徑徑比對粗顆粒土干密度的影響試驗研究

陳 堅，羅 強，趙明志，梁多偉

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

粗顆粒土在自然界分布廣泛、儲量豐富，并具有壓實性能好、抗變形能力強、透水性高、抗剪強度大、工程性質(zhì)穩(wěn)定且不易受環(huán)境因素影響等優(yōu)良的工程特性，因此在工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，如用于填筑高土石壩、高速鐵路及高速公路路基等［1-2］。最大干密度是粗顆粒土的一項重要物理指標(biāo)，是確定粗顆粒土工構(gòu)筑物壓實質(zhì)量的重要參數(shù)。因此，準(zhǔn)確測定粗顆粒土的最大干密度至關(guān)重要。

粗顆粒土的最大干密度與徑徑比(試樣筒直徑與顆粒最大粒徑的比值)密切相關(guān)。表1～表3分別是鐵路、水利與公路行業(yè)土工試驗規(guī)程［3-5］中粗顆粒土干密度試驗儀器尺寸的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。可以看出，水利規(guī)范采用的試樣筒筒徑是允許最大粒徑的5倍以上，公路規(guī)范采用的試樣筒筒徑是允許最大粒徑的4.7倍以上，鐵路規(guī)范中重型Z3擊實試驗采用的試樣筒筒徑僅為允許最大粒徑的3.7倍。可見，由于對徑徑比與干密度之間關(guān)系的研究較少，不同行業(yè)的土工試驗規(guī)程對粗顆粒土干密度試驗的徑徑比要求也各不相同。為此，本文通過開展系列的不同徑徑比下粗顆粒土的標(biāo)準(zhǔn)干密度試驗，探討了粗顆粒土干密度隨徑徑比的變化規(guī)律，為選擇合適的徑徑比提供依據(jù)。

表1 擊實試驗試樣筒尺寸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(鐵路)

表2 振動臺法試樣筒尺寸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(水利)

表3 表面振動法試樣筒尺寸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(公路)

1 試驗過程

為排除顆粒級配的影響，試驗統(tǒng)一采用粒徑范圍為19.0～26.5 mm的均勻顆粒作為試樣，如圖1所示，將其平均粒徑22.75 mm作為代表粒徑，測定其在6種不同直徑試樣筒中的干密度。試樣顆粒的材質(zhì)為二疊系硬質(zhì)灰?guī)r，顆粒密度為2.81 g/cm3。試樣筒如圖2所示，表4列出了各試樣筒筒徑與顆粒粒徑的比值。為避免試樣筒的徑高比(試樣筒筒徑與試樣筒高度的比值)對干密度的影響，控制各試樣筒的徑高比均不超過表1～表3中標(biāo)準(zhǔn)干密度試驗試樣筒的徑高比范圍。

圖1 試樣

圖2 試樣筒

表4 試樣筒的幾何尺寸及筒徑與顆粒粒徑比

因要采用不同筒徑尺寸的試樣筒進行試驗，故無法參照《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)、《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB10102—2010)與《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)等規(guī)程開展相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)干密度試驗。由于《公路工程集料試驗規(guī)程》［6］(JTG E42—2005)中的搗實密度試驗與松堆積密度試驗可適應(yīng)各種筒徑尺寸的試樣筒，因此參照該規(guī)程進行搗實密度試驗與松堆積密度試驗。每個筒徑下均進行6組平行試驗。

1)搗實密度試驗

首先將試樣裝到試樣筒中1/3的高度，由邊至中用搗棒均勻搗實25次。再向試樣筒中裝入1/3高度的試樣，用搗棒均勻地?fù)v實25次，搗實深度約至下層的表面。然后重復(fù)上一步驟，加最后一層，搗實25次，使試樣與試樣筒口齊平。用合適的顆粒填充表面的大空隙，目測估計表面凸起部分與凹陷部分的容積大致相等，稱取試樣筒與試樣的總質(zhì)量m1，根據(jù)式(1)就可計算出試樣在該試樣筒中的搗實密度ρ1。

式中:mt為試樣筒的質(zhì)量，g;V1為試樣筒的體積，cm3。

2)松堆積密度試驗

用平頭鐵鍬鏟起試樣，使石子自由落入試樣筒內(nèi)。此時，從鐵鍬的齊口至試樣筒上口的距離應(yīng)保持在50 mm左右，裝滿試樣筒并除去凸出筒口表面的顆粒，并以合適的顆粒填入凹陷空隙，使表面凸起部分和凹陷部分的體積大致相等，稱取試樣和試樣筒總質(zhì)量m2，根據(jù)式(2)就可計算出試樣在該試樣筒中的松堆積密度 ρ2。

2 試驗分析

圖3、圖4分別是試樣的搗實密度、松堆積密度隨徑徑比的變化曲線。由圖3、圖4可以看出:

圖3 搗實密度與徑徑比關(guān)系曲線

圖4 松堆積密度與徑徑比關(guān)系曲線

1)搗實密度與松堆積密度隨徑徑比的增大具有相同的變化規(guī)律，即試驗方法對徑徑比與干密度之間的關(guān)系影響不大。

2)干密度隨徑徑比的增大而增大，并逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)徑徑比＞6.81時，搗實密度和松堆積密度值隨徑徑比的增大變化不大，相鄰兩次不同徑徑比下，搗實密度增大絕對值為0.004 g/cm3，松堆積密度增大絕對值為0.024 g/cm3，低于土工試驗規(guī)程［3-5］中密度試驗的平行誤差值0.03 g/cm3。可取徑徑比為6.81和9.01時對應(yīng)干密度的平均值作為試樣干密度的穩(wěn)定值，得到試樣的搗實密度穩(wěn)定值為1.774 g/cm3，松堆積密度穩(wěn)定值為1.577 g/cm3。當(dāng)徑徑比＜4.7時，搗實密度和松堆積密度隨徑徑比的增大而顯著增大，各徑徑比下的搗實密度與穩(wěn)定值之間的差值在0.090～0.026 g/cm3，松堆積密度與穩(wěn)定值之間的差值在0.14～0.23 g/cm3。當(dāng)徑徑比為4.7時，搗實密度與穩(wěn)定值之間的差值為0.03 g/cm3，松堆積密度與穩(wěn)定值之間的差值為0.07 g/cm3。可見，不影響試樣干密度的特征徑徑比在4.7～6.81。

由于上述試驗結(jié)果是由粒徑均勻的試樣得出的，對于實際工程中粒徑分布較廣的試樣，當(dāng)以試樣的最大粒徑dmax作為代表粒徑時，可取低值4.7作為特征徑徑比，即當(dāng)徑徑比＜4.7時徑徑比對干密度有影響，當(dāng)徑徑比＞4.7時徑徑比對干密度影響不大。

圖5 變異系數(shù)與徑徑比關(guān)系曲線

圖5是平行試驗數(shù)據(jù)的變異系數(shù)與徑徑比之間的關(guān)系曲線。由圖5可以看出，平行試驗數(shù)據(jù)的變異系數(shù)隨徑徑比的增大而逐漸減小，隨粒徑比的增大測得的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。

結(jié)合表1～表3可以看出，采用水利《土工試驗規(guī)程》與《公路土工試驗規(guī)程》進行粗顆粒土干密度試驗可基本消除徑徑比對試驗結(jié)果的影響，而《鐵路工程土工試驗規(guī)程》中重型Z3擊實試驗所允許的最大粒徑偏大。

3 結(jié)論

1)徑徑比對粗顆粒土的標(biāo)準(zhǔn)干密度有較大影響，存在一個特征徑徑比4.7，當(dāng)徑徑比＜4.7時，干密度隨徑徑比的增大而顯著增大;當(dāng)徑徑比＞4.7時，徑徑比對干密度的影響不大。可見，為降低或消除徑徑比對粗顆粒土干密度的影響，在進行粗顆粒土標(biāo)準(zhǔn)干密度試驗時試樣筒直徑與試樣最大粒徑的比值不應(yīng)＜4.7。此外，試驗方法對徑徑比與干密度之間的關(guān)系影響不大。

2)采用水利《土工試驗規(guī)程》與《公路土工試驗規(guī)程》進行粗顆粒土干密度試驗可基本消除徑徑比對試驗結(jié)果的影響，而《鐵路土工試驗規(guī)程》中重型Z3擊實試驗所允許的最大粒徑偏大。

［1］郭慶國.粗顆粒土的工程特性與應(yīng)用［M］.鄭州:黃河水利出版社，1998.

［2］陳堅，羅強，張良，等.客運專線基床底層礫石土填料物理力學(xué)性質(zhì)試驗研究［J］.鐵道學(xué)報，2011，33(7):91-97.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB 10102—2010 鐵路工程土工試驗規(guī)程［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［4］中華人民共和國水利部.SL 237—1999 土工試驗規(guī)程［S］.北京:中國水利水電出版社，1999.

［5］中華人民共和國交通運輸部.JTG E40—2007 公路土工試驗規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［6］中華人民共和國交通運輸部.JTG E42—2005 公路工程集料試驗規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2005.