花岗岩残积土最大干密度影响因素的研究

彭利英，张馨尤，李盛南，刘延状

（湖南工程学院 建筑工程学院，湘潭 411104）

关键字：路基填筑；花岗岩残积土；最大干密度；改良

0 引言

花岗岩残积土在我国西南、华南、华中和东南沿海地区分布广泛.当前，随着我国交通强国战略的实施，改良花岗岩残积土大量用于高等级公路.如何科学地确定改良花岗岩残积土的最大干密度、准确计算改良花岗岩残积土路基的压实度是公路建设急需解决的关键问题，对改良花岗岩残积土路基填筑质量评价和技术推广具有重要意义.

当前，已有一些学者对改良花岗岩残积土的击实特性进行了研究.杨金龙等［1］用生石灰、粉煤灰和水泥改良盐渍土，分析不同配比下对盐渍土击实特性的影响并得出最佳的改良配比；敖登［2］发现塑料废料与黏土配比形成的复合土的最大干密度与塑料碎屑含量成反比；曹海利等［3］用石灰改良高液限土，研究了不同掺量下改良土的路用性能；王杰等［4］将煤矸石与黄土以不同比例配制成土石混合料，研究其作为高速公路路床土的基本性能；杨德忠等［5］探究橡胶与红黏土的混合土作为路基填料的性能，并指出混合土的最大干密度与橡胶粉的掺量成一元二次函数关系；刘喜［6］研究了建筑垃圾作为路基填料的性能，分析了建筑垃圾中不同砖混凝土比例对路基填料性能的影响；蔡鑫等［7］研究了钢渣掺量、钢渣陈化龄期及钢渣最大粒径对掺钢渣稳定土最大干密度的影响规律；陈中秋等［8］采用振动压实和重型击实对砂砾改良弱盐渍土进行了路用性能试验；周永军［9］研究了材料密度、含水率、混合料级配对水泥稳定级配碎石最大干密度的影响；魏建国等［10］研究了不同石灰掺量的含砂低液限黏土的击实特性；Ye 等［11］将黏土与海泥混合，分析了混合料的最大干密度，确定了最佳质量比为黏土与海泥1∶4 的比例；Bassey 等［12］研究了耕作与未耕作土壤的最大干密度，发现土壤有机质含量和粒径分布对最大干密度影响较大；Badee［13］研究了砂与高岭土混合料压实后最大干密度、细粒含量和比重之间的相关性.以上研究成果均没有对比改良前后最大干密度对压实度的影响，也没有考虑延迟击实时间对最大干密度的影响.已有研究发现改良土掺入水泥、石灰等胶凝剂后，实验室测得最大干密度会发生变化，若继续采用原土的实验室最大干密度进行压实度计算，势必造成较大误差.而目前鲜有人对改良花岗岩残积土的最大干密度进行系统研究.

为此，根据改良土路基填筑工艺，开展对水泥和石灰的掺量、初始含水量、延迟击实时间、击实次数对改良花岗岩残积土最大干密度的影响规律研究，其成果将为路基压实度计算和质量控制提供参考.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

（1）花岗岩残积土

试验所用土样为花岗岩残积土，取自株洲机场大道（k4+340）-（k4+0920）挖方段，取土深度为3 m，颜色呈棕黄色，其间夹有白色脉状粉土，土样的物理性质指标见表1.

表1 花岗岩残积土基本物理性质指标

（2）水泥

试验所用水泥为中材株洲水泥有限责任公司生产的复合硅酸盐水泥，其试验检测参数见表2.

表2 水泥试验检测参数表

（3）石灰

试验所用石灰为株洲腾胜石灰有限公司生产的生石灰，生石灰要现用现买，尽量缩短石灰的存放时间，如果发现生石灰结团，须经检验达标后才能使用，其检测主要成分见表3.

表3 石灰有效成分含量

本试验所用的生石灰为优等生石灰.

1.2 试验方法

本文以花岗岩残积土为研究对象，采用单一变量的试验方法，研究水泥和石灰的掺量、初始含水量、延迟击实时间、击实次数对花岗岩残积土最大干密度的影响规律.

干燥土样的制备：将花岗岩残积土土样进行烘干、碾细、过筛步骤后，所得土颗粒不大于4 mm，随后放入盛土盆中拌和均匀.在试验前期，由于所备干燥土样的制备方法完全一致，因此，在接下来的试验中将从土样掺水开始描述各影响因素的试验方法.

（1）水泥、石灰掺量

将干燥土样的初始含水量控制在15.36%（素土的最佳含水量，击实试验所测得），在充分搅拌后进行闷料，时长为24 h.击实试验前将不同含量的水泥、石灰掺入土样中拌和均匀，水泥、石灰的掺量见表4.

表4 不同水泥、石灰掺量的土样

（2）初始含水量

根据现场测得结果可知：机场大道路基填料的天然含水量变化范围为22%～26%.本文选取22%、24%、26%作为制备土样的初始含水量，参考上述不同水泥、石灰掺量试验的试验结果，在此试验中，将改性材料的掺量定为水泥6%、石灰6%、水泥3%+石灰3%.

根据试验可得：初始含水量对改良土最大干密度的影响不明显.为了准确计算改良土的压实度，在后期试验中设置素土作为对照组进行试验，以此研究初始含水量对压实度的影响，其中，初始含水量与改性材料掺量的组合见表5.

表5 不同初始含水量的土样

（3）延迟击实时间

参考不同初始含水量和各类改性材料掺料的试验结果，将初始含水量控制在24%，改性材料的掺量定为水泥6%、石灰6%、水泥3%+石灰3%，设置延迟时间为0 h、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h 进行击实试验，延迟时间与改性材料掺量的组合见表6.

表6 不同延迟击实时间的土样

（4）击实次数

与延迟击实时间试验一样，将初始含水量控制在24%，改性材料的掺量定为水泥6%、石灰6%、水泥3%+石灰3%，控制每层击实次数为22 次、30次、50 次、80 次、98 次，击实次数与改性材料掺量的组合如表7 所示.

表7 不同击实次数的土样

以上试验每组制备5 个试样，击实试验具体操作过程参照《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020）.

2 试验结果及分析

2.1 不同水泥、石灰掺量的击实试验

最大干密度随改性材料掺量变化曲线如图1所示.

图1 最大干密度随改性掺量变化关系

从图1 可知：仅掺入水泥时，改良土的最大干密度随水泥掺量的增加先增大后减小，当掺量为4%时最大干密度达到最大值，此时最大干密度为1.745 g/cm3.掺入石灰时，不论是单掺还是与水泥混掺，改良土的最大干密度都随石灰掺量的增加而减小；仅掺石灰时，当掺量超过5%，最大干密度的减小幅度较大；与水泥混掺时，最大干密度的减小幅度基本不变.图中三条曲线整体均为下降趋势，推测原因为：水泥和石灰中基本不含水，可以认为其湿密度和干密度相同，同时小于残积土的干密度，所以搅拌均匀后，混合料的湿密度会有一定的下降.此外，掺入胶凝材料会使改良土的颗粒级配发生改变，在搅拌的过程中，土的结构会发生变化.改性材料掺量相同时，水泥改良土的最大干密度大于石灰改良土的最大干密度，因为相同质量的水泥和石灰，石灰消耗的水量更多，所以石灰改良土的最大干密度小于水泥改良土.因此，改良后需用改良土的最大干密度计算压实度，否则会造成计算结果偏小.

2.2 不同初始含水量的击实试验

图2 至图4 分别表示最大干密度随初始含水量的变化曲线、最佳含水量随初始含水量的变化曲线、压实度随初始含水量的变化曲线.

图2 最大干密度随初始含水量的变化关系

从图2、图3 可知，当水泥、石灰掺量一定时，改良土的最大干密度与最佳含水量变化不大，可以认为初始含水量对改良土的最大干密度影响不大.推测是因为当外加剂的掺量一定时，残积土内被消耗的水量也是一定的，所以最大干密度变化不大.素土的最大干密度大于改良土；对于改良土，在同一初始含水量的情况下，水泥改良土的最大干密度最大，为1.72 g/cm3；水泥掺量3%的石灰改良土次之，为1.718 g/cm3；石灰改良土的最大干密度最小，为1.706 g/cm3，原因是同一初始含水量时，石灰反应水量最多，改良土的含水量更接近最佳含水量，因此石灰改良土的最大干密度最小.

图3 最佳含水量随初始含水量的变化关系

从图4 可知，改良土的压实度随含水量的增加而减小，推测是因为含水量增大，与土样反应后剩余的水变多，土颗粒间的空隙被水填充，但水难以被压实，所以改良土的压实度会减小；对于改良土而言，在同一初始含水量的情况下，石灰改良土的压实度最高，水泥、石灰混掺的改良土次之，水泥改良土最小，因为石灰消耗的水最多，使土样的压实度更大；改良土的压实度均比素土的高，用素土的最大干密度去计算压实度会使计算结果偏小，建议采用改良后的最大干密度来减小经济损失.

图4 压实度随初始含水量的变化关系

2.3 不同延迟击实时间的击实试验

最大干密度随延迟击实时间的变化曲线如图5所示.

图5 最大干密度随延迟击实时间的变化关系

从图5 可知，考虑延迟击实时间，改良土的最大干密度降低且最大干密度随延迟击实时间的增加而减小、延迟时间由0 h 增加到1 h 时，石灰改良土的最大干密度降低幅度较大，超过1 h 后降低幅度较小，与水泥混掺后，当延迟时间由2 h 增加到3 h时最大干密度降低幅度较大，与石灰改良土相比，仅掺水泥时，土样没有变化幅度较大的时间.因为石灰消耗的水量比水泥多，同时水化反应比水泥剧烈且快，与水泥混掺会延迟充分反应的时间.在同一延迟击实时间的情况下，水泥改良土的最大干密度最大，水泥、石灰混掺的改良土次之，石灰改良土的最大干密度最小，这是因为改性材料与土样中的水反应后土颗粒变大，使土颗粒之间的空隙变大，石灰消耗的水量最多，填充在空隙间的水最少，同时石灰的容重小于水泥，所以石灰改良土的最大干密度最小.考虑到现场施工工艺限制，建议改良土在3h 内完成碾压.

2.4 不同击实次数的击实试验

最大干密度随击实次数的变化曲线如图6所示.

图6 最大干密度随击实次数的变化关系

从图6 可知：改良土的最大干密度随击实次数的增加而增大，当击实次数达到50 击后，最大干密度的增大变缓，因为随着击实能量的增加，改良土的干密度变大，颗粒变得密实，需要克服的颗粒间摩擦阻力变大.因此，当改良土的密度达到一定程度后，要消耗大量的击实功干密度才能增加.在同一击实能量下，石灰改良土的最大干密度最大，水泥＋石灰的改良土其次，水泥改良土的最大干密度最小，石灰与花岗岩残积土拌合后，反应的水量较多，使土体的含水量更接近最佳含水量，从而能得到较高的压实度.当击实次数达到98 击后，最大干密度有减小的趋势，因为当击实能量过大时，试样表面起皮，导致试样难以压实.考虑到经济效益，建议击实次数控制在50 击以内.

3 结语

以株洲机场大道的花岗岩残积土为研究对象开展击实试验，研究水泥和石灰掺量、初始含水量、延迟击实时间、击实次数对改良花岗岩残积土最大干密度的影响，得到如下结论：

（1）水泥、石灰改良的花岗岩残积土其最大干密度会发生变化.改良的花岗岩残积土的最大干密度随水泥掺量增加，先增大后减小，而石灰掺量增加而增大.因此，采用改良后的实验室最大干密度进行路基压实度计算更为合理.

（2）初始含水量并不影响改良花岗岩残积土的最大干密度，这与实验室最大干密度测试方法有关.因此，改良土的最大干密度不考虑初始含水量的影响.

（3）改良花岗岩残积土的最大干密度随击实次数的增加而增大，但每层改良土击实次数达到50 次后，改良土的最大干密度增长变缓.所以，现场改良土路基碾压的机械和碾压工艺要合理选择，避免造成经济损失.

（4）随延迟击实时间增加，改良花岗岩残积土的最大干密度减小.延迟时间超过3 h 后，改良花岗岩残积土的最大干密度变化较小.因此，建议改良花岗岩残积土路基碾压应在3 h 内施工完成.