径径比对粗颗粒土干密度的影响试验研究

陈 坚，罗 强，赵明志，梁多伟

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

粗颗粒土在自然界分布广泛、储量丰富，并具有压实性能好、抗变形能力强、透水性高、抗剪强度大、工程性质稳定且不易受环境因素影响等优良的工程特性，因此在工程建设中得到了广泛的应用，如用于填筑高土石坝、高速铁路及高速公路路基等［1-2］。最大干密度是粗颗粒土的一项重要物理指标，是确定粗颗粒土工构筑物压实质量的重要参数。因此，准确测定粗颗粒土的最大干密度至关重要。

粗颗粒土的最大干密度与径径比(试样筒直径与颗粒最大粒径的比值)密切相关。表1～表3分别是铁路、水利与公路行业土工试验规程［3-5］中粗颗粒土干密度试验仪器尺寸的技术标准。可以看出，水利规范采用的试样筒筒径是允许最大粒径的5倍以上，公路规范采用的试样筒筒径是允许最大粒径的4.7倍以上，铁路规范中重型Z3击实试验采用的试样筒筒径仅为允许最大粒径的3.7倍。可见，由于对径径比与干密度之间关系的研究较少，不同行业的土工试验规程对粗颗粒土干密度试验的径径比要求也各不相同。为此，本文通过开展系列的不同径径比下粗颗粒土的标准干密度试验，探讨了粗颗粒土干密度随径径比的变化规律，为选择合适的径径比提供依据。

表1 击实试验试样筒尺寸技术标准(铁路)

表2 振动台法试样筒尺寸技术标准(水利)

表3 表面振动法试样筒尺寸技术标准(公路)

1 试验过程

为排除颗粒级配的影响，试验统一采用粒径范围为19.0～26.5 mm的均匀颗粒作为试样，如图1所示，将其平均粒径22.75 mm作为代表粒径，测定其在6种不同直径试样筒中的干密度。试样颗粒的材质为二叠系硬质灰岩，颗粒密度为2.81 g/cm3。试样筒如图2所示，表4列出了各试样筒筒径与颗粒粒径的比值。为避免试样筒的径高比(试样筒筒径与试样筒高度的比值)对干密度的影响，控制各试样筒的径高比均不超过表1～表3中标准干密度试验试样筒的径高比范围。

图1 试样

图2 试样筒

表4 试样筒的几何尺寸及筒径与颗粒粒径比

因要采用不同筒径尺寸的试样筒进行试验，故无法参照《土工试验规程》(SL237—1999)、《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2010)与《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)等规程开展相应的标准干密度试验。由于《公路工程集料试验规程》［6］(JTG E42—2005)中的捣实密度试验与松堆积密度试验可适应各种筒径尺寸的试样筒，因此参照该规程进行捣实密度试验与松堆积密度试验。每个筒径下均进行6组平行试验。

1)捣实密度试验

首先将试样装到试样筒中1/3的高度，由边至中用捣棒均匀捣实25次。再向试样筒中装入1/3高度的试样，用捣棒均匀地捣实25次，捣实深度约至下层的表面。然后重复上一步骤，加最后一层，捣实25次，使试样与试样筒口齐平。用合适的颗粒填充表面的大空隙，目测估计表面凸起部分与凹陷部分的容积大致相等，称取试样筒与试样的总质量m1，根据式(1)就可计算出试样在该试样筒中的捣实密度ρ1。

式中:mt为试样筒的质量，g;V1为试样筒的体积，cm3。

2)松堆积密度试验

用平头铁锹铲起试样，使石子自由落入试样筒内。此时，从铁锹的齐口至试样筒上口的距离应保持在50 mm左右，装满试样筒并除去凸出筒口表面的颗粒，并以合适的颗粒填入凹陷空隙，使表面凸起部分和凹陷部分的体积大致相等，称取试样和试样筒总质量m2，根据式(2)就可计算出试样在该试样筒中的松堆积密度 ρ2。

2 试验分析

图3、图4分别是试样的捣实密度、松堆积密度随径径比的变化曲线。由图3、图4可以看出:

图3 捣实密度与径径比关系曲线

图4 松堆积密度与径径比关系曲线

1)捣实密度与松堆积密度随径径比的增大具有相同的变化规律，即试验方法对径径比与干密度之间的关系影响不大。

2)干密度随径径比的增大而增大，并逐渐趋于稳定。当径径比＞6.81时，捣实密度和松堆积密度值随径径比的增大变化不大，相邻两次不同径径比下，捣实密度增大绝对值为0.004 g/cm3，松堆积密度增大绝对值为0.024 g/cm3，低于土工试验规程［3-5］中密度试验的平行误差值0.03 g/cm3。可取径径比为6.81和9.01时对应干密度的平均值作为试样干密度的稳定值，得到试样的捣实密度稳定值为1.774 g/cm3，松堆积密度稳定值为1.577 g/cm3。当径径比＜4.7时，捣实密度和松堆积密度随径径比的增大而显著增大，各径径比下的捣实密度与稳定值之间的差值在0.090～0.026 g/cm3，松堆积密度与稳定值之间的差值在0.14～0.23 g/cm3。当径径比为4.7时，捣实密度与稳定值之间的差值为0.03 g/cm3，松堆积密度与稳定值之间的差值为0.07 g/cm3。可见，不影响试样干密度的特征径径比在4.7～6.81。

由于上述试验结果是由粒径均匀的试样得出的，对于实际工程中粒径分布较广的试样，当以试样的最大粒径dmax作为代表粒径时，可取低值4.7作为特征径径比，即当径径比＜4.7时径径比对干密度有影响，当径径比＞4.7时径径比对干密度影响不大。

图5 变异系数与径径比关系曲线

图5是平行试验数据的变异系数与径径比之间的关系曲线。由图5可以看出，平行试验数据的变异系数随径径比的增大而逐渐减小，随粒径比的增大测得的数据更加稳定。

结合表1～表3可以看出，采用水利《土工试验规程》与《公路土工试验规程》进行粗颗粒土干密度试验可基本消除径径比对试验结果的影响，而《铁路工程土工试验规程》中重型Z3击实试验所允许的最大粒径偏大。

3 结论

1)径径比对粗颗粒土的标准干密度有较大影响，存在一个特征径径比4.7，当径径比＜4.7时，干密度随径径比的增大而显著增大;当径径比＞4.7时，径径比对干密度的影响不大。可见，为降低或消除径径比对粗颗粒土干密度的影响，在进行粗颗粒土标准干密度试验时试样筒直径与试样最大粒径的比值不应＜4.7。此外，试验方法对径径比与干密度之间的关系影响不大。

2)采用水利《土工试验规程》与《公路土工试验规程》进行粗颗粒土干密度试验可基本消除径径比对试验结果的影响，而《铁路土工试验规程》中重型Z3击实试验所允许的最大粒径偏大。

［1］郭庆国.粗颗粒土的工程特性与应用［M］.郑州:黄河水利出版社，1998.

［2］陈坚，罗强，张良，等.客运专线基床底层砾石土填料物理力学性质试验研究［J］.铁道学报，2011，33(7):91-97.

［3］中华人民共和国铁道部.TB 10102—2010 铁路工程土工试验规程［S］.北京:中国铁道出版社，2010.

［4］中华人民共和国水利部.SL 237—1999 土工试验规程［S］.北京:中国水利水电出版社，1999.

［5］中华人民共和国交通运输部.JTG E40—2007 公路土工试验规程［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［6］中华人民共和国交通运输部.JTG E42—2005 公路工程集料试验规程［S］.北京:人民交通出版社，2005.