击实功对全风化泥质砂岩填料压实破碎特性的影响

张荣

（中铁十二局集团 第四工程有限公司，陕西 西安 710000）

随着西部大开发战略的推进，我国的水利建设不断向西南山区推进. 在大坝的深挖高填中，挖方经常出现风化程度不一的岩石碎块，研究其物理力学性质对边坡安全性评定具有重要意义. 德遂高速TJ4 标段修筑沿线分布大量全风化泥质砂岩，其风化程度较高、强度较低、抗风化能力与抗变形能力较差[1-2]. 作为软岩填料，全风化泥质砂岩与其他硬质岩碴填料不同，其在施工碾压过程中会发生较大破碎，使得粒径组含量发生变化，从而影响施工质量[3-4]. 方焘等[5]探讨了软岩填料填筑后的孔隙率与粗粒含量的关系，分析了不同击实功对最大干密度以及颗粒破碎特性的影响，明确了规范重型击实标准的合理性. Wang 等[6]研究了不同击实功对砂泥岩混合料的压实、破碎特性的影响，并发现泥岩颗粒的混合能够降低弱风化砂岩填料的破碎率. 戴仁辉等[7]对不同粒度石英砂的破碎特征进行探索，发现在击实过程中土体颗粒破碎率随颗粒粒径的增大呈线性增大. 吴乐天等[8]对不同击实功条件下新疆非耕地固化戈壁土的力学性能进行了探讨. 刘凤云等[9]研究了击实功对粗颗粒填料冻胀特性的影响. 鞠兴华等[10]通过室内和现场试验等方法对泥质软岩填料工程特性进行研究，结果表明其压实特性和承载比均满足路基填料质量要求，建议采用压实后的含量作为填料控制指标，并确定了利用其填筑路基的施工参数. 陶庆东等[11]通过对土石混合体路基填料分形特性和压实破碎特征的研究，指出破碎率对含水率、含石量变化较为敏感. 由于全风化泥质砂岩作为软岩的特殊性，其在不同风化程度以及工程水文地质条件下性能差异性较大. 本文借鉴已有的研究方法，对德遂高速TJ4 沿线全风化泥质砂岩填料开展室内击实试验，以期为该路堤填筑施工提供理论依据.

1 试验方法

1.1 试验土料及试验仪器

如图1 所示，试验土料颜色呈暗红色，与土壤颜色相似，含有泥质胶结物，磨圆度较高，形状呈长扁球体. 土料液限约为 30%，塑限约为 16%. 试验仪器为 CSK-V1 型多功能电动击实仪、ZBSX-92A 型震击式标准振筛机（图2）.

图1 试验土料

图2 试验仪器

1.2 试验方案

本次试验土料级配分布如图 3，试验方案如表 1 所示. 为探究击实功对全风化泥质砂岩压实特性与破碎特性的影响，采用 4 种不同击实功对全风化泥质砂岩进行击实试验. 首先通过击实试验测得每种击实功条件下全风化泥质砂岩的最大干密度、最优含水率，再对击实后的土料级配变化进行分析，得到不同击实功条件下的破碎率.

表1 试验方案设置

图3 级配曲线

1.3 试验步骤

击实试验按《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）[12]进行，具体步骤如下：

1）将准备好的水和土料拌和均匀，然后焖料24 h.

2）在试筒底部放上蜡纸，将制备好的土料分 5 层倒入筒中，每层试样约400 500 g～.

3）每层试样击实次数按照不同击实功而定，且每层击实后需要拉毛来保持试样的整体性. 击实完成后，测试样的湿质量.

4）采用电动脱模仪得到完整试样，在试样中心取有代表性的土样，烘干后测定其含水率，按下式计算干密度：

5）待击实土样打散烘干后（如图4 所示），采用振筛机进行筛析，震摇时间为15 min.

图4 烘干土样

6）将土料依次通过 20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm 的筛孔，然后称量各筛网上的土样质量，并绘制土样的颗粒级配曲线.

2 压实特性分析

2.1 击实曲线

按照表1 击实试验方案，每组试验制备5 个含水率的土样，得到不同击实功作用下的击实曲线如图 5 所示. 土样的干密度随着含水率的增加而逐渐增大，达到曲线峰值后随含水率增大而逐渐减小. 取抛物线峰值干密度为最大干密度，对应的含水率为最优含水率，则 4 种不同击实功的全风化泥质砂岩最大干密度为最佳含水率为

图5 不同击实功作用下的击实曲线

2.2 击实结果分析

不同击实功作用下土样最大干密度和最优含水率的变化曲线见图6. 由图6 可知：随着击实功的增大，全风化泥质砂岩的最大干密度随之增大，且增长速率变慢；最优含水率随击实功的增大呈减小的趋势. 这是由于在击实功的作用下，全风化泥质砂岩颗粒克服了颗粒之间的摩擦阻力而产生位移，并导致土体颗粒重新排列，填充了土体颗粒之间的空隙；随着孔隙减小，土体颗粒之间的接触更为紧密，自由水含量也随之降低. 因此击实功增大时，土体内部孔隙减小，单位体积中土体颗粒质量增大，自由水含量减少，最大干密度变大，最优含水率减小.

图6 不同击实功下的最大干密度和最优含水率

3 破碎特性分析

3.1 破碎级配曲线

被不同击实功作用筛分后，4 组全风化泥质砂岩土样的级配变化如图7 所示. 由图7 可见：击实后的级配曲线明显向上方偏移，说明全风化泥质砂岩在击实过程中存在颗粒破碎的现象；在相同击实功条件下，不同含水率的土样压实后的级配曲线分布大致相同，说明含水率对颗粒破碎的影响程度较小.

图7 A1-A4 组击实后的级配变化

图8 所示为不同击实功对应的平均级配曲线. 随着每层土样击实次数的增加，级配曲线向上方偏移程度越大. 这是因为击实功越大，较大粒径的土体颗粒破碎更加严重，级配曲线上移的趋势也就更大. 事实上，全风化泥质砂岩在击实过程中发生了不同程度的破碎，其中0.075 ～ 0 .25 mm 粒径组含量变化率最大，为击实前的3～4 倍，即土体粗颗粒大幅度破碎导致细颗粒含量增多，从而级配曲线上移. 击实前后级配参数的对比如表2 所示，可见击实功对全风化泥质砂岩填料级配的影响较大. 击实前土料不均匀且连续，级配良好.击实后含量降低，特征粒径减小，不均匀系数和曲率系数都减小，土料级配逐渐均匀化且不连续，级配调整至不良. 鉴于此，实际填筑中需要控制好级配以及碾压遍数.

表2 击实后级配参数变化

图8 A1-A4 组击实后平均级配变化

3.2 破碎率

为了评价压实过程中土颗粒的破碎情况，可用Marsal 颗粒破碎率公式计算出破碎率，该参数可以表征相应压力下颗粒破碎的程度，其定义为实验前后土样各粒组百分含量之差的正值之和，即

由于相同击实功下含水率对颗粒破碎情况影响较小，因此在分析中采用平均相对破碎率来表示不同击实功对全风化泥质砂岩破碎情况的影响. 全风化泥质砂岩土样的平均相对破碎率随击实功的变化如图 9 所示. 可以看出，土样的平均相对破碎率为 20%～40%，且其破碎率随着击实功的增加呈非线性增长的趋势. 原因是全风化泥质砂岩填料风化程度较高，颗粒内部孔隙率较大，抗变形性能较差，击实之后的相对平均破碎率就比较高. 但是，土体颗粒趋于均匀后，应力集中现象逐渐减弱，因此随着击实功的增加，单位击实功引起的平均相对颗粒破碎率会逐渐减小.

图9 不同击实功下的破碎率

4 结论

为研究击实功对德遂高速TJ4 标段沿线全风化泥质砂岩填料压实特性和破碎特性的影响，采用4 种不同击实功进行重型击实试验，得出以下结论：

1）增大击实功能够提高全风化泥质砂岩填料的最大干密度、减小最优含水率.

2）含水率对全风化泥质砂岩填料的颗粒破碎影响程度较小，但击实功对其级配的影响较大，击实后级配曲线向上方偏移，含石量减小，土体颗粒趋于均匀且不连续.

3）全风化泥质砂岩填料击实后颗粒破碎较为严重，且击实功越大其平均相对破碎率越大，因此在施工填筑过程中需要控制好填料级配以及碾压次数.

4）在路基填筑过程中适当提高击实功而产生的较大颗粒破碎，有利于减小土体孔隙以及增大颗粒之间的接触程度，提高了全风化泥质砂岩的压实性能.