含黏粒砂土填料工程特性研究

高源?朱紅麗

摘 要 含黏粒砂土作為一種良好的填料，常用于高等級公路、鐵路路基填方中，然而砂土作為一種松散的集料，其壓實特性往往受到黏粒含量的影響，呈現(xiàn)出不同壓實特性，研究不同黏粒含量的砂土的擊實特性，在路基施工方法的選擇和施工質(zhì)量的控制上具有重要意義。依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，配制一系列不同黏粒含量的細砂進行重型擊實試驗，分析黏粒含量對砂土擊實特性的影響，研究表明：砂土在不同的黏粒條件下，表現(xiàn)出不同特征，大致可以劃分為3種類型，即準(zhǔn)直線型、波峰波谷型、波峰型。后兩種類型存在界限黏粒含量，約35%;黏粒含量≥35%時，砂土表現(xiàn)出良好的擊實特性。

關(guān)鍵詞 擊實試驗;含黏粒砂土;壓實特性;工程特性

引言

大量高速鐵路、高等級公路、機場、港口碼頭的建設(shè)，對路基、下臥層填料的需求量巨大，黏土、砂土作為良好的工程填料，壓實后具有較強的承載力和較小的變形，因此廣泛應(yīng)用于工程實踐中。此外，砂土是一種極易獲得的工程原材料，在我國內(nèi)陸河流湖泊，沿海沙灘入海口、西部干旱沙漠風(fēng)成砂，都提供了豐富的砂性土資源，給工程建設(shè)大大降低了原材料運輸成本[1]。

雖然砂土作為一種良好的填筑材料，但是由于其顆粒呈松散狀態(tài)，不能直接壓實填筑，需配合一定的黏性土作為膠結(jié)物，才能達到路基的填筑密實度。黏粒的含量大小顯著地改善了砂土作為路基填料的工程特性，也影響著路基的使用方式和施工質(zhì)量的控制，也對路基工后沉降產(chǎn)生影響[2-4]。本文通過采取天然砂樣，以不含細粒的部分為砂骨架配置一系列不同黏粒含量試樣，進行室內(nèi)重型擊實試驗，分析砂土的壓實機理，研究細粒含量對砂土壓實特性的影響，為砂土的工程應(yīng)用提供參考。

1試樣制備

1.1 天然砂土樣的顆粒分析

試驗試樣制備采用的砂樣為天然砂土，取樣于遼寧省營口市鲅魚圈地區(qū)，參考《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》對砂樣進行顆粒分析，試驗結(jié)果如表1所示：

由上表可知：砂的顆粒粒徑范圍集中在0.075～0.5mm之間，含量大于96%，顆粒直徑>0.5mm的顆粒所占比例小于3.7%，直徑小于0.075mm的細粒含量更少，只占1.95%，不均勻系數(shù)Cu=3.46，曲率系數(shù)Cc=0.83。由此可知，所取天然砂樣的顆粒較細，顆粒直徑分布集中，級配不良，較為純潔，黏粒含量較少，按現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范可將其定義為細砂。

1.2 試驗砂樣的制備

由前文天然砂樣篩分試驗可知，天然砂樣黏粒含量為1.95%，由此對天然砂樣摻入不同比例的黏粒，可按質(zhì)量比例分別為5.0%，10.0%，20.0%和35.0%制備一系列不同黏粒含量的試驗試樣。所摻配黏土物理指標(biāo)具體為：黏土天然密度ρ為2.72g/cm3，液限ωL為25.2%，塑限ωp為18.3%。

參考《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[5]對制備的一系列砂樣進行擊實試驗，可得其擊實曲線如圖2所示。由此可知，摻配黏粒的最大干密度為1.78g/cm3。最優(yōu)含水率為14.2%。

同時制備一組黏粒含量接近為0的潔凈細砂，將上文所述混合砂樣進行編號如下：

利用密度計法[5]對上述砂土試樣進行顆粒分析試驗結(jié)果如圖2所示。

由此計算不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)，并按填料分組如下表3所示：

2室內(nèi)擊實試驗

本次擊實試驗儀器為CSK-VI型電動擊實儀，重型擊實筒內(nèi)徑和高度分別為102，116mm，擊錘質(zhì)量4.5kg，單位體積擊實功為2659kJ/m3，試樣分5層擊實，每層錘擊25次，擊實完成后選取試樣中心2處代表性試樣，采用烘干法測定含水率。

對混合砂樣T1～T6進行標(biāo)準(zhǔn)重型擊實試驗[5]，其標(biāo)準(zhǔn)重型擊實曲線如圖3。

由圖3可知：對于砂樣T1，T2，在一定擊實功作用下，干密度隨含水率的變化不明顯，呈現(xiàn)準(zhǔn)直線型。分析其原因主要有：①黏粒含量的影響，試樣T1，T2黏粒含量十分微小，小于5%，礦物主要成分為石英，無黏聚力，與水作用微弱;試樣T3的黏粒含量有所提升，在一定程度上改善級配，提高了黏聚力，干密度曲線整體上升，但是含水率對擊實干密度依然無明顯規(guī)律性影響;②排水條件的影響，砂樣T2是天然細砂，第四系沉積作用形成，粒徑單一，分選性好，是典型的顆粒狀松散結(jié)構(gòu)，孔隙率大，滲透性強，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，故含水率對壓實性能影響較小。

砂樣T4，T5與砂樣T1，T2，T3相比，因為黏粒含量增加，黏粒土水界面的雙電層結(jié)構(gòu)改善了砂土混合物與水的作用，表現(xiàn)出較強的壓實效果。對于砂樣T5，隨著含水率的提高，干密度呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的趨勢，表明黏粒含量已經(jīng)對試樣土的擊實性能有了顯著影響。在含水率8%時，干密度分別達到峰值，試樣土表現(xiàn)出干壓實特性。在1% ～3%附近的低含水率區(qū)段，干密度最小，壓實效果差。此時擊實曲線呈波峰波谷型，其示意圖如圖4所示。

由圖4可知：擊實曲線隨著含水率的變化分為四個區(qū)段。

第一區(qū)段：當(dāng)細砂處于含水率極低的干燥狀態(tài)時，砂顆粒之間的黏聚力分量為零，擊實功只需要克服砂顆粒的內(nèi)摩擦分量。當(dāng)擊實錘落在砂樣表面時，砂顆粒受到垂直和水平兩個方向上的振動，砂顆粒向有空隙的空間移動，周圍有未滿足的應(yīng)力場，會吸附周圍空隙中粒徑最小的顆粒，在砂顆粒表面形成薄膜，使砂顆粒的直接接觸面積減小[7]。此外，隨著黏粒含量的增加，改善了細砂的級配，使得砂樣T4，T5的干密度更大。

第二區(qū)段：隨著含水率增加，砂樣干密度逐漸降低，并達到最小值。造成此現(xiàn)象的原因是：由于水對細砂顆粒的非潤滑效應(yīng)，使內(nèi)摩擦分量加大。其次，砂中黏粒吸附水后，產(chǎn)生黏聚力，使砂樣中黏聚力分量增加。砂顆粒之間會產(chǎn)生結(jié)合水膜，含水率較小時，結(jié)合水膜黏結(jié)作用明顯，使得砂樣中內(nèi)摩擦分量和黏聚力分量都有所增加，不利于壓實。

第三區(qū)段：砂中含水率繼續(xù)增大，水膜逐漸變厚，結(jié)合水膜的黏滯作用迅速退化，水對砂顆粒的潤滑作用逐漸增大，砂土內(nèi)摩擦力減小。同時，含水率增加使不利于砂顆粒位移的毛細吸力作用消失，砂樣更易擊實。

第四區(qū)段：擊實干密度到達峰值后，隨著含水率繼續(xù)增加，砂土內(nèi)摩擦力和黏聚力下降幅度變小，砂達到飽和，由于水極難被壓縮，因此擊實干密度降低[8]砂樣T6在重型擊實功下，砂顆粒之間的孔隙基本被填滿，砂顆粒失去骨架支撐作用，表現(xiàn)出類似于黏性土的波峰型擊實曲線。砂樣T6黏粒含量約35%，表明黏粒含量≥35%時，砂土表現(xiàn)出良好的擊實特性，為界限黏粒含量。

3結(jié)束語

本文制備一系列摻配不同黏粒含量的細砂進行重型擊實試驗，研究細粒含量對砂土擊實特性的影響，得出以下結(jié)論：

（1）級配均勻細砂的擊實特性與其細粒含量相關(guān)，是無黏性的砂骨架和含黏性的細粒共同作用的結(jié)果，根據(jù)細粒含量的不同擊實曲線可分為三種典型種類，即準(zhǔn)直線型、波峰波谷型、波峰型。

（2）砂土在干燥狀態(tài)和欠飽和狀態(tài)下具有良好的壓實特性，工程上可根據(jù)具體情況選擇合適的壓實含水率。同時，在低含水率時，砂土具有難以壓實的特性，工程上應(yīng)該極力避免此類情況。

（3）細粒含量較少的細砂擊實特性主要受無黏性的砂骨架影響，其擊實曲線為準(zhǔn)直線型曲線、波峰波谷型曲線，且該類擊實曲線的細砂壓實性能較差，作為工程材料應(yīng)謹慎使用。

（4）合適的細粒比例會改良粉砂的級配，細粒含量超過35%的砂土具有良好的擊實特性，可作為一種良好的路基填料。

參考文獻

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