粗顆粒土混合料最大干密度及壓實度試驗研究

杜可耕，李安珍

(中交一公局海威工程建設有限公司，北京 101119)

目前高速鐵路客運專線施工中，路基的剛度及穩定性是影響行車安全和舒適性的一個重要因素。粗粒土是指砂礫石、砂卵石、石渣、爆破開采的石料等粗顆粒土石混合料，粗顆粒間黏結力小、透水性強，具有良好的工程使用性能，因此粗顆粒土混合料在高速鐵路路堤填筑中得到廣泛的應用。

1 試驗方法

首先對現場的粗顆粒土混合料進行土粒分析，然后按照《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)中的振動方法(表面振動儀法與振動臺法)進行振動試驗，試驗儀器如圖1所示。

圖1 試驗儀器

試驗過程為:

1)按濕法試驗時，可對烘干試料加足量水，或用現場濕土料進行。拌勻試料(使顆粒級配及含水均勻)，然后大致分成3份。如果向干料中加水，則最小飽和時間需1/2 h。加水宜加到足夠份量，即在拌合盤中無自由水滯積，且在振密過程中基本保持飽和狀態。

對于烘干試料中的加水量，可嘗試每4.5 kg試料約加1 000 ml的水量，亦或按下式估算

式中，Mw為加水量，g;ρd為由起初振密結果所估算的干密度，kg/m3;Ms為試樣質量，g;ρw為水的密度，取1 000 kg/m3;Gs為土粒相對密度。

2)將試筒固定于底板上，用小鏟或大勺將任一份濕料徐徐填入試筒(裝填量宜使振畢試樣等于或略低于筒高的1/3)。

3)放下振動器，表面振動儀振動6 min，振動臺振動8 min。吊起振動器，吸去試樣表面自由水。

4)重復 2)和3)進行第二層、第三層試樣振動壓實。

5)卸去套筒測定振畢試樣高度，讀數宜從4個不同點位讀取，并精確至0.5 mm，取4次讀數平均值作為試樣高度H0。

6)測定試樣含水率，計算最大干密度ρdmax。

7)重復1)至6)，直至獲得一致的最大干密度。但須制備足夠的代表性試樣，不得重復振動壓實同一個試樣。

2 最大干密度試驗結果與分析

2.1 土粒級配分析

對不同的粗顆粒土混合料采用篩分法進行分析，結果如圖2所示。不同土樣級配系數如表1所示。

圖2 不同土樣的級配曲線

表1 不同土樣級配系數

由表1可以看出，七類土中試樣2#，4#，6#的級配組成較差，土樣6#為卵石土，其他土樣為碎石土。參考規范［1-3］并結合工程實際，本文規定:＜5 mm的顆粒稱為細顆粒，＞5 mm的顆粒稱為粗顆粒［4-6］。

2.2 表面振動儀法、振動臺法試驗結果與分析

表面振動儀法和振動臺法測得的最大干密度見圖3。

在通常情況下，粗顆粒土混合料結構中粗顆粒通過土粘結在一起，其結構強度在很大程度上取決于石質骨架的強度組成因素，即混合料內摩阻力大小，而該摩阻力又取決于顆粒形狀及其表面特性等。6#土樣為表面光滑的鵝卵石，其形狀多為圓形，振動時其表面的摩阻力較小，能夠更充分地被振動密實，所以其干密度值較其它幾類土大。其余幾組為碎石，因此相對于卵石其最大干密度較小。

另外級配相近的土樣4#，5#，7#最大干密度極為相近，這說明級配的組成對粗顆粒土混合料最大干密度的影響極大。1#，2#，3#，6#四種土樣最大干密度值相差較大，是由于土料的質地有著根本性差異和級配組成相差較大所致，級配良好土組的最大干密度整體上大于級配不良土組的。

同時也可以看出，針對同一種土加水后濕土法測得的最大干密度明顯要大于干土法所測的最大干密度。這是由于水的介入起到了一定潤滑，使得土粒之間的摩阻力減小，定向運動更為容易，因而使得粗顆粒土混合料振動得更加密實。另外水的介入也起到了一定的填充作用，粗顆粒土中的孔隙得到了充分的填充從而更加密實，所以濕土法測得的最大干密度明顯大于干土法。

由圖4可見，同一種粗顆粒土混合料在相同的條件下，表面振動儀法的壓實效果要優于振動臺法。這說明表面振動儀法要略微優于振動臺法，即表面振動(振動自上而下傳遞)要優于底部振動(振動自下而上傳遞)。另外，表面振動儀法更加便于操作，并且振動機理與現場壓實較為相似，因此做粗顆粒土混合料最大干密度振動試驗時，本文推薦使用表面振動儀法。圖4中干土法與濕土法的試驗結果表明，在干土條件下表面振動儀法振實效果更優，這也表明在沒有水膜潤滑的狀態下振動臺法所提供的振搗力不能對干土提供較好的振密作用。

3 粗顆粒土混合料路基壓實度確定與分析

圖4 兩種振動方法結果對比

下面將現場所測最大干密度與實驗室內所測最大干密度進行對比，以分析粗顆粒土混合料路基的壓實度。為了使壓實度值更有說服力，從京石客專正定段施工路基選取10個點進行土粒分析及密度試驗(篩分結果見圖5)，然后采用與現場10個土樣相同的級配，配制試樣，進行室內表面振動法最大干密度試驗。現場與室內試驗所得粗顆粒土混合料最大干密度結果對比如表2。

圖5 現場所取10個點的級配曲線

表2 試驗結果對比

由表2可見，路基壓實度都在95%以上，1點室內試驗之所以小于現場所得，經分析是由于現場與實驗室內級配不一致或者現場振動能量大于實驗室振動能量所致。由此可見，采用表面振動法測試所得最大干密度可有效地用于高速鐵路路基壓實度的評價。此方法為一種較為理想的確定粗顆粒土混合料最大干密度的方法。

4 結論

通過室內兩種方法試驗與現場測試，可得以下主要結論:

1)級配良好土組的最大干密度整體上大于級配不良土組的;同一種土濕土法測得的最大干密度明顯大于干土法。

2)表面振動儀法的壓實效果要優于振動臺法，做粗顆粒土混合料最大干密度振動試驗時，本文推薦使用表面振動儀法。

3)表面振動法提供的最大干密度是有效的，施工過程中可以采用此法測取最大干密度來控制路基壓實質量。

［1］ 南京水利科學研究院．SL 237—1999 水利土工試驗規程［S］．北京:中國計劃出版社，1999．

［2］ 中華人民共和國交通部．JTG E40—2007 公路土工試驗規程［S］．北京:人民交通出版社，1999．

［3］ 中華人民共和國鐵道部．TB 10102—2004 鐵路土工試驗規程［S］．北京:中國鐵道出版社，2004．

［4］ 杜華，邢愛國．多土類土石混填路基壓實度快速預測研究［J］．鐵道建筑，2008(2):59-60．

［5］ 張智．客運專線鐵路路基變形模量檢測與路基壓實質量評價分析［J］．鐵道建筑，2010(7):84-86．

［6］ 杜文忠．干旱地區鐵路粗粒土路基壓實含水率分析［J］．鐵道建筑，2011(10):59-60．