強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r土石混合料壓實(shí)特性研究

摘要 土石混合料可用于路基填筑，受巖性組成、材料強(qiáng)度、顆粒組成等影響較大，該材料差異性較大，行業(yè)規(guī)范對其質(zhì)量控制指標(biāo)要求較為模糊，造成其應(yīng)用受限。山區(qū)修建公路、鐵路，往往存有豐富的土石混合料，就地取材可大幅降低成本，但使用該類型材料前必須通過試驗(yàn)確定土石混合料各項(xiàng)指標(biāo)。為此，該文針對魯中丘陵地區(qū)強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r開展土石混合料壓實(shí)特性試驗(yàn)研究，分析顆粒組成、孔隙率、液塑限、抗壓強(qiáng)度等參數(shù)，為其在路基工程中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 土石混填路基；室內(nèi)試驗(yàn)；壓實(shí)特性

中圖分類號 U416 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0191-04

0 引言

土石混合料由粗顆粒石料和細(xì)顆粒土料組成，合理級配的土石混合料具有良好的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，能夠提高路基承載力，減少沉降和變形，延長道路使用壽命，同時還可以有效利用當(dāng)?shù)刭Y源，降低材料及運(yùn)輸成本。因此開展土石混合料壓實(shí)特性試驗(yàn)研究，分析顆粒組成、孔隙率、液塑限、抗壓強(qiáng)度等參數(shù)對后續(xù)工程施工以及減少工程事故具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對土石混合料的物理力學(xué)性質(zhì)、壓實(shí)特性等進(jìn)行了大量研究。李亞然等[1]分析了不同含石量對土石混合料的結(jié)構(gòu)特性影響；楊忠平等[2]通過進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)以及離散元模擬試驗(yàn)，分析研究了石塊強(qiáng)度對土石混合料剪切特性的影響；耿賀祥等[3]進(jìn)行了平面應(yīng)變條件下土石混合料的力學(xué)特性研究，通過改造后的剛?cè)峄旌闲痛笮驼嫒S儀對土石混合料進(jìn)行平面應(yīng)變條件下考慮不同含石量以及固結(jié)圍壓下的固結(jié)排水剪切試驗(yàn)和側(cè)向卸載試驗(yàn)，基于試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對土石混合料在平面應(yīng)變條件下的力學(xué)特性進(jìn)行分析研究。土石混合料的整體力學(xué)性能在不同條件下差別很大，因此有必要通過室內(nèi)試驗(yàn)確定土石混合料在不同含石量的最佳含水率，并對土石混合料的壓實(shí)特性進(jìn)行研究。

該文主要通過顆粒分析試驗(yàn)將現(xiàn)場取得的大粒徑石塊（dgt;60 mm）剔除后的土石混填料的顆粒級配；根據(jù)土、石材料的粒徑劃分標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行顆粒試驗(yàn)分析；通過灌水法現(xiàn)場試驗(yàn)段內(nèi)測試不同含石量下的孔隙率；通過巖石的單軸抗壓試驗(yàn)，獲取現(xiàn)場取材中石塊的抗壓強(qiáng)度；通過輕型擊實(shí)試驗(yàn)和表面振動試驗(yàn)獲得土石混合料的最大干密度并對其進(jìn)行比較，計算出最佳含水率，并給出不同含石量下的施工含水率區(qū)間。

1 土石混合料的顆粒分析及孔隙率

1.1 土石混合料的顆粒分析

依托臨臨高速四標(biāo)段K69+485位置處及AK0+300

～AK0+380試驗(yàn)段的多點(diǎn)取土材料，根據(jù)取土位置分別編號為W-1、W-2、W-3、W-4、W-5、W-6、W-7、W-8，將未能通過20 cm篩的塊石剔除后，形成室內(nèi)試驗(yàn)試件，材料的級配曲線圖如圖1所示。

由級配曲線，計算各取點(diǎn)位置處的不均勻系數(shù)Cu與曲率系數(shù)Cc，各位置處級配指標(biāo)如表1所示。

規(guī)范要求級配組成中，不均勻系數(shù)大于等于5，曲率系數(shù)在1～3之間為良好級配。其中W-7、W-8號取點(diǎn)位置處不滿足上述要求，被認(rèn)定為不良級配。原因在于取土點(diǎn)位置位于高填方路基旁，土石混合料在填筑過程中大粒徑石料由于重力作用出現(xiàn)滾落的現(xiàn)象，導(dǎo)致現(xiàn)場取樣時，出現(xiàn)試樣的不良級配。

1.2 土石混合料孔隙率測試

孔隙率作為土石混填路基的控制指標(biāo)之一，對路基路面的壓實(shí)程度有著最直觀、真實(shí)的反映，現(xiàn)場測試孔隙率使用灌砂法進(jìn)行，對所有取土點(diǎn)位置處碾壓完成后進(jìn)行測試，孔隙率測試結(jié)果如表2所示。

2 土石混合料的液、塑限

由圖3可知，當(dāng)圓錐下沉深度為2.94 mm時，含水率值為24.1%；當(dāng)圓錐的下沉深度為16.9 mm時，含水率值為41%。因此得出土石混合料液限值41%，塑限值為24.1%，液性指數(shù)與塑性指數(shù)分別為16.9、0.32。其他各位置處，測試過程同理，液性指數(shù)與塑性指數(shù)的數(shù)值如表3所示。

由表3可知，各位置處液性指數(shù)分布在16.5～16.9，

塑性指數(shù)分布在0.30～0.33。可認(rèn)為，各位置處的土石混合料的含水率等指標(biāo)基本相同，可認(rèn)為土石混合料的一致性。

3 土石混合料石料巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)

通過采用數(shù)顯巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)儀做巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)，計算土石混合料中石料的單向抗壓強(qiáng)度[3]。土體中水的存在會影響巖石的力學(xué)性質(zhì)，主要和巖石的空隙性和水理性有關(guān)。考慮水對巖石性質(zhì)的影響，主要考慮5種工況：（a）自然狀態(tài)；（b）烘干狀態(tài)；（c）浸水24 h；（d）浸水48 h；（e）浸水168 h。

試驗(yàn)過程中，隨時觀察豎向位移標(biāo)尺在加載前后的升降數(shù)值變化[4]，試樣破壞后，巖石的單向抗壓強(qiáng)度可按照公式計算[5]，5組點(diǎn)荷載試驗(yàn)在不同強(qiáng)度范圍內(nèi)石塊的數(shù)量分布情況如圖2。

由點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果分析可知，土石混合料中的大粒徑石料單軸抗壓強(qiáng)度主要集中在40～60 MPa，強(qiáng)度較大。通過對比不同浸水時間的C組、D組、E組三組試驗(yàn)，能夠明顯的表征出石料在浸水24 h、48 h、168 h后巖石的單軸抗壓強(qiáng)度沒有明顯下降，A組、B組、C組、D組、E組試樣的單軸抗壓強(qiáng)度主要集中在40～80 MPa之間，屬于中性巖石。

4 土石混合料的室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)

該試驗(yàn)采用手動輕型擊實(shí)法與表面振動擊實(shí)儀法兩種方法同步進(jìn)行，將兩種方法下的擊實(shí)試驗(yàn)所需的土石混合擊實(shí)料放置在烘箱中105℃，烘干10h，按照含石量不同進(jìn)行配置，并按照四分法將每一類準(zhǔn)備6個試樣，配置不同的含水率試件，具體配置情況如表4所示。手動輕型擊實(shí)法擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制最佳含水率曲線圖，如圖3所示。根據(jù)表面振動擊實(shí)法擊實(shí)試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)繪制最佳含水率曲線圖，如圖4所示。

對照兩種試驗(yàn)方法擊實(shí)后的最大干密度，確定最大干密度下的最佳含水率。測得的最大干密度、最佳含水率，分析結(jié)果如圖5所示。

由圖可知，土石混合料的擊實(shí)曲線與細(xì)粒土（均質(zhì)土）的曲線較為相似，表現(xiàn)為干密度隨著含水率的增加而增加，隨之到達(dá)峰值。土石混合料中最大干密度隨著含石量的增加而增加，但最佳含水率越來越低。誤差方面，最大干密度的相對誤差范圍維持在0.05以下，絕對誤差范圍維持在0.11以下；最佳含水率的相對誤差維持在0.055以下，絕對誤差維持在0.35以下。如圖7所示，含石量小于30%時，土石混合料的最大干密度增長不明顯，主要原因是細(xì)粒土在土石混合料中起著主導(dǎo)作用；含石量在30%～70%之間時，土石混合料中隨著粗顆粒含量的增加，逐漸形成以粗集料為主的，細(xì)集料為輔的情況，粗顆粒之間的空隙被細(xì)料填充，使得最大干密度逐漸增加。

5 結(jié)論

該文主要對臨臨高速四標(biāo)段試驗(yàn)段及部分主線位置處分布的土石混合料開展基礎(chǔ)的物理力學(xué)試驗(yàn)，探究不同情況下的壓實(shí)特性，得出結(jié)論如下：

（1）土石混合料中土石比例基本保持在3∶7，小于5 mm粒徑的料所占質(zhì)量明顯小于大于5 mm粒徑的料。細(xì)粒土含量小于土石混合料總質(zhì)量的5%，除部分特殊位置外，正線取土位置處的不均勻系數(shù)Cu均≥5，曲率系數(shù)Cc在1～3中間。在各位置處液性指數(shù)分布在16.5～16.9，塑性指數(shù)分布在0.30～0.33。

（2）通過在5種工況下巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)，計算土石混合料中石料的單向抗壓強(qiáng)度。巖石在烘干作用和飽和作用下的抗壓強(qiáng)度均大于36 MPa，屬于中硬巖石。巖石在飽和24 h、48 h和168 h工況下，巖石的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但不是無限降低，趨近于某一值。

（3）針對不同含石量下的土石混合料，通過手動輕型擊實(shí)法與表面振動擊實(shí)法兩種試驗(yàn)方法，得到最佳含水率下的最佳干密度及孔隙率。兩種方法下的最大干密度的相對誤差范圍維持在0.05以下，絕對誤差范圍維持在0.11以下；最佳含水率的相對誤差維持在0.055以下，絕對誤差維持在0.35以下。對于土石混填路基來說，在含石量較低時，室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)中有必要采用破碎+輕型手動擊實(shí)的方法測試其最大干密度，計算最佳含水率，這樣能保證更好的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

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[3]耿賀翔.土石混合料的平面應(yīng)變力學(xué)特性的試驗(yàn)研

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收稿日期：2024-11-28

作者簡介：葛玉寧（1979—）男，本科，工程師，研究方向：道路與橋梁工程。