and load-bearing ratio tests are carried out on fully weathered soft rock of different grades. The results show that the maximum dry density of fully weathered soft rock is 1.86-2.05 g/cm3， and the optimal water content is 9.5%-11.23%. The maximum dry density increases with the increase of mass fraction of coarse particles， and increases with the increase of effective particle size limited particle size， and increases with the increase of non-uniformity coefficient， and first decreases and then increases with the increase of curvature coefficient. The optimal moisture content decreases with the increase of the mass fraction of coarse particles， decreases with the increase of the effective particle size and the limited particle size， decreases with the increase of the non-uniformity coefficient， and increases first and then decreases with the increase of the curvature coefficient. The average crushing rate of the four kinds of graded soft rock filler is 0-30% after compaction， and the grading curves shift to the upper limit after compaction. The effect of water content on the crushing rate of the filler is small， and the smaller the mass fraction of coarse particles， the smaller the crushing rate. The California bearing ratio （CBR） of different grades is 2.90-12.36. There is some crushing of the filling in the process of compaction， but the soil with large stone content can still meets the requirements of embankment filling. Improving the stone content in the process of embankment filling can achieve better compaction effect and improve the embankment bearing ratio.

Keywords： particle size distribution; compaction characteristics; crushing characteristics; CBR; fully weathered soft rock

（責(zé)任編輯：王惠）

收稿日期：2021-09-28

基金項目：水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心開放課題基金資助項目（LSDP202101）

第一作者簡介：張榮（1986—），男，甘肅天水人，工程師，主要研究方向為公路設(shè)計和施工，E-mail：1510507552@qq.com。