擊實實驗與路基壓實度微觀機理的探討

李文琴 任 磊 皮景坤

0 引言

隨著社會的不斷進步,我國公路事業也在迅猛發展,在公路施工過程中路基壓實是非常重要的施工環節。多年以來,我國一直采用壓實度(即工地實際達到的干密度與室內標準擊實試驗所得的最大干密度的比值)指標來控制路基施工的質量。對路基進行高標準的壓實,是保證路基應有強度和穩定性的一項最經濟有效的技術措施。具體做法是根據壓實填土在公路工程建設中的使用條件和設計要求,確定一個標準壓實度,作為質量控制和驗收標準(見表1)。

本文針對室內標準擊實試驗進行細致分析,且從土的細觀和土的基本性質角度出發,來探討路基壓實過程中的土體變形的微觀機理,從而對了解土體壓實的本構模型有一定的現實意義。

表1 壓實度

1 室內擊實試驗

室內標準擊實試驗采用擊實儀,按單位體積擊實功分為輕型(598.2 kJ/m3)和重型(2 687 kJ/m3)兩種,輕型擊實試驗法使用質量為2.5 kg,直徑為5 cm圓柱錘底的標準重錘。在0.3 m高度上釋放,重錘自由落體,分三層來夯擊體積為997 cm3的土樣。重型擊實試驗法使用質量為4.5 kg,直徑為5 cm圓柱錘底的標準重錘。在0.45 m高度上釋放,重錘自由落體,分五層來夯擊體積為997 cm3的土樣。目前公路規范規定以重型擊實試驗為標準求得某一土料的最大干密度。調制不同含水量的土料,經擊實后求出不同含水量下的干密度,做干密度和含水量曲線,求得該土料的最大干密度ρdm和最佳含水量。根據土的擊實理論,最大干密度隨擊實功的增加而逐漸增大,反之最佳含水量逐漸減小,同時這種增大和減小是遞減的。根據此理論和對標準擊實試驗理論的分析可以得出,由標準擊實試驗求得的最大干密度是相對于標準擊實功下的最大干密度,它不是理論上的絕對最大干密度,是相對的最大干密度。土料在擊實和壓實的短暫過程中,發生著復雜的分子間能量轉化、結構變化等。

2 偏差產生的微觀機理

2.1 微觀上而言

土的工程性質從本質上來說是取決于其微結構,是土體結構單元體性質的綜合表現。在評價土體的工程性質時,必須重視土體微結構的研究。土粒的大小、形狀、聯結及其相互排列和孔隙的大小、形狀等都是土體強度和變形的決定性因素。土的相對體積質量、液限、塑限等指標取決于其成分,而土的孔隙比、重度、壓縮性及強度等指標則主要受土的結構所控制。

標準擊實試驗是在室內通過施加沖擊荷載對材料進行壓實來模擬現場施工條件(包括施工機械和施工方法)下,找出獲得壓實填土的最大干密度和相應的最佳含水率,再結合現場土密度的測定,從而得出填土的壓實度,以供填土工程中控制質量之用。擊實試驗法的平均單位擊實功值是一個基準值,有嚴格的實驗條件限制,為有側限土體。有側限的土體在一定的擊實功的動力夯擊下,土的微觀結構也發生了一系列變化,從松散集粒結構→緊密集粒結構→鑲嵌結構→紊流狀結構→定向排列結構。因施加的是沖擊荷載,室內擊實試驗的功能使土體中孔隙的周邊骨架被折斷,形成愈來愈參差不齊、復雜的多邊形,土體變為重塑性土體,使土體的微觀結構變為定向排列結構,從而使土體變得很密實。

擊實后土顆粒更趨于定向排列,其定向性均明顯;擊實前土的孔隙特征表現為雙峰、雙態,具有兩個優勢孔隙:大孔隙及小孔隙;而土的孔隙變得更均勻,擊實后土的大孔隙明顯變小、變少;擊實坑底土樣見破碎現象,破碎處棱角明顯,說明擊實有可能使土體中部分較大粒徑碎屑顆粒發生細化,顆分試驗的結果也證實了這一點;細顆粒填充于粗顆粒空隙之中,形成骨架密實結構。

而現場壓路機在施工作業時被碾實的土基是半無限土體。土基無側限制土壤不均勻諸條件與擊實試驗法限制的條件不同。它只是表面的振動土體,很難振動深層的土體,而且它所施加的功不足以使土體發生結構性破壞,也就是說不能使土體變為重塑性土體而只能達到鑲嵌結構。土體的壓實效果很難達到室內標準擊實試驗所要求的干密度。這就造成了壓實度達不到要求。兩者作用機理不同,壓實形成土體結構的力學性能亦不同。室內擊實試驗的壓實過程是使土顆粒朝垂直向同一個方向運動,隨著荷載的增加,顆粒間的摩阻力也增加,在一定含水量下,無限增加壓實功也達不到壓實效果。而壓路機的振動作用,使被壓土體顆粒之間的摩阻力由初始的靜摩擦力狀態逐漸進入動摩擦力狀態,摩擦力減小,同時進行大范圍往復運動,出現相互填充現象,更易形成密實懸浮結構。擊實是結合當時壓實機械和車輛軸載情況提出的,現在振動壓路機幾乎遍及所有施工工地,因此,采用擊實方法確定的最大干密度與振動壓路機壓實所能得到的干密度不一定相匹配,這就造成了施工中壓實度檢測出現了各種問題。而且在土體中存在著拱效應,即存在著形成硬殼體的集聚體,這種集聚體有很大的強度。在室內標準擊實的情況下,由于施加的是沖擊荷載以及是平均單位擊實功值,所以它能夠把這種集聚體擊碎,使之形成填充的細集料。而現場使用的振動壓路機是不能夠使集聚體達到破壞的。

2.2 室內擊實與施工現場

室內標準擊實試驗在對試樣的制備時要將試樣通過風干或低溫烘干后,經木棒碾碎并且經過過篩、噴水、拌和然后燜料24 h等過程,經過這樣對試樣處理后,土顆粒的均勻性以及含水量的均勻性都很好并且空隙率較小。另外,在對土樣的整個制備過程中,原土中含有的氧化鐵、氧化鋁、有機質等組成的膠結連接受到擾動而致破壞,再經過擊實后,這種膠結連接更大大降低。

雖然規范要求路基在碾壓前要將不符合規范要求的土顆粒粉碎后再進行碾壓,但是,在實際施工時往往很難完全達到規范的要求。這樣便使路基填料中較大尺寸的土塊沒有被粉碎,尤其是路堤底部填土,這一現象更是常見。這樣的填料均勻度就很差,在一定的壓實功能及含水量下很難壓實,達不到壓實度的要求。另外,由于料場的不單一,使土的來源也不單一,致使土的顆粒組成不均勻,也使土的含水量不均勻,又由于壓實路基前后降雨使含水過大或日照使含水減少,都會使土的含水量不均勻。影響路基壓實效果的重要因素就由土的均勻性、含水量的大小以及土的顆粒組成。

3 探討

通過擊實前后土體微觀結構特征以及室內擊實與現場振動碾壓機理的研究,我們得到如下結論:1)壓實度不足有各種原因,除去人為因素,還有室內標準擊實實驗與現場振動碾壓限制條件不一致,施加荷載不一樣等,產生了壓實度不足的情況。從微觀上揭示了擊實的內在工作機理,有助于我們在進行壓實度的檢測時進行合理的判定。2)微觀結構,指用各種電子顯微鏡和X光衍射儀等現代技術手段揭示的結構特征。結構單元體小于0.005 mm,它由單粒、團聚體、疊聚體和孔隙等組成。微觀結構包括這種微小單元體的特征、在空間的分布狀況以及它們之間的接觸連接特點和微觀孔隙特征。通過對微觀結構的研究可以認識土的許多工程性質的本質,了解土的工作機理,尤其為建立正確的土本構關系,解釋宏觀現象均有重要意義。3)由于土的骨架結構的特點,在土體中存在著拱效應的硬殼體的集聚體。它的存在是標準擊實的最大干密度大于振動壓實的最大干密度差別很大的主要因素,所以在進行碾壓時推薦使用沖擊壓實機械,或者使用振動擊實儀。

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