不同含石量條件下土石混合體擊實特性試驗研究

摘 要：為探討土石混合體填料的壓實特性，對不同土石含量分布、不同含水量條件下的土石混合體進行了室內擊實試驗，對制備含石量為10%、30%、50%、70%和90%的土石混合體試樣進行重型擊實試驗，得到土石混合體最大干密度、最佳含水量和含石量間的關系曲線。研究結果表明：不同含石量的土石混合體最佳含水量在4.3%～7.1%，最大干密度在2.211g/cm3～2.279g/cm3，與含石量相比，含水量對土石混合體最大干密度影響更大，在土石混合體的壓實過程中，應嚴格控制最佳含水量。

關鍵詞：土石混合體；擊實試驗；最佳含水量；最大干密度

中圖分類號：TU 45 " 文獻標志碼：A

土石混合體是一種特殊的工程混合材料，主要由塊石和細粒土組成，屬于非連續(xù)介質，其孔隙結構和力學特征復雜，因此對環(huán)境因素影響較敏感，具有抗壓較好、抗剪性能、滲水性能和分布廣泛的優(yōu)勢。是應用于公路工程的建筑填料之一[1]。關于界定土與石，國內外多數學者將5mm作為土與石的分界閾值[2]?！皦K石”在土石混合體的分布呈現3種空間幾何結構，即懸浮型、懸浮密實型和骨架空隙型土石混合體。在混合體中，粗粒料間通過壓實和擠密，形成空間體系，細粒料穿過粗粒料間形成的空隙，達到填充和補實效果，遇水有潤滑作用，從而改變土石混合體的最大干密度和擊實效果。

杜俊等[3]對改變塊石含量進行試驗，當含石量接近70%時，混合體干密度達到最大值；馬麗娜等[4]通過改變細粒料成分和比例，證實當含石量不變時，細粒料組成對最佳含水量有明顯影響；王將等[5]結合近似值和經驗公式法，證明了土工試驗規(guī)程方法與實際效果接近；周中等[6]的試驗表明，不能單獨將干密度作為工程壓實質量的唯一依據。

本文通過重型擊實試驗研究土石混合體的壓實特性，為土石類工程提供技術參考。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

本研究中用于測試的土石混合體來自我國吉林省集安市某公路施工現場，“塊石”成分以花崗巖類、閃長巖和碎石為主，“土體”（細粒土）成分以粉質黏土為主。土石混合體試驗試樣取自工程現場，沒有人為摻加黏土、碎石和石屑等材料，試樣處于原始狀態(tài)，當備樣時只對原材料進行了烘干處理，并對粗細顆粒進行了篩分，按照石料質量占比10%、30%、50%、70%和90%進行了摻配處治。土質均勻，不含有機物等雜質，整體呈黃褐色，經過測試細粒料物理力學參數見表1。

對不同石塊含量（10%、30%、50%、70%和90%）的土石混合體進行篩分析試驗，并將試驗數據繪制成貝賽爾曲線，其顆粒分布結果如圖1所示。

各組土石混合體試樣不均勻系數和曲率系數結果，見表2。根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）進行判斷，各組土石混合體試樣的不均勻系數和曲率系數值，滿足Cu≥５且Cc=1～3要求范圍，因此，所用各土石混合體試樣均為級配較好材料。

1.2 試驗方案和設備

根據《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020），以下稱“規(guī)程”，結合本土石混合體材料試樣的顆粒分布特征，本試驗采用規(guī)程中推薦的重型擊實儀法進行試驗研究，標準擊實試驗參數見表3。

按四分法準備5個試樣，按1%、3%、5%、7%和9%的含水率，分別加入不同水分，將土樣拌和均勻，拌勻后悶料一夜備用。在備料過程中，發(fā)現在所用土石混合料中存在少量的最大粒徑＞40mm的顆粒，其質量占比為7%，＜30%的規(guī)范要求，對＜40mm的土石混合體部分進行擊實試驗，并分別對試驗所得的最大干密度和最佳含水率進行校正，如公式（1）、公式（2）所示。

最大干密度按公式（1）校正。

（1）

式中：ρ'dmax為校正后的最大干密度，計算至0.01g/cm3；ρdmax為用粒徑＜40mm的土樣試驗所得的最大干密度，g/cm3；p為試料中粒徑＞40mm顆粒的百分比，%；G's為粒徑＞40mm顆粒的毛體積比重，計算至0.01。

最佳含水率按公式（2）校正。

w0'=w0（1-0.01p）+0.01pw2 （2）

式中：w0'為校正后的最佳含水率，計算至0.1%；w0為用粒徑＜40mm 的土樣試驗所得的最佳含水率，%；w2為粒徑＞40mm顆粒的吸水量，%。

采用SKDJ-1型數控多功能電動擊實儀進行重型擊實試驗，錘重4.5kg，落錘高度為450mm，擊實筒?152mm×170mm，護筒為152mm×50mm，錘頭直徑為50mm，擊錘次數為30次/min（沿筒邊擊實6錘后移至中間擊實1錘）；電源電壓為220V±10%。根據以往試驗經驗，預估本試驗土石混合體最佳含水量范圍，分別配置含水量為1%、3%、5%、7%和9%的試樣，含石量控制按10%、30%、50%、70%和90%進行制備，共分成5組土石混合體試樣，對25組土石混合體試件進行重型擊實試驗。

1.3 試驗過程

按不同含水率要求制備不同含石量的試樣。為保證試樣內部水分均勻一致，對篩分好的材料進行稱量、拌和后，裝入密封的塑料袋中悶料24h，將悶好的試樣分3層裝入擊實筒內，分層擊實后測量各層是否滿足要求，并對每層土表面進行整平、拉毛（保證相鄰土層結合緊密）處理，按照規(guī)范標準擊實試驗要求，每層擊實98次。試驗完成后稱量、脫模，繪制含水率與干密度關系曲線，通過計算，得到含石量分別為10%、30%、50%、70%和90%試樣的最大干密度和最佳含水量值。

2 不同含石量對擊實效果的影響

對不同含石量的土石混合體試樣組進行擊實試驗，得到擊實試驗最大干密度值與最佳含水量的結果及關系方程，見表4。

由表4可以看出：不同含石量的土石混合體試樣組的最佳含水量為4.3%～7.1%，最大干密度為2.211g/cm3～2.279g/cm3，最佳含水量隨著含石量增加呈現逐漸降低的趨勢；最大干密度值隨著含石量增加先呈現增加的趨勢，當含石量為70%時，最大干密度值隨著含石量增加開始降低。含石量90%的土石混合體，雖然其密度比70%的土石混合體小，但比含石量＜70%的土石混合體密度值大。

根據重型擊實試驗所得不同含石量土石混合體干密度與含水量值，繪制最大干密度—含水量關系曲線，如圖2所示。

由圖2可知，當不同含石量條件下土石混合體試樣在未達到最佳含水量時，試樣的干密度隨著含水量增加而逐漸增加，試樣在達到最佳含水量后，試樣的干密度隨著含水量增加而逐漸減少；從含石量對應的干密度曲線分布可以得出：含石量越大的土石混合體，其最佳含水量值越低。隨著含石量增加，土石混合體的干密度值有逐漸增加的趨勢，但呈非線性增加趨勢；因此，當土石混合體材料用于路基填料時，應控制土石混合體含水率在最佳含水量附近，提高壓實材料密實度，保證路基壓實施工效果。

根據圖3中各組土石混合體最大干密度與最佳含水量分布曲線，可以得出：含石量增加可以提高土石混合體的最大干密度值，但其數值分布并非呈線性規(guī)律變化，當含石量約70%時，土石混合體的干密度為最大值。最佳含水量波動范圍較大，其原因是對土石混合體進行分組時，含石量只從質量占比上進行劃分，雖然土石混合體總體的級配較好，但未對各組中的石塊級配進行控制，另外，土石混合體的最大干密度值受含水量影響較大，受含石量影響較小。

3 結語

為研究土石混合體的擊實特性，對不同含石量的土石混合體進行擊實試驗，可以得出如下結論：1）最佳含水量在4.3%～7.1%波動，差值為2.8，其原因是對土石混合體進行分組時，含石量只從質量占比上進行劃分，雖然土石混合體總體的級配較好，但未對各組中的石塊級配進行控制。2）對不同含石量土石混合體進行擊實試驗，可以得知土石混合體的最大干密度值受含水率影響較大，受含石量影響較小。3）當含石量約為70%時，土石混合體的干密度為最大值。4）通過擊實試驗數據分析得出，含石量增加可以提高土石混合體的最大干密度值，但其數值分布并非呈線性規(guī)律變化。

綜上所述，與含石量相比，含水量對土石混合體最大干密度影響更大，因此，在土石混合體的壓實過程中，為提高施工質量，須嚴格控制最佳含水量。

參考文獻

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[2]周雨奇，王濤，劉斯宏.土石混合料閾值細粒含量的確定[J].人民長江，2021，52（4）：187-192.

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[4]馬麗娜，喬丹陽，王起才，等.不同配比土石混合體壓實特性及顆粒破碎特征研究，重慶交通大學學報（自然科學版），2023，42（6）：62-71.

[5]王將，龔輝，郭娜娜.土石混合料的大型擊實試驗研究[J].公路，2021，66（1）：297-302.

[6]周中，劉撞撞，楊豪.不同含石量下土石混合料重型擊實試驗研究[J].江西理工大學學報，2019，40（5）：8-14.