颗粒级配对无粘性土压实性的影响分析*

高成雷　严战友　李建军　王丙兴　张孟强

(石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室1)　石家庄　050043)

(河北省高速公路张承张家口管理处2)　张家口　076350)　(河北省高速公路邢汾管理处3)　邢台　054001)

(河北省高速公路张承承德段筹建处4)　承德　067000)



颗粒级配对无粘性土压实性的影响分析*

高成雷1)严战友1)李建军2)王丙兴3)张孟强4)

(石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室1)石家庄050043)

(河北省高速公路张承张家口管理处2)张家口076350)(河北省高速公路邢汾管理处3)邢台054001)

(河北省高速公路张承承德段筹建处4)承德067000)

摘要：为了揭示颗粒级配对无粘性土压实性的影响规律和机制，开展了不同颗粒级配无粘性土的表面振动压实试验，并对无粘性土的结构类型进行了分析.试验颗粒级配的确定以山区公路巨粒土填料为原型，考虑了块石、碎石、粗砾、中细砾等粒组的不同相对含量，并采用相似级配法进行缩尺.试验结果表明，颗粒级配不均匀的巨粒夹土或巨粒质土的压实性总体较好.无粘性土结构主要决定于颗粒级配的连续性，并可分为骨架孔隙结构、骨架虚填结构和悬浮骨架结构3种类型.颗粒级配对无粘性土压实性的影响机制可以概括为不同大小颗粒的相互填充效应，大颗粒的悬浮效应和小颗粒的虚填效应，上述效应均有利于提高无粘性土的最大干密度.无粘性土路基压实质量控制标准应考虑颗粒级配对压实性的影响，不宜采用统一的孔隙率.研究成果深化了对无粘性土结构的认识，并为无粘性土路基压实质量控制提供了技术依据.

关键词：道路工程；压实性；室内试验；无粘性土；颗粒级配；土的结构

0引言

出于经济和环保需要，山区公路大量使用隧道或路堑挖方石碴作为路基填料.这种类型填料具有土石混合、含石量高、大粒径多的显著特点，通常属于巨粒土的范畴[1].根据填料中石料含量的不同，公路巨粒土路基分为填石路堤和土石路堤两种类型[2-3].公路部门从20世纪90年代开始进行填石路堤的试验和研究，并取得很多宝贵的经验.基于相关研究成果和工程经验，并借鉴文献[4]提出了用孔隙率作为质量控制指标的压实质量标准，现行文献[2]继续沿用了这一指标和标准.对于土石路堤的压实质量控制，文献[2]仍未单独提出明确要求，文献[3]则规定以最大干密度作为试验路的压实度标准.

根据土力学的基本原理可知，干密度和孔隙率虽然可以用于评价土的密实程度，却无法考虑颗粒级配的影响.铁路行业也曾经采用孔隙率作为碎石、砾石、砂等粗粒土填料的压实质量控制指标[5]，但是相关研究成果和工程经验表明，颗粒级配对粗粒土的压实性具有显著影响，采用统一的孔隙率作为压实质量控制标准并不适用[6-8]，并且文献[9]已经取消了孔隙率指标，规定统一采用压实系数作为路基压实质量控制的物理指标.

其他学者通过室内试验或数值仿真等手段也开展了相关研究，均指出颗粒级配对土的压实特性具有重要影响[10-14].李晓柱等[15-16]从细观层面模拟了不同颗粒级配土的压实特性，文献[10-12]从土的结构角度分析了颗粒级配对压实性的影响，王仲锦等[17]还基于颗粒级配对铁路路基填料分类进行了细化和调整.上述研究成果已经能够证明评价土的密实程度和路基压实质量应考虑颗粒级配的影响，但是相关研究主要基于砾石类土等粗粒土的颗粒级配特征，以含石量反映土中粗粒与细粒的相对含量，而且未全面、细致考虑颗粒级配的变化，导致颗粒级配的代表性不足，因此虽然反映出颗粒级配对土的压实性存在影响，但是获得的相关影响规律尚不够深入.

为了进一步揭示颗粒级配对土的压实性的影响机制和规律，同时考虑到不同行业对于以统一孔隙率作为压实质量控制标准尚有不同认识，以山区公路巨粒土路基填料为原型材料，仔细考虑了其中块石、碎石、粗砾、中细砾等粒组的不同相对含量，采用相似级配法进行缩尺后，开展了典型颗粒级配条件下的表面振动压实试验.通过试验结果的比较以及土的结构类型的分析，揭示了颗粒级配对巨粒土等无粘性土压实特性的影响机制和规律，并对巨粒土路基压实质量控制指标和标准提出了建议.

1试验方案

1.1试验级配

原型试验级配总计12种，根据文献[1]分别予以命名.各试验级配对应的粒组构成情况及相关参数见表1.限于篇幅，块石、碎石、粗砾、中细砾等粒组的具体颗粒构成情况未列出.

表1　原型料试验级配

注：粒组界限粒径单位为cm;特征粒径单位为mm;粒组含量单位为%.

1.2试验方法

考虑到山区公路巨粒土路基目前通常采用振动碾压、冲击碾压、强夯等动力压实方法，压实功的作用自上而下，同时相关研究成果指出重型击实试验由于颗粒破碎效应较强，会明显改变试验材料的颗粒级配，因此确定采用表面振动压实试验，从而最大限度真实反映颗粒级配对土的压实特性的影响.

试验土料采用岩性坚硬且整体性好的石灰岩砂砾石.具体操作过程严格执行文献[1]的相关规定.

2数据分析

2.1表面振动压实特性

表面振动压实试验结果见表2，并将最大干密度从大到小进行排序.由表2可知，巨粒土的颗粒构成情况对其压实性的影响具有如下特点.

1) 就第一层次分类而言，巨粒夹土压实性较好，巨粒质土压实性居中，纯巨粒土压实性较差.

表2　最大干密度　g/cm3

注：括号内数字为排序.

2) 就第二层次分类而言，纯巨粒土的压实性首先决定于巨粒组的颗粒构成，其次才决定于砾粒组的颗粒构成.

3) 巨粒夹土的压实性较好(前4位占3)；而无论巨粒组含量如何，巨粒以碎石为主且砾粒以粗砾为主时压实性较差(后3位).

综合上述情况可知，颗粒级配对巨粒土压实性的影响规律较为明显，但比较复杂.总体而言，巨粒夹土和巨粒质土的压实性较好，但应避免碎石和粗砾的总含量过高.

结合表1中的不均匀系数进一步分析可知，就第一层次分类而言，经计算巨粒夹土的不均匀系数平均值最大，为28.35；巨粒质土次之，为9.35；纯巨粒土最小，为8.63，其次序与最大干密度平均值的情况一致.就第二层次分类而言，对于纯巨粒土和巨粒夹土，当巨粒组含量确定时，不均匀系数大的颗粒级配具有更大的最大干密度；对于巨粒质土，上述关系同样成立，即便对于不均匀系数相同的颗粒级配(9#和10#，11#和12#)，颗粒级配不均匀性对最大干密度的影响依然通过巨粒组的颗粒构成差异得以体现，例如块石质粗砾的最大干密度较碎石质粗砾更大.

但是应注意到两点：(1)巨粒土的不均匀系数与其最大干密度之间并不具有绝对的正相关关系；(2)当巨粒组含量低于40%时，不均匀系数无法反映巨粒组颗粒构成对最大干密度的影响.上述情况综合表明，巨粒土的颗粒级配不均匀时压实性相对更好，但是与不均匀系数之间并不具有必然的联系.

结合表1中的曲率系数进一步分析可知，颗粒级配对应的最大干密度较大时，其曲率系数大多并不位于1～3之间，例如,5#,7#,11#；与之相反，颗粒级配对应的最大干密度较小时，其曲率系数大多位于1～3之间，例如,4#,6#,10#.由此可知，对于巨粒土填料，如果以最大干密度作为评价指标，传统定义的级配良好的条件并不能保证其具有良好的压实性，填料遴选时对于级配参数的合理控制尚有待进一步总结经验和深入研究.基于上述分析，同时参考文献[17]的相关成果，建议对巨粒土填料的级配要求应以不均匀系数为主，控制标准可初步确定为Cu≥10.

2.2颗粒级配影响机制

2.2.1无粘性土的结构类型

颗粒级配影响土的压实特性，其根本原因在于土的结构差异[10-12].

土的颗粒级配差异主要表现为不均匀性和连续性，以及土颗粒的总体粒径大小等3个方面，因此其对于无粘性土结构的影响，可以概括为以下3种典型情况.

1) 无粘性土单粒结构的基本类型首先表现为骨架孔隙结构，其结构特征见图1a),b).这种结构类型对应的级配特征为连续级配，土的结构表现为全部土颗粒均参与构成土骨架，大颗粒之间的孔隙由小颗粒填充.

2) 在骨架孔隙结构的基础上，由于颗粒级配不连续，可演变出另外两种结构类型.颗粒级配不连续表明土颗粒总体上可区分为大颗粒和小颗粒两部分，粒径介于大、小颗粒之间的中颗粒缺失.当不连续级配土以大颗粒为主时，土骨架主要由大颗粒构成，部分小颗粒并未参与构成土骨架，只是虚填于骨架的孔隙中，因此这种结构类型可以定义为骨架虚填结构，其结构特征见图1c).

3) 当不连续级配土以小颗粒为主时，土骨架由大、小颗粒共同构成，但是大颗粒之间彼此脱离，因此这种结构类型可以定义为悬浮骨架结构，其结构特征见图1d).

图1　无粘性土结构类型示意图

基于上述结构类型划分可知，无粘性土结构的差异主要在于构成土骨架的主体颗粒的粒径并且与颗粒级配特征相关.如果土骨架由全部颗粒参与构成，颗粒粒径连续变化，无法区分构成土骨架的主体颗粒粒径，则为骨架孔隙结构，并与连续级配相对应.如果土骨架主要由大颗粒参与构成，土颗粒中粒径最小的一部分并未参与构成土骨架，只是虚填于土骨架的孔隙之中，则为骨架虚填结构，并与以大颗粒为主的不连续级配相对应.如果土骨架主要由小颗粒参与构成，土颗粒中粒径最大的一部分虽然也参与构成土骨架，但彼此之间相互脱离孤立存在，则为悬浮骨架结构，并与以小颗粒为主的不连续级配相对应.

上述分析表明无粘性土的结构类型主要决定于颗粒级配的连续性.颗粒级配的不均匀性对上述结构的影响主要在于不同大小颗粒相互填充的连续程度.见图1a)、b)，不均匀的土其颗粒相互填充程度更高，并且表现为孔隙尺寸相对于大颗粒的粒径更小.土颗粒粒径对上述结构的影响主要表现为孔隙尺寸的绝对大小.土颗粒的总体粒径越大，孔隙尺寸相应越大.

对于连续级配土，随着土中大、小颗粒的同步减少，中间粒径颗粒的相对增多，颗粒级配在保持连续的基础上由不均匀过渡到均匀，土的结构虽然仍为骨架孔隙结构，但是孔隙尺寸增大.与之相反，同样对于连续级配土，随着土中大、小颗粒的同步增多，中间粒径颗粒的相对缺失，颗粒级配由连续过渡到不连续，土的结构则由骨架孔隙结构转化为骨架虚填结构(大颗粒为主)或悬浮骨架结构(小颗粒为主)，其临界状态可分别界定为小颗粒出现虚填或大颗粒出现脱离.对于不连续级配土，随着土中大、小颗粒含量的此消彼长变化，土的结构也会在骨架虚填结构与悬浮骨架结构之间发生转化，其临界状态可界定为大颗粒之间孔隙刚好被小颗粒充填但彼此又不脱离的特定状态.

2.2.2无粘性土结构与压实性的关系

关于土的结构对压实性影响，文献[10,12]等研究成果有所涉及，但是由于相关分析对于土的结构类型划分仅以含石量为依据，并未仔细考虑土的颗粒级配特征，因此得到的规律具有一定局限性.而基于前述无粘性土结构类型的划分，及其与颗粒级配之间的相关性分析，即可诠释表2中试验数据所反映出的不同颗粒级配巨粒土的压实特性差异.

基于前述分析可知，土具有良好压实性的关键在于颗粒级配不均匀且连续，即通过不同大小颗粒的相互填充效应，使大颗粒之间的孔隙由小颗粒予以填充，并且这种填充效应的连续程度越高，土的压实性越好.见图1a),b)，同为骨架孔隙结构，图1b)所示的颗粒填充效应为四级，其填充效果明显优于图1a)所示的两级颗粒填充效应.当颗粒级配不连续时，则土的压实性首先由构成土骨架颗粒的相互填充效应决定，而大颗粒的悬浮效应和小颗粒的虚填效应均在此基础上有利于进一步提高压实性.由此可知，土的压实性是上述3种效应共同作用的综合表现.

对于试验级配条件下的巨粒土，巨粒相对于粗粒，巨粒为大，粗粒为小；块石相对于碎石，块石为大，碎石为小；粗砾相对于中细砾，粗砾为大，中细砾为小；总体比较，则块石为大，碎石和粗砾为中，中细砾为小.就颗粒级配的第一层次分类而言，巨粒夹土以巨粒为主而粗粒也较多，既存在以碎石和粗砾为基础的颗粒相互填充效应，又存在块石的悬浮效应和中细砾的虚填效应，因此最大干密度的平均值最大，其结构类型总体应为骨架虚填结构.巨粒质土以粗粒为主而巨粒也较多，主要存在以粗砾和中细砾为基础的颗粒相互填充效应，以及块石和碎石的悬浮效应，虚填效应较弱，因此最大干密度的平均值居中，其结构类型总体应为悬浮骨架结构.纯巨粒土以巨粒占绝对优势而粗粒较少，主要存在以块石和碎石为基础的颗粒相互填充效应，虚填效应较弱，且不存在悬浮效应，因此最大干密度的平均值最小，其结构类型总体应为骨架孔隙结构.

就颗粒级配的第二层次分类而言，当巨粒组含量确定时，如果巨粒以块石为主而粗粒以中细砾为主，意味着颗粒级配最不均匀，有利于上述3种效应的发挥，因此这种级配特征的巨粒土的最大干密度均最大.与之相反，如果巨粒以碎石为主而粗粒以粗砾为主，意味着颗粒级配最均匀，不利于上述三种效应的发挥，因此这种级配特征的巨粒土的最大干密度均最小.

此外，对于巨粒夹土或巨粒质土，当巨粒组含量确定时，无论巨粒的大小如何，粗粒以中细砾为主较以粗砾为主时，最大干密度相对更大，说明颗粒相互填充效应和小颗粒的虚填效应在起主要作用，而大颗粒的悬浮效应较弱；即便如此，块石的悬浮效应优于碎石仍然在巨粒夹土或巨粒质土的最大干密度数据中得以体现，当粗粒组的颗粒构成确定时，巨粒以块石为主较以碎石为主具有相对更大的最大干密度.而对于纯巨粒土，当巨粒组含量确定时，无论粗粒的大小如何，巨粒以块石为主较以碎石为主时，最大干密度相对更大，说明颗粒相互填充效应和大颗粒的悬浮效应在起主要作用，而小颗粒的虚填效应较弱；即便如此，中细砾的虚填效应优于粗砾仍然在纯巨粒土的最大干密度数据中得以体现，当巨粒组的颗粒构成确定时，粗粒以中细砾为主较以粗砾为主具有相对更大的最大干密度.

2.3压实质量控制标准

采用虹吸筒法测定试验土样的土颗粒相对密度(2.66)，换算得到了试验级配条件下土样压实度分别为94%和93%时所对应的孔隙率，见表3.

由表3可见，对于以硬质石料为主的纯巨粒土，就通常按照94%压实度控制的上路堤而言，试验级配条件下的孔隙率均达不到控制标准，表明≤23%的控制标准可能偏高；就通常按照93%压实度控制的下路堤而言，巨粒以块石为主时孔隙率均达到控制标准，而巨粒以碎石为主时孔隙率均达不到控制标准，考虑到纯巨粒土填料通常以块石为主，可以认为≤25%的控制标准较为合适.

表3　孔隙率

注：孔隙率单位为%.

对于以中硬石料为主的巨粒夹土，就上路堤而言，粗粒以中细砾为主时孔隙率均达到控制标准，表明≤22%的控制标准较为合适，而粗粒以粗砾为主时孔隙率均达不到控制标准，表明≤22%的控制标准可能偏高；就下路堤而言，除了巨粒以碎石为主且粗粒以粗砾为主的情况以外，其他三种级配条件下的孔隙率均达到控制标准，表明≤24%的控制标准较为合适.但是值得注意的是，当巨粒以块石为主且粗粒以中细砾为主时，其孔隙率均远小于对应的控制标准，表明现行控制标准对于这种类型的巨粒夹土又可能偏低，这种现象对于软硬岩混杂的巨粒土填料应予以重视.

对于以软质石料为主的巨粒质土，就上路堤而言，试验级配条件下的孔隙率均达不到控制标准，表明≤20%的控制标准可能偏高；就下路堤而言，试验级配条件下的孔隙率同样均达不到控制标准，表明≤22%的控制标准也可能偏高.

基于上述比较分析可知，文献[2]关于填石路堤压实质量控制标准的规定，相当于仅粗略考虑了母岩性质对巨粒土填料颗粒级配的影响，并分别采用了不同的控制标准，但是对于变异性显著的巨粒土填料可能适用，也可能偏高或者偏低，因此其适用性与合理性有待进一步验证.由于试验级配忽略了砂以下颗粒，因此对于上述孔隙率的比较可能会带来一定影响，但是可以确定的是，更为合理的控制标准应充分考虑颗粒级配对无粘性土压实性的显著影响，而以统一孔隙率作为无粘性土路基压实质量控制标准具有理论意义上的明显不足.

3结论

1) 颗粒级配对无粘性土压实性的影响规律较为明显，但比较复杂.就巨粒土而言，如果以最大干密度作为评价指标，颗粒级配不均匀的巨粒夹土或巨粒质土的压实性总体较好.

2) 无粘性土结构可细分为骨架孔隙结构、骨架虚填结构和悬浮骨架结构3种类型.颗粒级配的连续性主要影响结构类型，不均匀性主要影响孔隙尺寸相对大颗粒的大小，土颗粒总体粒径大小主要影响孔隙尺寸的绝对大小.

3) 颗粒级配对无粘性土压实性的影响机制可以概括为不同大小颗粒的相互填充效应，大颗粒的悬浮效应和小颗粒的虚填效应，这三种效应均有利于提高无粘性土的最大干密度，土的压实性是上述效应共同作用的综合表现.

4) 无粘性土路基可以采用孔隙率作为压实质量控制指标，但是控制标准应充分考虑颗粒级配对无粘性土压实性的显著影响，不宜采用统一的孔隙率.

最后有必要指出，试验结果是试验用粗粒土样压实特性的真实反映，因此相关分析更适用于粗粒土；但是由于采用相似级配法进行缩尺未改变颗粒级配中不同大小颗粒的相对含量，因此并不影响基于试验数据定性分析颗粒级配对巨粒土压实性的影响规律和机制.鉴于巨粒土的颗粒级配极其复杂，相关分析和结论以有限试验为基础，因此尚需进一步验证或完善.

参 考 文 献

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[3]交通部公路科学研究院.公路路基施工技术规范:JTG F10-2006[S].北京：人民交通出版社，2015.

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Effect of Grain Size Distribution on Compaction Property of Cohesionless Soil

GAO Chenglei1)YAN Zhanyou1)LI Jianjun2)WANG Bingxing3)ZHANG Mengqiang4)

(KeyLaboratoryofRoadandRailwayEngineeringSafetyControlofMinistryofEducation,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,China)1)

(ZhangchengExpresswayManagementDepartmentofHebeiProvince,Zhangjiakou076350,China)2)(XingfenExpresswayManagementDepartmentofHebeiProvince,Xingtai054001,China)3)

(ChengzhangExpresswayConstructionDepartmentofHebeiProvince,Chengde067000,China)4)

Abstract：To reveal the principle and mechanism of grain size distribution on compaction property of cohesionless soil, a series of surface vibration compaction tests are carried out for cohesionless soils with various grain size distributions, and the structure types of cohesionless soil are analyzed. With similar grading method, the grain size distributions applied for tests are determined by scaling the over-coarse-grained soils used as mountain highway subgrade materials. The original grain size distributions of over-coarse-grained soils reflect the differences among proportional relationships of grain size groups composed of block stones, crushed stones, coarse gravels and medium-to-fine gravels. The test results indicate that the inhomogeneous over-coarse-grained soils in which the content of over coarse grains is less than 75% are generally of favorable compaction property. The structures of cohesionless soil mainly depend on the continuity of grain size distribution, and can be divided into three types such as skeleton-void structure, skeleton-filling structure and suspending-skeleton structure. The mechanism of grain size distribution on compaction property of cohesionless soil can be summarized as the mutually-filling effect of soil grains with various sizes, the suspending effect of large grains and the filling effect of small grains. These effects all can raise the maximum dry density of cohesionless soil. The compaction control criterion of cohesionless soil subgrade should consider the effect of grain size distribution on compaction property and should not adopt a uniform porosity. The research findings deepen the knowledge on cohesionless soil structure, and provide the technical foundation for compaction control of cohesionless soil subgrade.

Key words：road engineering; compaction property; laboratory test; cohesionless soil; grain size distribution; soil structure

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.006

中图法分类号：U416

收稿日期：2016-02-14

高成雷(1973- )：男，工学博士，教授，主要研究领域为道路工程与岩土工程

*交通运输部建设科技项目(2013318J07210)、河北省交通运输厅科技计划项目(Y-2010025-2)、河北省重点学科岩土工程建设项目资助