砒砂岩与沙复配成土的颗粒级配与力学特性研究

【摘要]毛乌素沙地分布着大量易风化侵蚀的砒砂岩和松散无聚力的风积沙，给当地交通建设带来了极大问题。本文为了解决此问题，减少其对环境及工程的危害，有效利用当地资源，选用砒砂岩与沙复配成土作为路基材料。将其按质量比5：1、4：1、3：1、2：1、1：1、1：2、1：5这7种比例复配，运用Mastersizer 2000、重型击实仪和压汞仪，测得不同比例的颗粒级配、最大干密度和孔隙分布情况，分析其压实特性，确定最佳配比。试验结果表明：当砒砂岩与沙以质量比2：1复配，不均匀系数Cu约为23.03，曲率系数Cc为1.27～1.5，属级配良好土;且含水率在7%～9%时，最大干密度为2.04～2.05 g/cm3，压实特性最好，适合用作路基填料。

【关键词】砒砂岩;颗粒级配;击实试验;压汞试验;最大干密度;最佳含水率

本文通过对颗粒级配和击实试验分析，结合压汞试验进行孔隙结构研究，了解砒砂岩与沙的复配土内部结构变化，及其带来的压实特性与力学性质变化，分析内在成因，确定最佳复配比例，为其用作沙漠公路筑路材料提供可靠的数据支撑[1]。

1、物理特性试验与击实试验

压实特性主要指标为最大干密度和最佳含水率[2，3]，也是确保路基填料质量的首选指标。压实特性越好，密实度越好，土壤颗粒间的胶结力越好，内聚力越高，抗剪强度越大，承载力与稳定性越强。为了了解砒砂岩与沙复配土的物理力学特性，采用颗粒级配试验、压汞试验及击实试验对复配土的颗粒级配、孔径分布、最大干密度等指标进行测定。

1.1颗粒级配试验

将砒砂岩与风积沙风干研磨过2mm筛后，按不同质量比（m（A）：m（S））1：0、5：1、4：1、3：1、2：1、1：1、1：2、1：5、0：1均匀拌合，称取样品10.0g后，送入Mastersizer 2000激光粒度分析仪进行测定，每个比例重复三次，共测定27样次。

1.2压汞试验

压汞试验是通过加压使汞进入颗粒间孔隙中，所压进汞的体积就是颗粒间孔隙的体积。试验按质量比1：0、2：1混合，含水率控制在12%左右制样，试验结果最准确。

1.3 击实试验

按照《公路土工试验规程》（JTJ050-93）中的要求，本次试验选用小型击实筒[4-6]，具体尺寸见表1。

由于风干土的各项指标最接近工程实际，且所测得的结果与最大干密度值最近，故选用风干后的材料，按上述质量比混合，选取5%、7%、9%、11%和13%的含水率加入相应水量，拌和均匀，焖料一夜后，开始击实试验，共计35个试样。

2、试验结果及分析

2.1击实试验结果分析

复配土在不同含水率及不同质量比条件下的干密度如表2所示，同一含水率不同比例的最大干密度如图1所示。

2.2质量比对最大干密度的影响

复配土2质量比的发生变化的实质是土壤质地的变化，所以质量比对最大干密度的影响实质是土壤质地变化的影响。

分析图1可知，当复配土的含水率为9%时，砒砂岩与沙的比例为5：1时，最大干密度为1.97 g/cm3;添加风积沙，即砂粒，质量比变为4：1时，最大干密度变化率极小;为3：1与2：1时，增加到2.03g/cm3与2.04g/cm3，且增加速率比较明显。风积沙虽然颗粒间孔隙较大，但粒径较小的砒砂岩颗粒可以填充之中，弥补孔隙;同时颗粒之间的电分子引力与毛细压力，使其聚集于一体，密实度更高，具有更强的压实特性。随着风积沙颗粒的持续增多，土体颗粒趋于均匀，不均匀系数逐渐减小，级配良好性降低，促使稳定性降低，砒砂岩颗粒不足以填充砂粒缝隙，孔隙变大，密度也随之降低，所以最大干密度开始相对减小。因此，当砒砂岩与沙质量比为2：1时，最大干密度值最大，同时由颗粒级配分析可知，为级配良好的土。

2.3含水率对最大干密度的影响

复配土在同一质量比的条件下，干密度随含水率的增加先增加后减小。由表2分析可知，当含水率由5%升到7%，直至9%时，干密度随之增加到最大干密度。这是由于在低含水率下，土体颗粒表面的水凝膜比较薄，发挥的润滑作用不强，颗粒间的摩擦力比较大，阻碍压实;随着含水率的增加，土体顆粒表面吸附的水凝膜逐渐变厚，足以发挥良好的润滑作用，使其更易被压实;同时水分填满细小的缝隙，增加了土体的密实度。

结论：

本文通过研究砒砂岩和沙复配土的微观特性，并结合击实试验，发现：

通过击实试验数据分析可知，当砒砂岩与沙的质量比为2：1，含水率在7%～9%时，最大干密度约为2.05 g/cm3。同时也映证了质量比为2：1的复配土，是级配良好的土。

有上述分析可知，砒砂岩与沙作为路基填料使用时，最佳压实比为2：1，最佳含水率为7%～9%，最大干密度约为2.05 g/cm3。最大干密度和最佳含水率在路基填筑压实中起着至关重要的作用，对其稳定性和强度指标具有控制意义。获取这些条件后，再进行CBR试验，探讨和分析复配土的压实度，研究其路用性能，可为砒砂岩与沙用于道路建设材料提供可靠数据支撑，解决沙漠道路材料缺乏的问题，加速沙漠公路里程数增速，促进当地经济高速发展。

参考文献：

[1]宫旭黎，王莉，周滨.曲率系数在评价土的级配情况中的重要意义[J].黑龙江交通科技，2002，5（99）：16-17.

[2]魏雨露，张露.砒砂岩与沙复配成土的颗粒级配与压实特性研究[J].西部大开发（土地开发工程研究），2017（04）：29-33.

[3]包卫星，郭小龙，杨万精.干旱荒漠区天然砂砾路基填料压实特性分析[J].中国公路学报，2017，30（02）：18-24.

[4]庄心善，张立波，陶高梁，et al.压汞试验技术研究黏性土微观孔隙分布特性[J].湖北工业大学学报，2013，28（1）：22-24.

[5]章立，张成立，刘韵馨.风积沙最大干密度的试验研究[J].山西建筑，2007，33（17）：180-182.

[6]聂青龙，边艳妮，蔡睿.风积砂最大干密度确定方法及压实度检测方法研究[J].中国公路，2013（3）：120-121.

（本文作者单位为：1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西西安，7100751;2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西西安，710075;3.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西西安，710075;4.自然资源部退化及未利用土地整治重点实验室，陕西西安，710075）