土石混填路基材料最大干密度的影响因素研究

罗亨俊等

摘要：鉴于使用细粒土评价土石混填路基材料的性能适用性及合理性不足，通过对不同粗颗粒含量及不同最大粒径的30种不同级配的土石混填材料进行击实试验，分析了粗颗粒含量与最大粒径对混填路基材料的影响。考虑了密度干涉系数、校正系数，提出了新的最大干密度的理论计算方法。与传统方法相比，新方法的计算结果更接近实测值，且相对误差减小了73%。

关键词：土石混填路基；压实质量；最大干密度；粗颗粒

中图分类号：U414.03文献标志码：B

Abstract： Composition of gradation， changes of moisture content and strength formation mechanism of earthrock mixed materials are different from general fine grained soil， and coarse particle plays a dominant role in it. But when evaluation method of compaction quality of fine grained soil is used to evaluate earthrock mixed materials， the disadvantages of the applicability and rationality are obvious. 30 sets of earthrock mixed materials were picked to carry out the compaction tests in order to analyze the influences of coarse particle content and maximum particle size on the maximum dry density and optimum moisture content of fine grained soil. Parameters such as density interference factor and correction factor were considered， and the calculation methods of maximum dry density were put forward. Relative error decreased by 73% with the new method compared with traditional method.

Key words： subgrade filled with earthrock mixture；compaction quality；maximum dry density；coarse particle

0引言

土石混填路基是指在路基填料中有30%～70%粒径不小于5 mm的粗颗粒的路基。由于中国高等级公路逐渐向中西部山区发展，土石混填路基成为一种不可避免的路基填筑形式[1]。由于土石混填材料的级配组成、含水率变化、强度机理等不同于一般的细粒土，且粗颗粒含量在其中起主导作用，若在评价其压实质量时仍使用细粒土的评价方法，必然会因为方法的适用性及合理性不足而导致评价有误差。本文对土石混填材料的性质、结构及强度形成机理等进行比较分析，通过大型击实试验分析了粗颗粒含量对土石混填材料性质的影响，并从控制对压实质量起关键作用的最大干密度出发，研究了影响最大干密度的因素。将密度干涉系数、校正系数等引入到最大干密度理论计算方法中，进一步优化了土石混填材料最大干密度的计算方法[2]。

1土石混填路基材料及其强度形成

1.1土石混填路基的性质

土石混填路基主要有以下几方面的特点。

（1） 与普通路基相比，土石混填路基具有沉陷性小、稳定性好、抗剪强度高及渗透性低等优点，是一种良好的路基结构形式。

（2） 土石混填路基材料的差异性，不仅表现在岩石种类上，还表现在填料来源、级配组成及强度机理等方面。

（3） 在压实特性方面，土石混填路基与一般填土路基的差别也比较大，除填料中土、石种类及二者之间的含量不同外，其物理结构和力学特性在压实成型后也有所不同，因此与常见的填土路基相比有较大的差别[3]。

（4） 在施工工艺方面，土石混填路基与一般填土路基也有显著不同，普通填土路基施工主要的控制指标为层厚度与含水率，而土石混填路基在考虑这两者的前提下还要考虑填料的最大粒径、颗粒的强度以及碾压机械的性能等因素。

（5） 目前还没有一个更为贴近实测值的较为准确的最大干密度计算方法。

1.2土石混填路基材料的结构及强度形成

图1土石混填材料三种不同结构连接方式

土石混填路基材料是由石料、水、空气和土颗粒共同组成的一种较为复杂的多相体系[4]，其中矿物质骨架由粗颗粒形成。影响土石混填路基材料结构的主要因素有：粗颗粒形态特征（颗粒形状、颗粒级配、颗粒大小及颗粒表面风化程度等）；土的性质（最为重要的指标是含水率和塑性指数）；土和石质颗粒的相互作用。其中，土和石质颗粒的相互作用有三种表现形式：石质颗粒被土结合料分离，如图1（a）所示，该结构强度主要依赖于土的粘结力；混填材料中相邻石质颗粒间为附着结合，如图1（b）所示，该结构强度主要依靠土的粘聚力和粗颗粒的附着结合力；混填材料中石质颗粒间相互接触，如图1（c）所示，该结构强度主要靠粗颗粒的骨架嵌挤作用。

颗粒间的摩擦力、嵌挤锁结力和粗细颗粒间的粘聚力是土石混填路基材料强度形成的主要原因[5]。工程力学性质不同的颗粒和不同组成比例的颗粒间有类似于沥青混合料的三种结构类型：悬浮密实型结构、骨架密实型结构和骨架空隙型结构[6]。endprint

2粗颗粒含量及最大粒径对土石混填材料性质的影响

本文对图2所示级配的土石混填材料进行大型击实试验，其中试验的土样粗颗粒含量Pc分别为0%、10%、30%、50%、70%、90%，最大粒径分别为10、20、40、60、80 mm，具体试验结果如表1所示。

由图4可知，当土石混填材料中的粗颗粒含量Pc在10%～70%时，细颗粒的压实度可以达到66%～97%；当粗颗粒含量Pc在70%～90%时，细颗粒的压实度降低到34%～66%。通过分析上述数据可知，在Pc值较大时，细颗粒处于松散状态，这种情况下土石混填路基材料的抗渗透及抗冲刷能力较弱。因此，应避免将粗颗粒含量较大的土石混填材料运用于路基边坡处。

2.3对土石混填材料最佳含水率及细颗粒含水率的影响

由表1可绘制出如图5所示的土石混填材料中粗颗粒含量与最佳含水率的关系曲线，以及如图6所示的土石混填材料中粗颗粒含量与细颗粒含水率的关系曲线。

由图5可知，土石混填材料的最佳含水率随着粗颗粒含量Pc的增大而减小，同时在最大粒径不同的土石混填材料中，当粗颗粒含量Pc相同时，土石混填材料的最佳含水率几乎一样。由图6可知：当粗颗粒含量Pc<70%时，细颗粒含水率变化较小；当粗颗粒含量Pc>70%时，细颗粒含水率变化幅度较大，这时细粒土已变成软塑状态。

分别使用式（3）、（10）计算粗颗粒含量为10%、30%、50%、70%、90%条件下土石混填材料的最大干密度，并对理论计算值与实际测定值进行比较分析。当粗颗粒含量为10%时，不同理论计算方法所得密度与实际测定密度如图9所示。由图9可知，引用密度干涉系数和校正系数后的理论计算式式（10）较式（3）的计算结果更为接近实测值，且相对误差较传统计算方法减小了73%。由此可知，当粗颗粒含量为10%～90%时，式（10）的计算值更为贴近实测值。

4结语

本文通过对6种粗颗粒含量及5种最大粒径的30组土石混填材料进行室内大型击实试验，分析、比较其结果后，得出以下几点结论。

（1） 由粗颗粒含量与土石混填材料的最大干密

图9式（3）、式（10）计算结果及实测密度

度关系可知，在实际工程中，不宜采用细粒土的最大干密度替代土石混填材料的最大干密度，否则会降低路基的压实标准。

（2） 由粗颗粒含量与细颗粒的压实度关系可知，当粗颗粒含量较大时，细颗粒的压实度较低，处于松散状态，导致土石混填材料的抗渗透及抗冲刷能力较弱，所以应避免将粗颗粒含量较大的土石混填材料应用于路基边坡处。

（3） 在使用土石混填材料的最大理论干密度计算公式时，若考虑密度干涉系数及校正系数，其计算结果较传统方法更接近实测值，且相对误差减小了73%。当粗颗粒含量为10%～90%时，新方法具有更为广泛的适用性。

参考文献：

[1]冯忠居，张永清.粗粒土路基的压实试验[J]. 长安大学学报：自然科学版，2004，24（3）：912.

[2]王龙，马松林，徐德兴，等.土石混合料的结构分类[J].哈尔滨建筑大学学报，2000，33（6）：129132.

[3]蔡铭，岳祖润，叶朝良.粗颗粒土混合料最大干密度及压实度研究[J].石家庄铁道大学学报：自然科学版，2013，26（3）：103106.

[4]周志军.土石混填路基压实质量控制方法研究[D].西安：长安大学，2006.

[5]姜炜.土石混填路基压实质量的室内试验研究[D].西安：长安大学，2005.

[6]周志军，南浩林，张熠.土石混合料路用工程力学性质试验[J].长安大学学报：自然科学版，2007，27（5）：1115.

[责任编辑：谭忠华]endprint

2粗颗粒含量及最大粒径对土石混填材料性质的影响

本文对图2所示级配的土石混填材料进行大型击实试验，其中试验的土样粗颗粒含量Pc分别为0%、10%、30%、50%、70%、90%，最大粒径分别为10、20、40、60、80 mm，具体试验结果如表1所示。

由图4可知，当土石混填材料中的粗颗粒含量Pc在10%～70%时，细颗粒的压实度可以达到66%～97%；当粗颗粒含量Pc在70%～90%时，细颗粒的压实度降低到34%～66%。通过分析上述数据可知，在Pc值较大时，细颗粒处于松散状态，这种情况下土石混填路基材料的抗渗透及抗冲刷能力较弱。因此，应避免将粗颗粒含量较大的土石混填材料运用于路基边坡处。

2.3对土石混填材料最佳含水率及细颗粒含水率的影响

由表1可绘制出如图5所示的土石混填材料中粗颗粒含量与最佳含水率的关系曲线，以及如图6所示的土石混填材料中粗颗粒含量与细颗粒含水率的关系曲线。

由图5可知，土石混填材料的最佳含水率随着粗颗粒含量Pc的增大而减小，同时在最大粒径不同的土石混填材料中，当粗颗粒含量Pc相同时，土石混填材料的最佳含水率几乎一样。由图6可知：当粗颗粒含量Pc<70%时，细颗粒含水率变化较小；当粗颗粒含量Pc>70%时，细颗粒含水率变化幅度较大，这时细粒土已变成软塑状态。

分别使用式（3）、（10）计算粗颗粒含量为10%、30%、50%、70%、90%条件下土石混填材料的最大干密度，并对理论计算值与实际测定值进行比较分析。当粗颗粒含量为10%时，不同理论计算方法所得密度与实际测定密度如图9所示。由图9可知，引用密度干涉系数和校正系数后的理论计算式式（10）较式（3）的计算结果更为接近实测值，且相对误差较传统计算方法减小了73%。由此可知，当粗颗粒含量为10%～90%时，式（10）的计算值更为贴近实测值。

4结语

本文通过对6种粗颗粒含量及5种最大粒径的30组土石混填材料进行室内大型击实试验，分析、比较其结果后，得出以下几点结论。

（1） 由粗颗粒含量与土石混填材料的最大干密

图9式（3）、式（10）计算结果及实测密度

度关系可知，在实际工程中，不宜采用细粒土的最大干密度替代土石混填材料的最大干密度，否则会降低路基的压实标准。

（2） 由粗颗粒含量与细颗粒的压实度关系可知，当粗颗粒含量较大时，细颗粒的压实度较低，处于松散状态，导致土石混填材料的抗渗透及抗冲刷能力较弱，所以应避免将粗颗粒含量较大的土石混填材料应用于路基边坡处。

（3） 在使用土石混填材料的最大理论干密度计算公式时，若考虑密度干涉系数及校正系数，其计算结果较传统方法更接近实测值，且相对误差减小了73%。当粗颗粒含量为10%～90%时，新方法具有更为广泛的适用性。

参考文献：

[1]冯忠居，张永清.粗粒土路基的压实试验[J]. 长安大学学报：自然科学版，2004，24（3）：912.

[2]王龙，马松林，徐德兴，等.土石混合料的结构分类[J].哈尔滨建筑大学学报，2000，33（6）：129132.

[3]蔡铭，岳祖润，叶朝良.粗颗粒土混合料最大干密度及压实度研究[J].石家庄铁道大学学报：自然科学版，2013，26（3）：103106.

[4]周志军.土石混填路基压实质量控制方法研究[D].西安：长安大学，2006.

[5]姜炜.土石混填路基压实质量的室内试验研究[D].西安：长安大学，2005.

[6]周志军，南浩林，张熠.土石混合料路用工程力学性质试验[J].长安大学学报：自然科学版，2007，27（5）：1115.

[责任编辑：谭忠华]endprint

2粗颗粒含量及最大粒径对土石混填材料性质的影响

本文对图2所示级配的土石混填材料进行大型击实试验，其中试验的土样粗颗粒含量Pc分别为0%、10%、30%、50%、70%、90%，最大粒径分别为10、20、40、60、80 mm，具体试验结果如表1所示。

由图4可知，当土石混填材料中的粗颗粒含量Pc在10%～70%时，细颗粒的压实度可以达到66%～97%；当粗颗粒含量Pc在70%～90%时，细颗粒的压实度降低到34%～66%。通过分析上述数据可知，在Pc值较大时，细颗粒处于松散状态，这种情况下土石混填路基材料的抗渗透及抗冲刷能力较弱。因此，应避免将粗颗粒含量较大的土石混填材料运用于路基边坡处。

2.3对土石混填材料最佳含水率及细颗粒含水率的影响

由表1可绘制出如图5所示的土石混填材料中粗颗粒含量与最佳含水率的关系曲线，以及如图6所示的土石混填材料中粗颗粒含量与细颗粒含水率的关系曲线。

由图5可知，土石混填材料的最佳含水率随着粗颗粒含量Pc的增大而减小，同时在最大粒径不同的土石混填材料中，当粗颗粒含量Pc相同时，土石混填材料的最佳含水率几乎一样。由图6可知：当粗颗粒含量Pc<70%时，细颗粒含水率变化较小；当粗颗粒含量Pc>70%时，细颗粒含水率变化幅度较大，这时细粒土已变成软塑状态。

分别使用式（3）、（10）计算粗颗粒含量为10%、30%、50%、70%、90%条件下土石混填材料的最大干密度，并对理论计算值与实际测定值进行比较分析。当粗颗粒含量为10%时，不同理论计算方法所得密度与实际测定密度如图9所示。由图9可知，引用密度干涉系数和校正系数后的理论计算式式（10）较式（3）的计算结果更为接近实测值，且相对误差较传统计算方法减小了73%。由此可知，当粗颗粒含量为10%～90%时，式（10）的计算值更为贴近实测值。

4结语

本文通过对6种粗颗粒含量及5种最大粒径的30组土石混填材料进行室内大型击实试验，分析、比较其结果后，得出以下几点结论。

（1） 由粗颗粒含量与土石混填材料的最大干密

图9式（3）、式（10）计算结果及实测密度

度关系可知，在实际工程中，不宜采用细粒土的最大干密度替代土石混填材料的最大干密度，否则会降低路基的压实标准。

（2） 由粗颗粒含量与细颗粒的压实度关系可知，当粗颗粒含量较大时，细颗粒的压实度较低，处于松散状态，导致土石混填材料的抗渗透及抗冲刷能力较弱，所以应避免将粗颗粒含量较大的土石混填材料应用于路基边坡处。

（3） 在使用土石混填材料的最大理论干密度计算公式时，若考虑密度干涉系数及校正系数，其计算结果较传统方法更接近实测值，且相对误差减小了73%。当粗颗粒含量为10%～90%时，新方法具有更为广泛的适用性。

参考文献：

[1]冯忠居，张永清.粗粒土路基的压实试验[J]. 长安大学学报：自然科学版，2004，24（3）：912.

[2]王龙，马松林，徐德兴，等.土石混合料的结构分类[J].哈尔滨建筑大学学报，2000，33（6）：129132.

[3]蔡铭，岳祖润，叶朝良.粗颗粒土混合料最大干密度及压实度研究[J].石家庄铁道大学学报：自然科学版，2013，26（3）：103106.

[4]周志军.土石混填路基压实质量控制方法研究[D].西安：长安大学，2006.

[5]姜炜.土石混填路基压实质量的室内试验研究[D].西安：长安大学，2005.

[6]周志军，南浩林，张熠.土石混合料路用工程力学性质试验[J].长安大学学报：自然科学版，2007，27（5）：1115.

[责任编辑：谭忠华]endprint