天然砂砾击实特性研究

余宗杰，焦芳芳

(1.新疆农业大学 交通与物流工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆大学，新疆 乌鲁木齐 830046)

0 前 言

新疆处于特殊的干旱荒漠区环境，这一独特环境储藏着极为丰富的天然砂砾，天然砂砾是一种较好的路基填料并已在工程中广泛应用[1]。新疆地区路基填料以天然砂砾为主，天然砂砾具有强度高、压实密度大、沉降变形小及透水性好等优点，同时天然砂砾颗粒组成不均匀、细粒含量少、颗粒间结合力低，一般属于粗粒土范围[2]。相关文献[3]表明自东向西颗粒级配存在着较大差异。本文针对新疆某地区天然砂砾进行室内颗分试验和室内重型击实试验，研究天然砂砾的不同颗粒含量的压实特性，研究粗颗粒含量和细粒土含量对天然砂砾最大干密度和最佳含水量的影响。确定天然砂砾在粗颗粒含量、细粒土含量下最大干密度和最佳含水量的变化关系。确定天然砂砾的最大干密度和最佳含水量有利于提高实际工程碾压质量。

1 天然砂砾颗分试验

新疆地处我国西北，地域辽阔，砾类土分布十分广泛。新疆砾类土的形成主要是第四纪地质构造岩石风化形成的[4]。选取G331青河—富蕴县—阿勒泰公路工程的天然砂砾路基填料进行室内颗分试验。该地区天然砂砾的颗粒最大粒径小于60 mm，粒径范围为5～60 mm的占57.2%，在2 mm筛孔上颗粒含量为12.4%，在1 mm筛孔上颗粒含量为2.9%，在0.5 mm和0.25 mm筛孔上颗粒含量分别为9.1%和9.8%，在0.075 mm筛孔上颗粒含量为17.1%，在筛底上颗粒含量为5.9%。天然砂砾级配参数见表1，级配曲线见图1。

表1 天然砂砾级配参数

图1 级配曲线

由图1可以看出，取自新疆阿勒泰地区的天然砂砾，由于1～2 mm的颗粒含量较少，可以看出在1～2 mm间是一段极为平缓的台阶。不均匀系数Cu和曲率系数Cc能很好反映天然砂砾颗粒粒径的组成，前者主要反映天然砂砾颗粒粒径分布情况，后者主要反映天然砂砾颗粒级配曲线的形状。由表1可以得出，不均匀系数Cu=63.0，曲率系数 Cc=0.30，细粒土含量为5.87%，粗颗粒含量为57.2%。根据公路土工试验规程[5]规定，砾类土中细粒组质量为总质量5%～15%的土称含细粒土砾，记该土的名称代号为GF。表1中的d10=0.10，该值表示颗粒粒径小于0.10 mm的颗粒的质量占筛分总质量的10%，d30和 d60的表示与此相同。

2 易溶盐试验

筛取1 mm以下颗粒100 g天然砂砾进行易溶盐试验，通过易溶盐试验测定天然砂砾离子种类和含量[6]，具体离子种类及含量数据见表2。

表2 天然砂砾易溶盐试验结果

由表2可以看出，天然砂砾中Cl-/SO42-含量为0.43%，SO42-的含量次之，其中HCO3-、Cl-和Ca2+含量比较接近，天然砂砾中含盐总量为0.225%。结合以上数据和公路土工试验规程[5]可判断该天然砂砾为硫酸盐非盐渍土。

3 天然砂砾击实特性研究

3.1 击实试验

相关文献[7]表明，天然砂砾的最大干密度与粗颗粒含量和细粒土含量密切相关，本实验将对这两个因素的影响进行研究。

本实验方法选用重型击实仪进行试验，选用干土法制备试样，首先对提前风干的天然砂砾料进行筛分，以备后期试验掺配取用，按控制粒径含量要求称取砂砾料，含水量按2%递增，分别为3%、5%、7%、9%、11%。每组按四分法分别制备5个试样，一共11组试验。

3.2 影响因素分析

3.2.1 粗颗粒含量的影响

对天然砂砾进行不同粗颗粒含量(P5)的击实试验，分析得到P5对天然砂砾最大干密度和最佳含水量的影响，如图2所示。

图2 P5与天然砂砾最大干密度、最佳含水量的关系

从图2可以看出，天然砂砾的最大干密度随着粗颗粒含量的增加而先增加后减小。当粗颗粒含量处于20%～40%时，天然砂砾最大干密度ρdmax增长较快，增长率为3.7%，此阶段由于级配中5 mm以下颗粒含量远大于5 mm以上颗粒含量，粗颗粒料含量太少；当粗颗粒含量处于40%～70%时，天然砂砾最大干密度ρdmax增长变得平缓，增长率为2.7%，当粗颗粒含量为70%时，天然砂砾有最大干密度，此时ρdmax=2.29 g/cm3，此时的粗颗粒含量称最佳粗颗粒含量，这与文献[1]中略有差异，其主要原因是由于击实方法不同。当粗颗粒含量不断增加，粗细颗粒间充分填充；当粗颗粒含量处于70%～80%时，天然砂砾最大干密度ρdmax开始减小，减小率为0.4%，其主要原因是粗颗粒含量太大，细颗粒无法填满粗颗粒间形成的间隙，导致天然砂砾的空隙率变大，即表现为最大干密度ρdmax减小，此阶段为骨架空隙结构。

通过软件对试验数据进行回归分析，得出天然砂砾ρdmax和p5之间的关系，用式(1)表示：

ρdmax=0.0225 P5+ 2.1471 (R2=0.9004)

(1)

从图2可以看出，取自新疆阿勒泰地区天然砂砾的最佳含水量随着P5的增加而减小。这主要是由于粗颗粒不断增加的同时，细颗粒料在不断减小，导致粗颗粒间出现无法填满的空隙。通过软件对试验数据进行回归分析，得出天然砂砾wopt和P5之间的关系，用式(2)表示：

wopt=-0.5179 P5+8.6857 (R2=0.9921)

(2)

通过以上分析表明，粗颗粒含量P5对天然砂砾的最大干密度ρdmax和最佳含水量wopt都有显著影响，在实际工程中，只有当路基填料的粗颗粒含量P5处于最佳粗颗粒含量附近，即60%～70%最佳，这与文献[8]研究结果基本一致，并且含水量处于最佳含水量附近，才能得到最佳的压实效果。

3.2.2 细粒土含量的影响

对天然砂砾进行不同细粒土含量(F)的击实试验，分析F对天然砂砾最大干密度和最佳含水量的影响，如图3所示。

从图3可以看出，取自新疆阿勒泰地区天然砂砾的最大干密度ρdmax随着f的增加而减小，主要是因为随着f的增加，粗颗粒料间被细颗粒料分隔而无法接触。

图3 f与天然砂砾最大干密度、最佳含水量的关系

通过软件对试验数据进行回归分析，得出天然砂砾ρdmax和F之间的关系用式(3)表示：

ρdmax=-0.043F+ 2.311 (R2=0.989)

(3)

通过软件对试验数据进行回归分析，得出天然砂砾wopt和F之间的关系用式(4)表示：

Wopt=0.97F + 4.41 (R2=0.998)

(4)

通过以上分析表明，细粒土含量F对天然砂砾的最大干密度ρdmax和最佳含水量Wopt都有显著影响，在实际工程中，只有当路基填料的细粒土含量处于骨架密实结构对应的细粒土含量附近，并且含水量处于最佳含水量附近时，才能得到最佳的压实效果。

4 结 论

1)新疆阿勒泰地区的天然砂砾为硫酸盐非盐渍土，土中细粒组质量为5.87%，名称代号为GF。

2)最大干密度随着粗颗粒含量的增加而先增大后减小，当含量处于20%～40%时，天然砂砾最大干密度ρdmax增长较快；当粗颗粒含量处于40%～70%时，天然砂砾最大干密度ρdmax增长变得相对平缓；当粗颗粒含量为70%时，天然砂砾有最大干密度，此时ρdmax=2.29 g/cm3，此时的粗颗粒含量称最佳粗颗粒含量。

3)天然砂砾的最大干密度ρdmax随着细粒土含量的增加而减小，随着细粒土含量逐渐增加，含水量也逐渐增加。

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