花崗巖殘積土最大干密度影響因素的研究

彭利英，張馨尤，李盛南，劉延狀

（湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湘潭 411104）

關(guān)鍵字：路基填筑；花崗巖殘積土；最大干密度；改良

0 引言

花崗巖殘積土在我國(guó)西南、華南、華中和東南沿海地區(qū)分布廣泛.當(dāng)前，隨著我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，改良花崗巖殘積土大量用于高等級(jí)公路.如何科學(xué)地確定改良花崗巖殘積土的最大干密度、準(zhǔn)確計(jì)算改良花崗巖殘積土路基的壓實(shí)度是公路建設(shè)急需解決的關(guān)鍵問題，對(duì)改良花崗巖殘積土路基填筑質(zhì)量評(píng)價(jià)和技術(shù)推廣具有重要意義.

當(dāng)前，已有一些學(xué)者對(duì)改良花崗巖殘積土的擊實(shí)特性進(jìn)行了研究.楊金龍等［1］用生石灰、粉煤灰和水泥改良鹽漬土，分析不同配比下對(duì)鹽漬土擊實(shí)特性的影響并得出最佳的改良配比；敖登［2］發(fā)現(xiàn)塑料廢料與黏土配比形成的復(fù)合土的最大干密度與塑料碎屑含量成反比；曹海利等［3］用石灰改良高液限土，研究了不同摻量下改良土的路用性能；王杰等［4］將煤矸石與黃土以不同比例配制成土石混合料，研究其作為高速公路路床土的基本性能；楊德忠等［5］探究橡膠與紅黏土的混合土作為路基填料的性能，并指出混合土的最大干密度與橡膠粉的摻量成一元二次函數(shù)關(guān)系；劉喜［6］研究了建筑垃圾作為路基填料的性能，分析了建筑垃圾中不同磚混凝土比例對(duì)路基填料性能的影響；蔡鑫等［7］研究了鋼渣摻量、鋼渣陳化齡期及鋼渣最大粒徑對(duì)摻鋼渣穩(wěn)定土最大干密度的影響規(guī)律；陳中秋等［8］采用振動(dòng)壓實(shí)和重型擊實(shí)對(duì)砂礫改良弱鹽漬土進(jìn)行了路用性能試驗(yàn)；周永軍［9］研究了材料密度、含水率、混合料級(jí)配對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石最大干密度的影響；魏建國(guó)等［10］研究了不同石灰摻量的含砂低液限黏土的擊實(shí)特性；Ye 等［11］將黏土與海泥混合，分析了混合料的最大干密度，確定了最佳質(zhì)量比為黏土與海泥1∶4 的比例；Bassey 等［12］研究了耕作與未耕作土壤的最大干密度，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量和粒徑分布對(duì)最大干密度影響較大；Badee［13］研究了砂與高嶺土混合料壓實(shí)后最大干密度、細(xì)粒含量和比重之間的相關(guān)性.以上研究成果均沒有對(duì)比改良前后最大干密度對(duì)壓實(shí)度的影響，也沒有考慮延遲擊實(shí)時(shí)間對(duì)最大干密度的影響.已有研究發(fā)現(xiàn)改良土摻入水泥、石灰等膠凝劑后，實(shí)驗(yàn)室測(cè)得最大干密度會(huì)發(fā)生變化，若繼續(xù)采用原土的實(shí)驗(yàn)室最大干密度進(jìn)行壓實(shí)度計(jì)算，勢(shì)必造成較大誤差.而目前鮮有人對(duì)改良花崗巖殘積土的最大干密度進(jìn)行系統(tǒng)研究.

為此，根據(jù)改良土路基填筑工藝，開展對(duì)水泥和石灰的摻量、初始含水量、延遲擊實(shí)時(shí)間、擊實(shí)次數(shù)對(duì)改良花崗巖殘積土最大干密度的影響規(guī)律研究，其成果將為路基壓實(shí)度計(jì)算和質(zhì)量控制提供參考.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

（1）花崗巖殘積土

試驗(yàn)所用土樣為花崗巖殘積土，取自株洲機(jī)場(chǎng)大道（k4+340）-（k4+0920）挖方段，取土深度為3 m，顏色呈棕黃色，其間夾有白色脈狀粉土，土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)見表1.

表1 花崗巖殘積土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

（2）水泥

試驗(yàn)所用水泥為中材株洲水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的復(fù)合硅酸鹽水泥，其試驗(yàn)檢測(cè)參數(shù)見表2.

表2 水泥試驗(yàn)檢測(cè)參數(shù)表

（3）石灰

試驗(yàn)所用石灰為株洲騰勝石灰有限公司生產(chǎn)的生石灰，生石灰要現(xiàn)用現(xiàn)買，盡量縮短石灰的存放時(shí)間，如果發(fā)現(xiàn)生石灰結(jié)團(tuán)，須經(jīng)檢驗(yàn)達(dá)標(biāo)后才能使用，其檢測(cè)主要成分見表3.

表3 石灰有效成分含量

本試驗(yàn)所用的生石灰為優(yōu)等生石灰.

1.2 試驗(yàn)方法

本文以花崗巖殘積土為研究對(duì)象，采用單一變量的試驗(yàn)方法，研究水泥和石灰的摻量、初始含水量、延遲擊實(shí)時(shí)間、擊實(shí)次數(shù)對(duì)花崗巖殘積土最大干密度的影響規(guī)律.

干燥土樣的制備：將花崗巖殘積土土樣進(jìn)行烘干、碾細(xì)、過(guò)篩步驟后，所得土顆粒不大于4 mm，隨后放入盛土盆中拌和均勻.在試驗(yàn)前期，由于所備干燥土樣的制備方法完全一致，因此，在接下來(lái)的試驗(yàn)中將從土樣摻水開始描述各影響因素的試驗(yàn)方法.

（1）水泥、石灰摻量

將干燥土樣的初始含水量控制在15.36%（素土的最佳含水量，擊實(shí)試驗(yàn)所測(cè)得），在充分?jǐn)嚢韬筮M(jìn)行悶料，時(shí)長(zhǎng)為24 h.擊實(shí)試驗(yàn)前將不同含量的水泥、石灰摻入土樣中拌和均勻，水泥、石灰的摻量見表4.

表4 不同水泥、石灰摻量的土樣

（2）初始含水量

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得結(jié)果可知：機(jī)場(chǎng)大道路基填料的天然含水量變化范圍為22%～26%.本文選取22%、24%、26%作為制備土樣的初始含水量，參考上述不同水泥、石灰摻量試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，在此試驗(yàn)中，將改性材料的摻量定為水泥6%、石灰6%、水泥3%+石灰3%.

根據(jù)試驗(yàn)可得：初始含水量對(duì)改良土最大干密度的影響不明顯.為了準(zhǔn)確計(jì)算改良土的壓實(shí)度，在后期試驗(yàn)中設(shè)置素土作為對(duì)照組進(jìn)行試驗(yàn)，以此研究初始含水量對(duì)壓實(shí)度的影響，其中，初始含水量與改性材料摻量的組合見表5.

表5 不同初始含水量的土樣

（3）延遲擊實(shí)時(shí)間

參考不同初始含水量和各類改性材料摻料的試驗(yàn)結(jié)果，將初始含水量控制在24%，改性材料的摻量定為水泥6%、石灰6%、水泥3%+石灰3%，設(shè)置延遲時(shí)間為0 h、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h 進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，延遲時(shí)間與改性材料摻量的組合見表6.

表6 不同延遲擊實(shí)時(shí)間的土樣

（4）擊實(shí)次數(shù)

與延遲擊實(shí)時(shí)間試驗(yàn)一樣，將初始含水量控制在24%，改性材料的摻量定為水泥6%、石灰6%、水泥3%+石灰3%，控制每層擊實(shí)次數(shù)為22 次、30次、50 次、80 次、98 次，擊實(shí)次數(shù)與改性材料摻量的組合如表7 所示.

表7 不同擊實(shí)次數(shù)的土樣

以上試驗(yàn)每組制備5 個(gè)試樣，擊實(shí)試驗(yàn)具體操作過(guò)程參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430-2020）.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同水泥、石灰摻量的擊實(shí)試驗(yàn)

最大干密度隨改性材料摻量變化曲線如圖1所示.

圖1 最大干密度隨改性摻量變化關(guān)系

從圖1 可知：僅摻入水泥時(shí)，改良土的最大干密度隨水泥摻量的增加先增大后減小，當(dāng)摻量為4%時(shí)最大干密度達(dá)到最大值，此時(shí)最大干密度為1.745 g/cm3.摻入石灰時(shí)，不論是單摻還是與水泥混摻，改良土的最大干密度都隨石灰摻量的增加而減?。粌H摻石灰時(shí)，當(dāng)摻量超過(guò)5%，最大干密度的減小幅度較大；與水泥混摻時(shí)，最大干密度的減小幅度基本不變.圖中三條曲線整體均為下降趨勢(shì)，推測(cè)原因?yàn)椋核嗪褪抑谢静缓?，可以認(rèn)為其濕密度和干密度相同，同時(shí)小于殘積土的干密度，所以攪拌均勻后，混合料的濕密度會(huì)有一定的下降.此外，摻入膠凝材料會(huì)使改良土的顆粒級(jí)配發(fā)生改變，在攪拌的過(guò)程中，土的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化.改性材料摻量相同時(shí)，水泥改良土的最大干密度大于石灰改良土的最大干密度，因?yàn)橄嗤|(zhì)量的水泥和石灰，石灰消耗的水量更多，所以石灰改良土的最大干密度小于水泥改良土.因此，改良后需用改良土的最大干密度計(jì)算壓實(shí)度，否則會(huì)造成計(jì)算結(jié)果偏小.

2.2 不同初始含水量的擊實(shí)試驗(yàn)

圖2 至圖4 分別表示最大干密度隨初始含水量的變化曲線、最佳含水量隨初始含水量的變化曲線、壓實(shí)度隨初始含水量的變化曲線.

圖2 最大干密度隨初始含水量的變化關(guān)系

從圖2、圖3 可知，當(dāng)水泥、石灰摻量一定時(shí)，改良土的最大干密度與最佳含水量變化不大，可以認(rèn)為初始含水量對(duì)改良土的最大干密度影響不大.推測(cè)是因?yàn)楫?dāng)外加劑的摻量一定時(shí)，殘積土內(nèi)被消耗的水量也是一定的，所以最大干密度變化不大.素土的最大干密度大于改良土；對(duì)于改良土，在同一初始含水量的情況下，水泥改良土的最大干密度最大，為1.72 g/cm3；水泥摻量3%的石灰改良土次之，為1.718 g/cm3；石灰改良土的最大干密度最小，為1.706 g/cm3，原因是同一初始含水量時(shí)，石灰反應(yīng)水量最多，改良土的含水量更接近最佳含水量，因此石灰改良土的最大干密度最小.

圖3 最佳含水量隨初始含水量的變化關(guān)系

從圖4 可知，改良土的壓實(shí)度隨含水量的增加而減小，推測(cè)是因?yàn)楹吭龃?，與土樣反應(yīng)后剩余的水變多，土顆粒間的空隙被水填充，但水難以被壓實(shí)，所以改良土的壓實(shí)度會(huì)減?。粚?duì)于改良土而言，在同一初始含水量的情況下，石灰改良土的壓實(shí)度最高，水泥、石灰混摻的改良土次之，水泥改良土最小，因?yàn)槭蚁牡乃疃?，使土樣的壓?shí)度更大；改良土的壓實(shí)度均比素土的高，用素土的最大干密度去計(jì)算壓實(shí)度會(huì)使計(jì)算結(jié)果偏小，建議采用改良后的最大干密度來(lái)減小經(jīng)濟(jì)損失.

圖4 壓實(shí)度隨初始含水量的變化關(guān)系

2.3 不同延遲擊實(shí)時(shí)間的擊實(shí)試驗(yàn)

最大干密度隨延遲擊實(shí)時(shí)間的變化曲線如圖5所示.

圖5 最大干密度隨延遲擊實(shí)時(shí)間的變化關(guān)系

從圖5 可知，考慮延遲擊實(shí)時(shí)間，改良土的最大干密度降低且最大干密度隨延遲擊實(shí)時(shí)間的增加而減小、延遲時(shí)間由0 h 增加到1 h 時(shí)，石灰改良土的最大干密度降低幅度較大，超過(guò)1 h 后降低幅度較小，與水泥混摻后，當(dāng)延遲時(shí)間由2 h 增加到3 h時(shí)最大干密度降低幅度較大，與石灰改良土相比，僅摻水泥時(shí)，土樣沒有變化幅度較大的時(shí)間.因?yàn)槭蚁牡乃勘人喽?，同時(shí)水化反應(yīng)比水泥劇烈且快，與水泥混摻會(huì)延遲充分反應(yīng)的時(shí)間.在同一延遲擊實(shí)時(shí)間的情況下，水泥改良土的最大干密度最大，水泥、石灰混摻的改良土次之，石灰改良土的最大干密度最小，這是因?yàn)楦男圆牧吓c土樣中的水反應(yīng)后土顆粒變大，使土顆粒之間的空隙變大，石灰消耗的水量最多，填充在空隙間的水最少，同時(shí)石灰的容重小于水泥，所以石灰改良土的最大干密度最小.考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工工藝限制，建議改良土在3h 內(nèi)完成碾壓.

2.4 不同擊實(shí)次數(shù)的擊實(shí)試驗(yàn)

最大干密度隨擊實(shí)次數(shù)的變化曲線如圖6所示.

圖6 最大干密度隨擊實(shí)次數(shù)的變化關(guān)系

從圖6 可知：改良土的最大干密度隨擊實(shí)次數(shù)的增加而增大，當(dāng)擊實(shí)次數(shù)達(dá)到50 擊后，最大干密度的增大變緩，因?yàn)殡S著擊實(shí)能量的增加，改良土的干密度變大，顆粒變得密實(shí)，需要克服的顆粒間摩擦阻力變大.因此，當(dāng)改良土的密度達(dá)到一定程度后，要消耗大量的擊實(shí)功干密度才能增加.在同一擊實(shí)能量下，石灰改良土的最大干密度最大，水泥＋石灰的改良土其次，水泥改良土的最大干密度最小，石灰與花崗巖殘積土拌合后，反應(yīng)的水量較多，使土體的含水量更接近最佳含水量，從而能得到較高的壓實(shí)度.當(dāng)擊實(shí)次數(shù)達(dá)到98 擊后，最大干密度有減小的趨勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)擊實(shí)能量過(guò)大時(shí)，試樣表面起皮，導(dǎo)致試樣難以壓實(shí).考慮到經(jīng)濟(jì)效益，建議擊實(shí)次數(shù)控制在50 擊以內(nèi).

3 結(jié)語(yǔ)

以株洲機(jī)場(chǎng)大道的花崗巖殘積土為研究對(duì)象開展擊實(shí)試驗(yàn)，研究水泥和石灰摻量、初始含水量、延遲擊實(shí)時(shí)間、擊實(shí)次數(shù)對(duì)改良花崗巖殘積土最大干密度的影響，得到如下結(jié)論：

（1）水泥、石灰改良的花崗巖殘積土其最大干密度會(huì)發(fā)生變化.改良的花崗巖殘積土的最大干密度隨水泥摻量增加，先增大后減小，而石灰摻量增加而增大.因此，采用改良后的實(shí)驗(yàn)室最大干密度進(jìn)行路基壓實(shí)度計(jì)算更為合理.

（2）初始含水量并不影響改良花崗巖殘積土的最大干密度，這與實(shí)驗(yàn)室最大干密度測(cè)試方法有關(guān).因此，改良土的最大干密度不考慮初始含水量的影響.

（3）改良花崗巖殘積土的最大干密度隨擊實(shí)次數(shù)的增加而增大，但每層改良土擊實(shí)次數(shù)達(dá)到50 次后，改良土的最大干密度增長(zhǎng)變緩.所以，現(xiàn)場(chǎng)改良土路基碾壓的機(jī)械和碾壓工藝要合理選擇，避免造成經(jīng)濟(jì)損失.

（4）隨延遲擊實(shí)時(shí)間增加，改良花崗巖殘積土的最大干密度減小.延遲時(shí)間超過(guò)3 h 后，改良花崗巖殘積土的最大干密度變化較小.因此，建議改良花崗巖殘積土路基碾壓應(yīng)在3 h 內(nèi)施工完成.