細粒含量對細砂土擊實特性的影響試驗研究

劉亞坤，羅 強，金發良，吳 鵬，張 猛

(1.西南交通大學 土木工程學院,四川 成都 610031;2.沈陽鐵道勘察設計院有限公司,遼寧 沈陽 110013;3.中鐵隧道勘察設計研究院有限公司,廣東 廣州 511455)

我國有豐富的砂土資源。西北部新疆、甘肅、青海等地中的半干旱、干旱和極端干旱地區廣泛分布沙漠風積沙[1-5];東部長江、黃河以及遼河等河流流域內蘊藏大量湖相、河相及海相沉積細砂[6-10]。細砂土作為一種特殊的巖土材料，在區域性多砂地區的路基工程中較常用。在20世紀90年代初期修建塔卡拉瑪干沙漠公路時，利用風積沙的干壓實特性和沙漠干旱的自然條件，采用振動干壓實工法修筑路基[1]取得了巨大的成功。2007年上海長江隧橋工程崇明線接線工程中[7],利用長江口細砂多峰壓實特性放寬含水率，取得了良好的壓實效果。細砂土的壓實特性對路基施工方式和施工質量影響顯著，其壓實特性與黏性土有著顯著差別，查明細砂土的壓實特性對工程建設具有指導意義。

細砂土填料是由粒徑單一的無黏性粗顆粒砂骨架和細粒土(粉黏粒)共同組成的混合料，壓實特性受二者的共同影響。因此，隨著細粒含量的增加，細砂土填料可能表現出不同的壓實特性。金昌寧等[3，11]對塔克拉瑪干沙漠風積沙進行重型擊實試驗后發現，細粒含量低的天然風積沙表現出具有明顯的干壓實特征的下凹形”√”狀擊實曲線;粉黏粒含量小于等于40%時，摻配粉黏粒的沙漠風積沙具有較明顯的干壓實特性；粉黏粒含量大于等于60%時，摻配粉黏粒的沙漠風積沙具有明顯的黏性土擊實特性，最佳含水率特征明顯。張浩等[5]對毛烏素地區細粒含量小于5%的風積沙進行標準擊實試驗，得到先下降后上升的下凹形曲線(含水率小于12%)。張宏等[7]對細粒含量小于5%的長江口細砂進行了擊實試驗，發現長江口細砂的擊實曲線與一般黏性土的上凸型單峰曲線具有較大差異，輕型擊實曲線表現出含水率為0時干密度最大，隨含水率增大出現先下降再上升后趨于平緩的下凹形走向；重型擊實曲線則表現出波動的多峰線形，最大干密度對應的含水率變化范圍較大。譚鵬等[8]對濱海細砂進行重型擊實試驗，發現細粒含量為3.2%和3.9%的濱海細砂擊實曲線呈現雙峰或多峰特征，干密度隨含水率的變化幅度較小。李志勇等[9]對細粒含量為9.1%的天然沙漠風積沙進行標準重型擊實試驗，發現沙漠風積沙的擊實曲線呈“∽”形走向；馬少海[10]對滹沱河含土細砂進行重型擊實試驗也得到了“∽”形擊實曲線。Yuan等[12]對細粒含量達到32%的黃河砂性土進行了重型擊實試驗，到了類似細粒土的單峰擊實曲線。上述研究表明細砂土的擊實特性受細粒含量影響而并非單一類型，但細粒含量對細砂土擊實特性的影響規律尚不明晰。

為進一步研究細粒含量對細砂土擊實特性的影響，本文對取自遼河流域海相沉積細砂進行重型擊實試驗，揭示細粒含量對細砂土擊實特性的影響規律，提出基于擊實特性類別的砂土分類標準建議。為細砂土填料在路基工程中的應用提供參考。

1 細砂基本性質

1.1 細砂礦物化學成分

試驗所用細砂取自下遼河平原火渤鐵路旁的云柳村，為天然形成的海相沉積細砂。對細砂樣本進行X光衍射，得到其礦物成分為石英(SiO2，69.9%)、鉀長石(K2OAl2O36SiO2，13.7%)、鈉長石(NaAISi3O8，13.1%)以及少(微)量的斯石英(0.6%)、閃石(0.5%)、綠泥石(0.3%)，不定型成分占1.9%。

1.2 細砂物理性質

對細砂進行室內篩分試驗，結果見表1。可知，天然細砂的顆粒粒徑大多數都在0.075～0.500 mm，其含量超過97%，幾乎不含大于0.500 mm的顆粒，粒徑小于0.075 mm的細粒含量僅占2.1%，不均勻系數Cu為3.52，曲率系數Cc為0.86，顆粒粒徑小且單一，為級配不良細砂。對細砂進行相對密度試驗，其最大干密度為1.79 g/cm3，最小干密度為1.37 g/cm3。

表1 天然細砂篩分試驗結果

2 細砂土擊實試驗

2.1 試樣制備及特性

由室內干篩試驗所得細砂中的細粒含量僅為2.1%，按目標細粒含量分別為8%,15%,25%和35%對細砂進行質量摻配。所摻配細粒土的物理性質指標見表2，可知摻配細粒土屬于低液限粉土[11]。

表2 摻配細粒土物理性質指標

圖1是標準重型擊實試驗得到的摻配細粒土擊實曲線，可知摻配細粒土的最大干密度約1.78 g/cm3，最優含水率約為14.2%。

將細砂過0.075 mm篩，得到細粒含量接近0的試樣S1。表3列出了細粒含量不同的細砂土試樣編號及其顆粒密度。

因細顆粒易吸附于細砂顆粒上，單靠搖震干篩難以完全將細顆粒與細砂顆粒分離，若以此為依據無法準確掌握細砂土試樣的細粒含量。試樣配制完成后，利用水篩法和密度計法進行顆粒分析，試驗數據見圖2。

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圖1 摻配細粒土擊實曲線

試樣編號目標細粒含量/%顆粒密度/(g/cm3)S102.62S22.12.63S38.02.64S415.02.64S525.02.65S635.02.67

圖2 細砂土試樣級配曲線

由圖2可知，各組試樣最大粒徑都在1～2 mm，粒徑大于0.50 mm的顆粒極少，小于0.25 mm顆粒含量超過50%。其中，試樣S2的粒徑基本小于0.50 mm，中間粒徑d50略低于0.25 mm，細粒含量未超過5%，Cu<5，Cc=0.86,粒徑單一，級配較差。試樣S1在試樣S2的基礎上通過篩分去掉了一部分黏粒，級配更差。從試樣S3～S6的級配曲線可以看出，所摻配粉土的粒徑大量集中在0.065～0.075 mm和0.009～0.022 mm粒徑區間內，其含量超過細粒土總量的95%，粒徑小于0.005 mm以下的顆粒幾乎沒有，所摻配的細粒土組成全是粉粒，不含黏粒。試樣S1,S2均為級配不良細砂，試樣S3為級配不良含土細砂，試樣S4為級配不良細粒土質細砂，試樣S5,S6均為級配良好的細粒土質細砂，摻配細粒土改良了細砂的天然級配。

根據試驗結果得到細砂土試樣的不均勻系數和曲率系數，其工程分類見表4。

表4 細砂土試樣級配狀況及工程分類

注：Cu≥5且Cc=1～3時稱為級配良好砂，不能同時滿足時稱為級配不良砂。

2.2 擊實試驗及分析

對細砂土試樣S1～S6進行標準重型擊實試驗，擊實曲線見圖3。

圖3 試樣S1～S6標準重型擊實曲線

由圖3可知，對細粒含量小于35.7%的試樣S1～S6，隨著細粒含量的增加，其擊實平均干密度增加；對細粒含量小于26%的試樣S1～S5在干燥狀態下，干密度出現最大值(或極值)，表現出砂性土特有的干壓實特性。相較于細粒含量進一步增加的試樣S6，其干壓實特性基本退化，而呈現出與細粒土相似的擊實特性。在干燥狀態下，隨著細粒含量的增加，試樣擊實干密度呈現出非線性單調增大的變化趨勢，其中試樣S1～S4增加較快，試樣S5,S6趨于穩定。試樣S1,S2和S3隨含水率增加擊實干密度減小并呈現出小幅波動的變化趨勢，干密度峰值在含水率為4%～10%內均可能出現，具有一定隨機性。高含水狀態下的干密度相對較低。對實際細粒含量分別為16.5%和26.2%的試樣S4,S5，仍具有一定的干壓實特征，其擊實曲線呈現先下降后上升再下降的變化規律，為“∽”形曲線形態，干密度峰值對應的含水率約為8%～10%。對細粒含量大于30%的試樣S6，其擊實曲線已不再具有干壓實特征，轉而表現出細粒土所具有的典型單峰擊實曲線形態，最佳含水率特征明顯，其值略大于7%。

綜上所述，根據試驗結果，細砂土隨細粒含量變化其擊實特性可分為以下3種類型：

第一類曲線類型。細砂土中細粒含量較少(小于10%)時，干密度在干燥狀態下取得最大值，具有明顯的干壓實特性，隨含水率增加干密度下降并有波動的下凹形曲線，可稱為干優型擊實曲線。

第二類曲線類型。細砂土中細粒含量約為10%～30%時，隨含水率增加擊實曲線表現為先下降后上升再下降的“∽”形，干燥狀態下干密度與含水狀態下干密度峰值差異不大，可稱為雙優型擊實曲線。

2.3 影響細砂土擊實特性的內在因素

當細砂土處于含水率極低的干燥狀態時，因細砂土中的粉黏粒不具有黏聚力而處于非常松散的狀態。砂土顆粒受到擊實錘自由下落在砂土中產生的振動波而向垂直方向和水平方向振動擠壓，只需要克服砂粒間相互移動的摩阻力，因此顆粒之間易于相對運動、嵌擠和填充，干密度容易到達最大值[13]。

對于第一類干優型擊實曲線的細砂土，一方面細砂土中黏粉粒含量較低，礦物成分中以憎水的石英為主，與水作用微弱，且細砂土孔隙率大，滲透性強，持水性差，在擊實過程中因良好的排水性能而不會形成較大孔隙水壓力，故含水率對濕潤狀態的細砂擊實性能影響較弱；另一方面，細粒含量較低的細砂土級配不良，粒徑比較單一，更易于在擊實功作用下形成擠密效應而非嵌鎖，易發生擾動和松動，從而降低細砂土擊實效果，擊實曲線表現出小幅波動特性，規律性較差[14]。粉黏粒的粒徑小，較多的粉黏粒含量能改善細砂的級配，對細砂土起到良好的填充作用，且粉黏粒顆粒密度大，因此對第一種曲線類型，其擊實平均干密度呈現出隨細粒含量增加而提高的變化趨勢。

對第二類雙優型擊實曲線的細砂土，當細砂土從干燥狀態轉到含水率較低的濕潤狀態時，隨含水率增加干密度逐漸減小到最小值。這主要是因為破壞了干燥狀態下顆粒表面吸附薄膜的潤滑作用而形成的非潤滑效應(用氯化鈣干燥過后的石英顆粒與石英塊之間的摩擦角為6°，而潮濕狀態下為24.5°[15]);其次粉黏粒遇水在顆粒表面形成結合水膜，形成具有黏滯性的似黏聚力;因為毛細管應力使顆粒之間產生吸力，同樣不利于壓實。隨著含水率繼續增加，結合水膜變厚，水的潤滑作用逐漸增加，似黏聚力逐漸減小，毛細應力逐漸消失，擊實干密度相應提高。當干密度到達峰值后，隨著含水率繼續增加，砂中空隙已經全部被水充滿，達到飽和，由于水不可壓縮，因此導致擊實干密度降低[9]。

當細粒含量繼續增加，細砂顆粒之間的縫隙基本被填滿而逐步失去骨架作用，其擊實特性受細粒物質影響明顯，從而表現出類似細粒土的單峰擊實曲線。

3 細砂土分類標準和壓實技術

3.1 細砂土分類標準探討

細砂土的擊實特性隨細粒含量的變化表現出不同的特征，同時細砂土的工程分類也與細粒含量有關，我國鐵路、公路和水利行業對細砂土的分類標準基本相同，如表5所示。

表5 細砂土的工程分類

上述根據粒度組成的分類標準與細砂土滲透性有關，常常無法滿足工程需求。細砂土隨細粒物質含量變化而表現出不同的擊實特性具有客觀性，建議根據受細粒含量影響的細砂土擊實曲線對細砂土進行分類：第一類干優型擊實曲線對應的細砂土可分類為干優型砂性細砂土；第三類濕優型擊實曲線對應的細砂土可分類為濕優型土性細砂土；第二類雙優型擊實曲線對應的細砂土可分類為雙優過渡型細砂土。

根據試驗結果中細砂土隨細粒含量變化表現出的3種擊實曲線及所含細粒含量，提出細砂土分類的新標準：細粒含量小于10%時為細砂，對應干優型砂性細砂土；細粒含量在10%～30%時為含土細砂，對應雙優過渡型細砂土；細粒含量在30%～50%時為土質細砂，對應濕優型土性細砂土。

3.2 細砂土壓實技術

根據擊實曲線分類的3類細砂土在路基工程中實際應用時，壓實工藝各有不同。第一類干優型砂性細砂土應用于路基填料時，應盡量在無水干燥狀態下壓實，若無法保持干燥狀態，則應使含水率位于6%～10%，此時也能取得較好的壓實效果。應用第二類雙優過渡型細砂土填料時，為取得最大干密度，應使填料處于干燥狀態或經試驗確定的最佳含水率下進行壓實。第三類濕優型土性細砂土具有細粒土的擊實特性，可在由試驗所得的最佳含水率下進行壓實。選擇細砂土作為填料時，應盡量選擇細粒含量較高的細砂土，對細粒含量較低的細砂，可摻配適量細粒土進行級配改良，提高壓實密度和可控性。

4 結論

1)試驗取自遼河平原的海相沉積細砂，細粒含量少，級配不良，呈典型的顆粒狀松散結構，礦物成分以憎水的石英和長石為主。

2)細砂土含細粒含量小于30%時有干壓實特性，細砂土干壓實密度呈現出先增加后趨于穩定的變化趨勢。

3)細粒含量對細砂土擊實特性影響顯著。隨細粒含量增加，細砂土擊實評價干密度變大，并依次表現出3種不同的擊實曲線：細粒含量較少時為干優型擊實曲線；細粒含量較多時為濕優型擊實曲線；細粒含量居中時則為“∽”狀雙優過渡型擊實曲線。

4)根據細砂土的3種擊實曲線與細粒含量的關系，提出了細砂土的工程分類標準建議：細粒含量小于10%時為細砂；細粒含量在10%～30%時為含細粒土細砂；細粒含量在30%～50%時為細粒土質細砂。