砒砂巖與沙復配成土的顆粒級配與力學特性研究

【摘要]毛烏素沙地分布著大量易風化侵蝕的砒砂巖和松散無聚力的風積沙，給當地交通建設帶來了極大問題。本文為了解決此問題，減少其對環境及工程的危害，有效利用當地資源，選用砒砂巖與沙復配成土作為路基材料。將其按質量比5：1、4：1、3：1、2：1、1：1、1：2、1：5這7種比例復配，運用Mastersizer 2000、重型擊實儀和壓汞儀，測得不同比例的顆粒級配、最大干密度和孔隙分布情況，分析其壓實特性，確定最佳配比。試驗結果表明：當砒砂巖與沙以質量比2：1復配，不均勻系數Cu約為23.03，曲率系數Cc為1.27～1.5，屬級配良好土;且含水率在7%～9%時，最大干密度為2.04～2.05 g/cm3，壓實特性最好，適合用作路基填料。

【關鍵詞】砒砂巖;顆粒級配;擊實試驗;壓汞試驗;最大干密度;最佳含水率

本文通過對顆粒級配和擊實試驗分析，結合壓汞試驗進行孔隙結構研究，了解砒砂巖與沙的復配土內部結構變化，及其帶來的壓實特性與力學性質變化，分析內在成因，確定最佳復配比例，為其用作沙漠公路筑路材料提供可靠的數據支撐[1]。

1、物理特性試驗與擊實試驗

壓實特性主要指標為最大干密度和最佳含水率[2，3]，也是確保路基填料質量的首選指標。壓實特性越好，密實度越好，土壤顆粒間的膠結力越好，內聚力越高，抗剪強度越大，承載力與穩定性越強。為了了解砒砂巖與沙復配土的物理力學特性，采用顆粒級配試驗、壓汞試驗及擊實試驗對復配土的顆粒級配、孔徑分布、最大干密度等指標進行測定。

1.1顆粒級配試驗

將砒砂巖與風積沙風干研磨過2mm篩后，按不同質量比（m（A）：m（S））1：0、5：1、4：1、3：1、2：1、1：1、1：2、1：5、0：1均勻拌合，稱取樣品10.0g后，送入Mastersizer 2000激光粒度分析儀進行測定，每個比例重復三次，共測定27樣次。

1.2壓汞試驗

壓汞試驗是通過加壓使汞進入顆粒間孔隙中，所壓進汞的體積就是顆粒間孔隙的體積。試驗按質量比1：0、2：1混合，含水率控制在12%左右制樣，試驗結果最準確。

1.3 擊實試驗

按照《公路土工試驗規程》（JTJ050-93）中的要求，本次試驗選用小型擊實筒[4-6]，具體尺寸見表1。

由于風干土的各項指標最接近工程實際，且所測得的結果與最大干密度值最近，故選用風干后的材料，按上述質量比混合，選取5%、7%、9%、11%和13%的含水率加入相應水量，拌和均勻，燜料一夜后，開始擊實試驗，共計35個試樣。

2、試驗結果及分析

2.1擊實試驗結果分析

復配土在不同含水率及不同質量比條件下的干密度如表2所示，同一含水率不同比例的最大干密度如圖1所示。

2.2質量比對最大干密度的影響

復配土2質量比的發生變化的實質是土壤質地的變化，所以質量比對最大干密度的影響實質是土壤質地變化的影響。

分析圖1可知，當復配土的含水率為9%時，砒砂巖與沙的比例為5：1時，最大干密度為1.97 g/cm3;添加風積沙，即砂粒，質量比變為4：1時，最大干密度變化率極小;為3：1與2：1時，增加到2.03g/cm3與2.04g/cm3，且增加速率比較明顯。風積沙雖然顆粒間孔隙較大，但粒徑較小的砒砂巖顆粒可以填充之中，彌補孔隙;同時顆粒之間的電分子引力與毛細壓力，使其聚集于一體，密實度更高，具有更強的壓實特性。隨著風積沙顆粒的持續增多，土體顆粒趨于均勻，不均勻系數逐漸減小，級配良好性降低，促使穩定性降低，砒砂巖顆粒不足以填充砂粒縫隙，孔隙變大，密度也隨之降低，所以最大干密度開始相對減小。因此，當砒砂巖與沙質量比為2：1時，最大干密度值最大，同時由顆粒級配分析可知，為級配良好的土。

2.3含水率對最大干密度的影響

復配土在同一質量比的條件下，干密度隨含水率的增加先增加后減小。由表2分析可知，當含水率由5%升到7%，直至9%時，干密度隨之增加到最大干密度。這是由于在低含水率下，土體顆粒表面的水凝膜比較薄，發揮的潤滑作用不強，顆粒間的摩擦力比較大，阻礙壓實;隨著含水率的增加，土體顆粒表面吸附的水凝膜逐漸變厚，足以發揮良好的潤滑作用，使其更易被壓實;同時水分填滿細小的縫隙，增加了土體的密實度。

結論：

本文通過研究砒砂巖和沙復配土的微觀特性，并結合擊實試驗，發現：

通過擊實試驗數據分析可知，當砒砂巖與沙的質量比為2：1，含水率在7%～9%時，最大干密度約為2.05 g/cm3。同時也映證了質量比為2：1的復配土，是級配良好的土。

有上述分析可知，砒砂巖與沙作為路基填料使用時，最佳壓實比為2：1，最佳含水率為7%～9%，最大干密度約為2.05 g/cm3。最大干密度和最佳含水率在路基填筑壓實中起著至關重要的作用，對其穩定性和強度指標具有控制意義。獲取這些條件后，再進行CBR試驗，探討和分析復配土的壓實度，研究其路用性能，可為砒砂巖與沙用于道路建設材料提供可靠數據支撐，解決沙漠道路材料缺乏的問題，加速沙漠公路里程數增速，促進當地經濟高速發展。

參考文獻：

[1]宮旭黎，王莉，周濱.曲率系數在評價土的級配情況中的重要意義[J].黑龍江交通科技，2002，5（99）：16-17.

[2]魏雨露，張露.砒砂巖與沙復配成土的顆粒級配與壓實特性研究[J].西部大開發（土地開發工程研究），2017（04）：29-33.

[3]包衛星，郭小龍，楊萬精.干旱荒漠區天然砂礫路基填料壓實特性分析[J].中國公路學報，2017，30（02）：18-24.

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[5]章立，張成立，劉韻馨.風積沙最大干密度的試驗研究[J].山西建筑，2007，33（17）：180-182.

[6]聶青龍，邊艷妮，蔡睿.風積砂最大干密度確定方法及壓實度檢測方法研究[J].中國公路，2013（3）：120-121.

（本文作者單位為：1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西西安，7100751;2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西西安，710075;3.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西西安，710075;4.自然資源部退化及未利用土地整治重點實驗室，陜西西安，710075）