細粒土含量對砂性路基土工程特性的影響

2012-09-25 12:36:42盧宇紅盧旭東

湖南交通科技 2012年1期

盧宇紅，盧旭東

(湖南省交通科學研究院，湖南長沙 410015)

沙土在我國廣泛分布。沙土按成因可分為風積沙土、沖積沙土和洪積沙土。風積沙土主要分布在北緯36°～49°之間的干旱和半干旱地區，包括塔克拉瑪干、古爾班通特、柴達木、巴丹吉林、烏蘭布、騰格里、庫布奇、毛烏蘇、小騰格里、西遼河和呼倫貝爾等沙區。風積沙土粒徑分布窄，顆粒均勻，其中中細砂粒占80%～90%以上，而粗砂粒、粉粒的含量甚微。沖積沙土主要分布于江河、湖泊地區的沖積平原和沖積扇中，其粒徑分布較均勻，中細砂含量較高。洪積沙土多出現于山麓傾斜平原地帶，其顆粒分布不均勻，粗砂粒、中砂粒含量較高，而細砂粒含量相對較小。由于沙土具有結構松散、級配不良、空隙率大、壓實性和抗沖刷能力差等特點，公路工程中直接將其作為路基填料，將會帶來諸多工程隱患。對此，工程中可通過摻入細粒土的方法改善沙土的級配，從而改良其路用特性。

根據《土的工程分類標準》［1］，砂土指粒徑大于2 mm的顆粒質量不超過總質量的50%，且大于0.075 mm的顆粒質量超過總質量50%的土。按此標準，上述各種成因的沙土屬于典型的砂土。目前針對風積沙土的工程性質研究較多［2～7］，但針對其中的細粒土含量(即黏土含量)對其強度等工程特性影響的室內試驗研究相對較少［8］。因此，本文以黃河中下游沖積平原地區某高速公路中所遇到的沙土為研究對象，從現場獲取沙土作為室內試驗材料，根據其粒徑分布，分別摻入不同含量的細粒黏土(俗稱泥土)，制成不同試樣進行室內試驗，系統地研究細粒土含量(亦即含泥量)對砂性路基土的物理力學及強度等工程特性的影響，為砂性土改良為路用材料提供試驗依據。

1 試驗材料及試樣制備

1.1 試驗材料

本文所有試驗土樣的材料，均取自現場沙土。從擬建公路取土場中的12個取土點采集了室內所需的土樣材料。采用《公路土工試驗規程》［9］顆粒分析試驗方法，在室內進行了顆分試驗，得其顆粒組成如表1所示。不均勻系數Cu=3.6～5.1，曲率系數Cc=0.53～1.56，表明粒度比較均勻，級配不良。

表1 現場土的顆粒組成

1.2 室內試樣材料配備

為配備后續試驗所用土樣料，從現場取回的砂土中取出足夠量的土料，然后按照一定的比例，摻入不同重量的黏土料(本文指粒徑≤0.075的細粒土)，于是可得到不同含泥量(分別為5.1%、10.5%、15.3%、19.6%、25.9%、30.2%)下的試樣料如表 2所示，其中表2中試樣料1。表2同時列出了試樣料在各粒徑范圍內土粒的含量。

為了解所配備試樣料的級配特性，采用《公路土工試驗規程》［9］方法，對表2中各試樣料進行了顆粒分析試驗，得其不均勻系數Cu與曲率系數Cc如表3所示。從表3可知，除試樣料1外，其他各試樣料的不均勻系數 Cu=5.1～8.2、曲率系數 Cc=1.06～2.37，它們同時滿足Cu＞5和Cc=1～3兩個條件，這表明摻入黏土后，有效地改善了砂土的級配特性。

表2 室內試樣材料級配組成 %

表3 試樣的不均勻系數Cu與曲率系數Cc

2 細粒土含量對砂性路基土物理特性的影響

2.1 細粒土含量對砂性路基土比重的影響

為探討黏土摻量對砂性路基土比重的影響，分別對不同含泥量的室內制備試樣進行比重測定，得試樣結果如表4和圖1所示。從表4和圖1可以看出，隨砂性路基土中含泥量的增加，其比重相應增加。當含泥量從5.1%增大至30.2%時，土的顆粒比重增加了1.9%。

表4 不同含泥量下制備樣的比重

2.2 細粒土含量對砂性路基土最大干密度和最佳含水量的影響

圖1 不同含泥量砂性路基土的比重

工程實踐證明，對于過濕的路基土進行碾壓或夯實時會出現松散和軟彈現象，土體難以壓實，對于很干的土進行碾壓或夯實也不能把土充分壓實，只有在適當的含水量范圍內才能充分壓實。這種現象可以用土粒結合水膜潤滑理論和電化學性質來解釋［10］。土在壓實的過程中，主要克服顆粒間的引力和摩擦力的作用。對細顆粒而言，主要受到顆粒間的引力的控制，摩擦力很小;而對粗顆粒而言，當含水量很小時，引力小得可以忽略不計，主要是受到顆粒間的摩擦力控制。對于砂性路基土，在擊實過程中，力主要以振動波的形式傳遞，土顆粒在振動波的作用下移動，重新排列組合，趨于密實。當砂土含有一定水分時，在砂粒表面形成一層薄的水膜，產生表面張力，從而在砂粒之間形成引力，阻礙砂粒的移動，影響土體的密實。當含水量繼續增大時，砂粒的水膜增厚，削弱了砂粒之間的引力。此時除了振動本身的作用，自由水也將沿孔隙向外排出，并對砂顆粒也產生一定的作用力使其位移，這樣綜合的作用使砂的密度有較大提高。當含水量繼續增加時，出現了過多的自由水，在擊實過程中水分無法迅速排出，表層開始出現液化、飛濺現象，部分的擊實功被吸收掉，這樣使沙的干密度有所降低。這說明，在一定功能下，砂性路基土的壓實同樣存在一個最佳含水量和與之相對應的最大干密度值。

砂性路基土顆粒分布均勻，孔隙較大，級配不良，壓實效果差。但如果在砂性路基土中摻入一定量細粒黏土，其孔隙的一部分空間將被粒徑很細的黏土顆粒填充，這將致使單位體積土的質量增加，同時摻入的黏土使土的吸水和持水性能也發生改變，并可能改善土體的壓實效果。為定量研究黏土摻量對砂性路基土最大干密度和最佳含水量的影響，采用《公路土工試驗規程》［9］的擊實試驗方法和實驗步驟，從配置的各試樣料中取樣進行試驗，得不同含泥量下砂性路基土的擊實曲線如圖2所示。

圖2 含泥量 5.1%、10.5%、15.3%、19.6%、25.9%、30.2%時砂性路基土擊實曲線

根據圖2的擊實曲線，可整理出砂性路基土的最大干密度和最佳含水量隨黏土摻量(含泥量)的變化曲線如圖3、圖4所示。圖3表明砂性路基土的最佳含水量隨黏土摻入量(含泥量)的增加而增加;而圖4顯示，砂性路基土的最大干密度在含泥量低于25%左右時，隨含泥量增加而增加，而超過此值后反而降低，這說明砂性路基土存在一個最優(臨界)含泥量值，此時砂粒間孔隙很好地被摻入的細粒黏土顆粒充填。

圖3 最佳含水量隨含泥量變化曲線

圖4 最大干密度隨含泥量變化曲線

3 細粒土含量對砂性路基土強度特性的影響

3.1 細粒土含量對砂性路基土CBR值的影響

CBR試驗又名加州承載比，是美國加利福尼亞洲提出的一種以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征其承載能力的試驗方法。在直徑15.24 cm、高11.43 cm的土試樣頂面，用直徑4.95 cm的剛性壓頭，以每分鐘壓入變形1.27 mm的速率施加荷載，測定試樣的荷載—壓入變形曲線。取壓入變形2.54 mm時的壓力值除以標準碎石在此變形量時的壓力值，便得到該土樣的加州承載比CBR值。CBR值是路基設計時重要的力學指標之一。

為探討黏土摻量對砂性路基土CBR值的影響，按《公路土工試驗規程》［9］對不同黏土摻量(不同含泥量)砂性路基土樣進行了加州承載比試驗，試驗結果如表5和圖5所示。試驗結果表明，存在一個最佳含泥量值(本試驗結果為20% ～25%)，此時砂性路基土的CBR值最大。

表5 不同含泥量試樣CBR試驗成果

圖5 CBR值隨含泥量變化曲線

3.2 細粒土含量對砂性路基土抗剪強度值的影響

由摩爾—庫倫強度理論可知，土的抗剪強度由粘聚強度和摩擦強度構成，其對應的強度指標是粘聚力c和內摩擦角φ。粒狀的無粘性土的粒間摩阻力包括滑動摩擦和由粒間相互咬合所提供的附加阻力，其大小取決于土顆粒的粒度大小、顆粒級配、密實度和土粒表面的粗糙度等因素。粘聚力系土粒間的膠結作用和各種物理—化學鍵力作用的結果，其大小與土的礦物組成和壓密程度有關［10］。為探討黏土摻量對砂性路基土抗剪強度的影響，按《公路土工試驗規程》［9］制備不同黏土摻量(含泥量)砂性土在最佳含水量下的擊實土樣，然后從中取樣進行室內直接剪切試驗。直剪試驗結果見表6和圖6、圖7。

圖6和圖7表明，砂性路基土的內摩擦角隨黏土摻量的增加而降低，粘聚力隨黏土摻量的增加而增加，且在黏土摻量小于20%時，粘聚力增長較快，之后增長較慢。出現這種現象的原因是，黏土的摻入增加了土粒間的膠結和各種物理—化學鍵力作用，同時削弱了土粒間相互咬合及摩阻作用。