细粒含量对细砂土击实特性的影响试验研究

刘亚坤，罗 强，金发良，吴 鹏，张 猛

(1.西南交通大学 土木工程学院,四川 成都 610031;2.沈阳铁道勘察设计院有限公司,辽宁 沈阳 110013;3.中铁隧道勘察设计研究院有限公司,广东 广州 511455)

我国有丰富的砂土资源。西北部新疆、甘肃、青海等地中的半干旱、干旱和极端干旱地区广泛分布沙漠风积沙[1-5];东部长江、黄河以及辽河等河流流域内蕴藏大量湖相、河相及海相沉积细砂[6-10]。细砂土作为一种特殊的岩土材料，在区域性多砂地区的路基工程中较常用。在20世纪90年代初期修建塔卡拉玛干沙漠公路时，利用风积沙的干压实特性和沙漠干旱的自然条件，采用振动干压实工法修筑路基[1]取得了巨大的成功。2007年上海长江隧桥工程崇明线接线工程中[7],利用长江口细砂多峰压实特性放宽含水率，取得了良好的压实效果。细砂土的压实特性对路基施工方式和施工质量影响显著，其压实特性与黏性土有着显著差别，查明细砂土的压实特性对工程建设具有指导意义。

细砂土填料是由粒径单一的无黏性粗颗粒砂骨架和细粒土(粉黏粒)共同组成的混合料，压实特性受二者的共同影响。因此，随着细粒含量的增加，细砂土填料可能表现出不同的压实特性。金昌宁等[3，11]对塔克拉玛干沙漠风积沙进行重型击实试验后发现，细粒含量低的天然风积沙表现出具有明显的干压实特征的下凹形”√”状击实曲线;粉黏粒含量小于等于40%时，掺配粉黏粒的沙漠风积沙具有较明显的干压实特性；粉黏粒含量大于等于60%时，掺配粉黏粒的沙漠风积沙具有明显的黏性土击实特性，最佳含水率特征明显。张浩等[5]对毛乌素地区细粒含量小于5%的风积沙进行标准击实试验，得到先下降后上升的下凹形曲线(含水率小于12%)。张宏等[7]对细粒含量小于5%的长江口细砂进行了击实试验，发现长江口细砂的击实曲线与一般黏性土的上凸型单峰曲线具有较大差异，轻型击实曲线表现出含水率为0时干密度最大，随含水率增大出现先下降再上升后趋于平缓的下凹形走向；重型击实曲线则表现出波动的多峰线形，最大干密度对应的含水率变化范围较大。谭鹏等[8]对滨海细砂进行重型击实试验，发现细粒含量为3.2%和3.9%的滨海细砂击实曲线呈现双峰或多峰特征，干密度随含水率的变化幅度较小。李志勇等[9]对细粒含量为9.1%的天然沙漠风积沙进行标准重型击实试验，发现沙漠风积沙的击实曲线呈“∽”形走向；马少海[10]对滹沱河含土细砂进行重型击实试验也得到了“∽”形击实曲线。Yuan等[12]对细粒含量达到32%的黄河砂性土进行了重型击实试验，到了类似细粒土的单峰击实曲线。上述研究表明细砂土的击实特性受细粒含量影响而并非单一类型，但细粒含量对细砂土击实特性的影响规律尚不明晰。

为进一步研究细粒含量对细砂土击实特性的影响，本文对取自辽河流域海相沉积细砂进行重型击实试验，揭示细粒含量对细砂土击实特性的影响规律，提出基于击实特性类别的砂土分类标准建议。为细砂土填料在路基工程中的应用提供参考。

1 细砂基本性质

1.1 细砂矿物化学成分

试验所用细砂取自下辽河平原火渤铁路旁的云柳村，为天然形成的海相沉积细砂。对细砂样本进行X光衍射，得到其矿物成分为石英(SiO2，69.9%)、钾长石(K2OAl2O36SiO2，13.7%)、钠长石(NaAISi3O8，13.1%)以及少(微)量的斯石英(0.6%)、闪石(0.5%)、绿泥石(0.3%)，不定型成分占1.9%。

1.2 细砂物理性质

对细砂进行室内筛分试验，结果见表1。可知，天然细砂的颗粒粒径大多数都在0.075～0.500 mm，其含量超过97%，几乎不含大于0.500 mm的颗粒，粒径小于0.075 mm的细粒含量仅占2.1%，不均匀系数Cu为3.52，曲率系数Cc为0.86，颗粒粒径小且单一，为级配不良细砂。对细砂进行相对密度试验，其最大干密度为1.79 g/cm3，最小干密度为1.37 g/cm3。

表1 天然细砂筛分试验结果

2 细砂土击实试验

2.1 试样制备及特性

由室内干筛试验所得细砂中的细粒含量仅为2.1%，按目标细粒含量分别为8%,15%,25%和35%对细砂进行质量掺配。所掺配细粒土的物理性质指标见表2，可知掺配细粒土属于低液限粉土[11]。

表2 掺配细粒土物理性质指标

图1是标准重型击实试验得到的掺配细粒土击实曲线，可知掺配细粒土的最大干密度约1.78 g/cm3，最优含水率约为14.2%。

将细砂过0.075 mm筛，得到细粒含量接近0的试样S1。表3列出了细粒含量不同的细砂土试样编号及其颗粒密度。

因细颗粒易吸附于细砂颗粒上，单靠摇震干筛难以完全将细颗粒与细砂颗粒分离，若以此为依据无法准确掌握细砂土试样的细粒含量。试样配制完成后，利用水筛法和密度计法进行颗粒分析，试验数据见图2。

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图1 掺配细粒土击实曲线

试样编号目标细粒含量/%颗粒密度/(g/cm3)S102.62S22.12.63S38.02.64S415.02.64S525.02.65S635.02.67

图2 细砂土试样级配曲线

由图2可知，各组试样最大粒径都在1～2 mm，粒径大于0.50 mm的颗粒极少，小于0.25 mm颗粒含量超过50%。其中，试样S2的粒径基本小于0.50 mm，中间粒径d50略低于0.25 mm，细粒含量未超过5%，Cu<5，Cc=0.86,粒径单一，级配较差。试样S1在试样S2的基础上通过筛分去掉了一部分黏粒，级配更差。从试样S3～S6的级配曲线可以看出，所掺配粉土的粒径大量集中在0.065～0.075 mm和0.009～0.022 mm粒径区间内，其含量超过细粒土总量的95%，粒径小于0.005 mm以下的颗粒几乎没有，所掺配的细粒土组成全是粉粒，不含黏粒。试样S1,S2均为级配不良细砂，试样S3为级配不良含土细砂，试样S4为级配不良细粒土质细砂，试样S5,S6均为级配良好的细粒土质细砂，掺配细粒土改良了细砂的天然级配。

根据试验结果得到细砂土试样的不均匀系数和曲率系数，其工程分类见表4。

表4 细砂土试样级配状况及工程分类

注：Cu≥5且Cc=1～3时称为级配良好砂，不能同时满足时称为级配不良砂。

2.2 击实试验及分析

对细砂土试样S1～S6进行标准重型击实试验，击实曲线见图3。

图3 试样S1～S6标准重型击实曲线

由图3可知，对细粒含量小于35.7%的试样S1～S6，随着细粒含量的增加，其击实平均干密度增加；对细粒含量小于26%的试样S1～S5在干燥状态下，干密度出现最大值(或极值)，表现出砂性土特有的干压实特性。相较于细粒含量进一步增加的试样S6，其干压实特性基本退化，而呈现出与细粒土相似的击实特性。在干燥状态下，随着细粒含量的增加，试样击实干密度呈现出非线性单调增大的变化趋势，其中试样S1～S4增加较快，试样S5,S6趋于稳定。试样S1,S2和S3随含水率增加击实干密度减小并呈现出小幅波动的变化趋势，干密度峰值在含水率为4%～10%内均可能出现，具有一定随机性。高含水状态下的干密度相对较低。对实际细粒含量分别为16.5%和26.2%的试样S4,S5，仍具有一定的干压实特征，其击实曲线呈现先下降后上升再下降的变化规律，为“∽”形曲线形态，干密度峰值对应的含水率约为8%～10%。对细粒含量大于30%的试样S6，其击实曲线已不再具有干压实特征，转而表现出细粒土所具有的典型单峰击实曲线形态，最佳含水率特征明显，其值略大于7%。

综上所述，根据试验结果，细砂土随细粒含量变化其击实特性可分为以下3种类型：

第一类曲线类型。细砂土中细粒含量较少(小于10%)时，干密度在干燥状态下取得最大值，具有明显的干压实特性，随含水率增加干密度下降并有波动的下凹形曲线，可称为干优型击实曲线。

第二类曲线类型。细砂土中细粒含量约为10%～30%时，随含水率增加击实曲线表现为先下降后上升再下降的“∽”形，干燥状态下干密度与含水状态下干密度峰值差异不大，可称为双优型击实曲线。

2.3 影响细砂土击实特性的内在因素

当细砂土处于含水率极低的干燥状态时，因细砂土中的粉黏粒不具有黏聚力而处于非常松散的状态。砂土颗粒受到击实锤自由下落在砂土中产生的振动波而向垂直方向和水平方向振动挤压，只需要克服砂粒间相互移动的摩阻力，因此颗粒之间易于相对运动、嵌挤和填充，干密度容易到达最大值[13]。

对于第一类干优型击实曲线的细砂土，一方面细砂土中黏粉粒含量较低，矿物成分中以憎水的石英为主，与水作用微弱，且细砂土孔隙率大，渗透性强，持水性差，在击实过程中因良好的排水性能而不会形成较大孔隙水压力，故含水率对湿润状态的细砂击实性能影响较弱；另一方面，细粒含量较低的细砂土级配不良，粒径比较单一，更易于在击实功作用下形成挤密效应而非嵌锁，易发生扰动和松动，从而降低细砂土击实效果，击实曲线表现出小幅波动特性，规律性较差[14]。粉黏粒的粒径小，较多的粉黏粒含量能改善细砂的级配，对细砂土起到良好的填充作用，且粉黏粒颗粒密度大，因此对第一种曲线类型，其击实平均干密度呈现出随细粒含量增加而提高的变化趋势。

对第二类双优型击实曲线的细砂土，当细砂土从干燥状态转到含水率较低的湿润状态时，随含水率增加干密度逐渐减小到最小值。这主要是因为破坏了干燥状态下颗粒表面吸附薄膜的润滑作用而形成的非润滑效应(用氯化钙干燥过后的石英颗粒与石英块之间的摩擦角为6°，而潮湿状态下为24.5°[15]);其次粉黏粒遇水在颗粒表面形成结合水膜，形成具有黏滞性的似黏聚力;因为毛细管应力使颗粒之间产生吸力，同样不利于压实。随着含水率继续增加，结合水膜变厚，水的润滑作用逐渐增加，似黏聚力逐渐减小，毛细应力逐渐消失，击实干密度相应提高。当干密度到达峰值后，随着含水率继续增加，砂中空隙已经全部被水充满，达到饱和，由于水不可压缩，因此导致击实干密度降低[9]。

当细粒含量继续增加，细砂颗粒之间的缝隙基本被填满而逐步失去骨架作用，其击实特性受细粒物质影响明显，从而表现出类似细粒土的单峰击实曲线。

3 细砂土分类标准和压实技术

3.1 细砂土分类标准探讨

细砂土的击实特性随细粒含量的变化表现出不同的特征，同时细砂土的工程分类也与细粒含量有关，我国铁路、公路和水利行业对细砂土的分类标准基本相同，如表5所示。

表5 细砂土的工程分类

上述根据粒度组成的分类标准与细砂土渗透性有关，常常无法满足工程需求。细砂土随细粒物质含量变化而表现出不同的击实特性具有客观性，建议根据受细粒含量影响的细砂土击实曲线对细砂土进行分类：第一类干优型击实曲线对应的细砂土可分类为干优型砂性细砂土；第三类湿优型击实曲线对应的细砂土可分类为湿优型土性细砂土；第二类双优型击实曲线对应的细砂土可分类为双优过渡型细砂土。

根据试验结果中细砂土随细粒含量变化表现出的3种击实曲线及所含细粒含量，提出细砂土分类的新标准：细粒含量小于10%时为细砂，对应干优型砂性细砂土；细粒含量在10%～30%时为含土细砂，对应双优过渡型细砂土；细粒含量在30%～50%时为土质细砂，对应湿优型土性细砂土。

3.2 细砂土压实技术

根据击实曲线分类的3类细砂土在路基工程中实际应用时，压实工艺各有不同。第一类干优型砂性细砂土应用于路基填料时，应尽量在无水干燥状态下压实，若无法保持干燥状态，则应使含水率位于6%～10%，此时也能取得较好的压实效果。应用第二类双优过渡型细砂土填料时，为取得最大干密度，应使填料处于干燥状态或经试验确定的最佳含水率下进行压实。第三类湿优型土性细砂土具有细粒土的击实特性，可在由试验所得的最佳含水率下进行压实。选择细砂土作为填料时，应尽量选择细粒含量较高的细砂土，对细粒含量较低的细砂，可掺配适量细粒土进行级配改良，提高压实密度和可控性。

4 结论

1)试验取自辽河平原的海相沉积细砂，细粒含量少，级配不良，呈典型的颗粒状松散结构，矿物成分以憎水的石英和长石为主。

2)细砂土含细粒含量小于30%时有干压实特性，细砂土干压实密度呈现出先增加后趋于稳定的变化趋势。

3)细粒含量对细砂土击实特性影响显著。随细粒含量增加，细砂土击实评价干密度变大，并依次表现出3种不同的击实曲线：细粒含量较少时为干优型击实曲线；细粒含量较多时为湿优型击实曲线；细粒含量居中时则为“∽”状双优过渡型击实曲线。

4)根据细砂土的3种击实曲线与细粒含量的关系，提出了细砂土的工程分类标准建议：细粒含量小于10%时为细砂；细粒含量在10%～30%时为含细粒土细砂；细粒含量在30%～50%时为细粒土质细砂。