无黏性粗颗粒填料的振动击实试验研究

彭文件　刘　群

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵州　550081)

无黏性粗颗粒填料的振动击实试验研究

彭文件刘群

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵州550081)

摘要根据试验规范和国内外研究成果，对高速铁路高填路基无黏性粗颗粒填料进行振动击实试验研究。结果表明，无黏性粗颗粒填料的振动击实试验曲线呈波浪形，即随含水率的增大，干密度先减小后增大；在干燥状态或饱和含水状态时干密度较大，最大干密度为2.24 g/cm3；建议在施工中采用干燥状态或饱和含水状态的无黏性粗颗粒填料来增加压实效果。

关键词无黏性粗颗粒高速铁路振动击实试验最大干密度

美国、澳大利亚、加拿大和日本对于无黏性粗颗粒和巨颗粒土(小于0.075mm的颗粒含量不大于15%)，采用振动台法获得最大干密度；英国和瑞典等欧洲国家采用表面振动压实试验；德国和法国采用普氏击实试验[1]。对无黏性粗颗粒土的击实试验，我国水电系统沿用ATSM标准振动台法，公路行业则规定对粗颗粒和巨颗粒土采用振动台法和表面振动压实法来得到最大干密度；在铁路行业，原铁路土工试验规程采用标准击实法，新实施的TB10102-2010铁路土工试验规程[2]及水利和公路规范对击实方法进行了修改，采用表面振动压实试验来确定最大干密度。本文以沪昆客运专线DK369+015～DK371+417高填路堤中的砂质板岩无黏性粗颗粒填料为研究对象，采用表面振动压实试验来确定其最大干密度。

1筛分试验

粗粒土试验土样直接从路基填筑现场取样，由于料场出产的填料粒径不大于60mm，采用剔除法对极少数超大粒径的填料进行人工剔除，控制粗粒土试样最大粒径为60mm。将取回来的全部土样摊平置于橡皮板上，用木锤把粗颗粒表面上的细粒土锤散，锤击时不应破坏土的天然颗粒，再经日晒风干成自然态。用四分对角线法按《铁路工程土工试验规程》(TB10102-2010)表7.2.2的规定，取不少于5kg的代表性风干试样，用筛分机进行颗粒分析试验。平行进行3次筛分试验，试验结果见表1。

表1　粗粒土颗粒组成

将筛分试验结果绘制成粗粒土填料的级配曲线，见图1。

图1　砂质板岩粗粒土级配曲线

由图1可见，粗粒土颗粒分布均匀，不均匀系数Cu>10，曲率系数Cc在1～3之间，大于5 mm的颗粒含量占到80%左右，是优良的粗颗粒填料。

2表面振动压实试验

根据《铁路工程土工试验规程(TB10102-2010)》相关规定，采用表面振动压实试验(试验装置见图2)测定粗粒土的最大干密度和最优含水率。表面振动压实法的振动原理是粗粒土料在振动冲击过程中，土颗粒之间的摩擦力由初始的静止状态进入动摩擦状态，同时颗粒重新排列，细颗粒与粗颗粒相互填充，与现场压路机碾压的原理相似，且能使填料颗粒更好地分布，达到更大的压实度。因此从原理上来说，表面振动压实试验法与现场压实条件更加符合。

图2　表面振动压实试验装置

2.1表面振动压实试验参数

振动机功率：1.1kW；振动频率：47.5～50Hz；激振力：80kN。

试筒尺寸：体积14 200cm3，内径280 mm，试筒高度300 mm，套筒高度250 mm。

振动时间：6～8min。

土样最大粒径：60mm。

表面振动压实仪击实筒直径280mm，是最大粒径的4倍以上，满足尺寸效应的粒径要求。

2.2试验步骤

(1) 按选用击实筒(内径为d)取6份风干态试样，每份质量为35～40kg，称量并记录空试筒质量。

(2) 分别加水达到所要求的不同含水率，将土样和水充分拌匀，并焖料24h直到水分均匀分布。

(3) 每一组试样分3份，第一份装填完后土样高度宜为击实筒高的1/3，装上套筒进行振动压实试验。

(4) 振动密实后卸下套筒，循环装填第二份、第三份。

(5) 试验完成后称重击实筒和试样总质量m1，并测量试样总高度h1，按照式(1)、式(2)计算土样密度。

湿密度=湿土质量/体积=(m1-m0)/πd2h1

(1)

干密度= 湿土质量/(1+含水率)=

(m1-m0)/πd2h1(1+ω1)

(2)

2.3试验结果

按照规范要求，平行进行了3组表面振动压实试验，得到粗粒土填料含水率与密度的关系，见表2。

表2　粗颗粒填料含水率与密度关系

由表2可见，砂质板岩粗粒土填料在干燥态与饱和含水状态时干密度较大，最大干密度为2.21g/cm3，表面振动击实试验结果见图3。

图3　表面振动压实试验曲线

由图3可见：当含水率接近0时，干密度较大，稍增大含水率，干密度反而减小，直至曲线上出现干密度值最小的谷点；但在此点之后，干密度又随含水率的增大而增大，曲线出现双峰值，这是无黏性粗颗粒填料独有的特征。郭庆国[3]等早在碧口砂砾石、大伙房砂砾石中发现同样的现象。

究其原因主要是无黏性粗颗粒填料颗粒较粗，且颗粒间粘结力趋于0，当含水率很小时，在外力作用下大小颗粒之间易于相互充填，形成较高的密度；当稍增加含水率后，在颗粒表面形成一层薄膜水，增大了分子引力，颗粒间形成似粘结力，在外力作用下，颗粒移动不但要克服摩阻力，还要克服由水分子形成的似粘结力，因而不易压实，干密度较小；以后随着含水率的增大，水膜增厚，水分子引力逐渐减小，以至消失，同时还在颗粒间起润滑作用，减小摩阻力，颗粒在外力作用下易于移动和相互填充，可达到较高的密度值。无黏性粗颗粒填料因自身颗粒粗，透水性强，具有自由排水能力，压实中孔隙水被挤压出来，孔隙减小而逐渐密实，它的最优含水率相当于全部孔隙被水填充的饱和含水量[4]。

收稿日期：2014-10-05

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.045