基于最大密度曲線理論的珊瑚礁砂吹填材料級(jí)配設(shè)計(jì)方法

呂晨煒 章定文 伍浩良 石名磊

(1東南大學(xué)江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 211189)(2東南大學(xué)交通學(xué)院,南京 211189)(3內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心,呼和浩特 010020)(4中山大學(xué)土木工程學(xué)院,廣州 519082)(5南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海)，珠海 519082)

島礁是熱帶海洋中寶貴的陸地資源,不僅可作為人類居住、資源開發(fā)和國家海洋權(quán)益保護(hù)基地,還可建成現(xiàn)代化深海遠(yuǎn)洋漁業(yè)、海洋能源開發(fā)、旅游業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)以及國防事業(yè)的依托和前方基地,具有極其重要的戰(zhàn)略意義、科研和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-2].當(dāng)前,島礁工程建設(shè)突出問題是建筑砂、石等材料和施工用水來源困難[2-3].為避免遠(yuǎn)洋運(yùn)輸成本增加和施工工期臃長,就地取材利用疏浚港地或航道開挖中產(chǎn)生的珊瑚礁砂作為島礁建設(shè)的建筑材料.研究表明:珊瑚骨料屬天然輕骨料[1-3],可用于替代部分建筑集料[4-10].沙特RSGT海港碼頭吹填場地工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步表明[11]:珊瑚礁砂經(jīng)低能強(qiáng)夯或振動(dòng)碾壓處理后,地基的強(qiáng)度明顯提高且工后沉降小,完全適用于工程填料.然而,疏浚港地或航道開挖的珊瑚礁砂顆粒分選性差,粒徑較大的粗顆粒含量多,用作海港吹填場地的回填不僅會(huì)削弱周圍土體壓實(shí)功效,而且會(huì)產(chǎn)生不均勻壓縮變形,影響壓實(shí)效果[11-12].若是在工程前期采用水力吹填分選,則會(huì)增加技術(shù)處理難度和工程造價(jià).另外,珊瑚礁砂顆粒成巖時(shí)間較短,強(qiáng)度低,經(jīng)擊實(shí)和振動(dòng)處理會(huì)導(dǎo)致顆粒大面積破碎[12-14],如何在保證吹填地基強(qiáng)度與減少沉降的基礎(chǔ)上,提出既能滿足強(qiáng)夯與碾壓要求,又能有效控制顆粒破碎的級(jí)配吹填珊瑚礁砂是建設(shè)島礁所面臨的首要問題.

本文基于最大密度曲線理論,初步設(shè)計(jì)5組不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、5組不同最大粒徑珊瑚礁砂吹填材料的級(jí)配方案,通過重型擊實(shí)和表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)檢測壓實(shí)效果,并采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、CBR試驗(yàn)等優(yōu)選出抗壓強(qiáng)度高、壓實(shí)性能好、破碎率較小的致密優(yōu)良級(jí)配組,通過貝雷法予以評(píng)價(jià)并提出最終級(jí)配設(shè)計(jì)組,為后續(xù)珊瑚礁砂濱海淺表層地基振動(dòng)壓實(shí)加固工程研究及應(yīng)用提供級(jí)配方案和數(shù)據(jù)支持.

1 原材料特性

本次試驗(yàn)所用珊瑚礁砂選自南海某島礁,其主要化學(xué)成分如表1所示.按《輕集料及其試驗(yàn)方法》(GB/T17431.1—2010)測定物理力學(xué)性質(zhì)如表2所示.已有研究表明:珊瑚礁砂礦物成分主要是文石(質(zhì)量分?jǐn)?shù)33%～47%)和高鎂方解石(質(zhì)量分?jǐn)?shù)53%～67%),等效碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到96%以上,且常溫常壓下化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定[12-16].

表1 珊瑚礁砂化學(xué)成分 %

表2 珊瑚礁砂質(zhì)量檢測指標(biāo)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方案

2.1 級(jí)配初步設(shè)計(jì)

珊瑚礁砂吹填工程施工工藝主要以振動(dòng)碾壓和低能強(qiáng)夯為主,在實(shí)際工程中常采用粒子干涉理論和最大密度曲線理論設(shè)計(jì)吹填混合料致密優(yōu)良級(jí)配組.本試驗(yàn)基于最大密度曲線理論中泰勒A.N法對(duì)珊瑚礁砂進(jìn)行級(jí)配方案設(shè)計(jì),具體公式如下:

(1)

式中,Px表示某級(jí)集料的通過率,%;d表示希望計(jì)算的某級(jí)集料粒徑,mm;D表示礦質(zhì)混合料的最大粒徑,mm;n表示遞減系數(shù),一般情況下n=0.3～0.6.

參照國內(nèi)外學(xué)者對(duì)處于最密堆積狀態(tài)下固體顆粒遞減系數(shù)n取值大小的研究[17],試驗(yàn)中擬用珊瑚礁砂吹填材料的遞減系數(shù)為0.45.珊瑚礁砂顆粒粒徑較大,顆粒間以點(diǎn)接觸且不具有黏聚力,其工程性質(zhì)較砂性土更為復(fù)雜,且應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系受粒徑大小影響較大[14-15,18].有研究表明[19]:混合料最大粒徑越大,混合料結(jié)構(gòu)越疏松,致密效果越差.現(xiàn)有大型試驗(yàn)儀器不能對(duì)原型級(jí)配混合料進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn),室內(nèi)試驗(yàn)用料的最大粒徑受到限制,需對(duì)超過試驗(yàn)容許最大粒徑的粒料進(jìn)行必要的縮尺處理,通過對(duì)縮尺后試驗(yàn)用料開展試驗(yàn)確定實(shí)際級(jí)配材料的力學(xué)性質(zhì)[20].對(duì)超過試驗(yàn)儀器允許的粒徑,采取等量替代法對(duì)混合料進(jìn)行縮尺處理.等量替代法即將小于儀器允許的最大粒徑的土粒和粒徑大于5 mm的土粒,按比例等質(zhì)量替換超粒徑顆粒.計(jì)算公式為

(2)

式中,Pi表示等量替代后某粒組的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;Poi表示原級(jí)配某粒組的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;P5表示粒徑大于5 mm的土粒質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;Pdmax為超粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%.

為研究不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)級(jí)配下的珊瑚礁砂吹填材料壓實(shí)性能和強(qiáng)度特性,擬按美國ASTM規(guī)范《Standard Test Method for Sieve Analysis of Fine and Coarse Aggregates》中天然砂礫粗、細(xì)集料分界粒徑(方孔篩4.75 mm)對(duì)珊瑚礁砂吹填材料顆粒進(jìn)行劃分.不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和不同最大粒徑的珊瑚礁砂吹填材料的具體級(jí)配設(shè)計(jì)方案參見表3和表4,其中Cu為土的級(jí)配指標(biāo)的不均勻系數(shù).縮尺后的級(jí)配見表5和表6,級(jí)配曲線見圖1和圖2.

表3 不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)珊瑚礁砂吹填材料的級(jí)配組成

表4 不同最大粒徑珊瑚礁砂吹填材料的級(jí)配組成

表5 縮尺后不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)珊瑚礁砂吹填材料的級(jí)配組成

表6 縮尺后不同最大粒徑珊瑚礁砂吹填材料的級(jí)配組成

2.2 級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)

為使島礁機(jī)場地基基礎(chǔ)壓實(shí)特性、力學(xué)性能和穩(wěn)定性能符合實(shí)際工程需要,本文擬對(duì)縮尺后不同級(jí)配吹填珊瑚礁砂設(shè)計(jì)方案進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)、表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、承載比(CBR)試驗(yàn),最終優(yōu)選壓實(shí)效果良好、強(qiáng)度高、破碎率較小的設(shè)計(jì)方案.重型擊實(shí)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)進(jìn)行,表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)結(jié)合島礁獨(dú)特地理氣候條件并參考《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)制定試驗(yàn)方案.

圖1 縮尺后不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的吹填材料級(jí)配曲線

圖2 縮尺后不同最大粒徑的吹填材料級(jí)配曲線

2.3 級(jí)配評(píng)價(jià)

羅伯特·貝雷提出的瀝青混合料設(shè)計(jì)檢驗(yàn)方法(即貝雷法)是目前應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)級(jí)配設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)方法.本文擬用該法對(duì)優(yōu)選級(jí)配吹填珊瑚礁砂設(shè)計(jì)方案中粗集料嵌擠成型的骨架結(jié)構(gòu)和粗、細(xì)集料比例等進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)價(jià),通過計(jì)算、對(duì)比和分析貝雷法的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo):粗集料粗料率CA、細(xì)集料粗料率FAc和細(xì)集料細(xì)料率FAf,探究級(jí)配組成的合理性.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 重型擊實(shí)試驗(yàn)

不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的珊瑚礁砂吹填混合料重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.由圖可知,當(dāng)混合料含水率較低時(shí),水潤滑作用不明顯,顆粒移動(dòng)阻力受細(xì)顆粒間水溶性膠結(jié)與毛細(xì)現(xiàn)象的影響,混合料不易壓密實(shí),干密度相對(duì)較小.隨含水率增大,自由水逐漸增加,水溶性膠結(jié)和毛細(xì)現(xiàn)象浸水失效,珊瑚礁砂吹填物混合料顆粒間聯(lián)結(jié)作用降低,顆粒間潤滑效應(yīng)增強(qiáng).在擊實(shí)作用下,顆粒移動(dòng)阻力減小,孔隙率降低,干密度逐步增大.隨自由水進(jìn)一步適量增加,水的顆粒潤滑效應(yīng)接近臨界狀態(tài),混合料孔隙排氣暢通,達(dá)到最大干密度和最優(yōu)含水率.當(dāng)自由水超過臨界狀態(tài)后,在外力作用下,珊瑚礁砂吹填混合料顆粒間孔隙幾乎被水充填,阻塞擊實(shí)過程中孔隙氣體的有效排出,擊實(shí)能量轉(zhuǎn)化成超靜孔隙水壓力,擊實(shí)致密作用減弱,混合料干密度降低,如粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%混合料含水率為17.92%時(shí),干密度僅為1.65 g/cm3,遠(yuǎn)小于最優(yōu)含水率14.84%時(shí)混合料干密度1.72 g/cm3.

圖3 不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下吹填材料的擊實(shí)曲線

由圖4可知:在擊實(shí)功率相同的條件下,珊瑚礁砂吹填混合料最大干密度隨粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈現(xiàn)出先增長后降低的特性,粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)混合料干密度達(dá)最大值1.72 g/cm3.有研究表明:細(xì)顆粒主要起充填大顆粒骨架空隙的作用,粗顆粒主要起骨架作用[21].當(dāng)粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于50%時(shí),粗顆?；景诩?xì)顆粒中,整體處于懸浮狀態(tài),骨架作用不明顯,混合料最大干密度較低(低于1.65 g/cm3);當(dāng)粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)50%～70%時(shí),粗顆粒嵌擠完全形成骨架且細(xì)顆粒填充孔隙充分,混合料干密度達(dá)到最大值,超過 1.68 g/cm3;當(dāng)粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于70%后,粗顆粒骨架作用突出,但細(xì)顆粒含量不足,難以填滿骨架間孔隙,干密度隨粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加逐漸降低；當(dāng)粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí),混合料最大干密度值僅為1.63 g/cm3,遠(yuǎn)低于其他粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)級(jí)配方案.

圖4 不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下吹填材料的最大干密度

由圖5可知,珊瑚礁砂縮尺重型擊實(shí)試驗(yàn)中,珊瑚礁砂吹填混合料最大干密度隨最大粒徑增大而增加,如最大粒徑53.0 mm的混合料最大干密度可達(dá)1.73 g/cm3,是最大粒徑4.75 mm混合料最大干密度(1.50 g/cm3)的1.15倍.粗顆粒間相互嵌擠形成的孔隙隨最大粒徑增大而增多,在細(xì)顆粒比例相同情況下,細(xì)顆粒填充孔隙越多,混合料致密性越好,干密度越大.最大粒徑為53.0和31.5 mm的級(jí)配珊瑚礁砂致密性明顯高于其他3組.研究表明，混合料干密度不是隨最大粒徑的增大而無限增加,而是存在著一個(gè)確定的最大值[19],因此最大干密度和最大粒徑的相關(guān)趨勢還有待研究.

圖5 不同最大粒徑條件下吹填材料的擊實(shí)曲線

由圖6可知,混合料的粗細(xì)比一定時(shí),混合料的最大干密度隨著最大粒徑的增大而增大,且線性關(guān)系良好,相關(guān)系數(shù)為0.960,可用y=4.44×10-3x+1.497表示各最大粒徑下的最大干密度.此外,珊瑚礁砂吹填混合料中含水率對(duì)混合料密實(shí)性有影響,但影響程度與黏性顆粒含量有關(guān).已有研究表明，無黏性土在干燥時(shí)亦能達(dá)到很高的密實(shí)度,這也證實(shí)含水率作為影響因素的獨(dú)立性較差,最優(yōu)含水率對(duì)最大干密度的影響與其他因素存在交叉作用[22].

圖6 不同最大粒徑吹填材料擊實(shí)曲線圖

3.2 表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)

不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的珊瑚礁砂吹填混合料表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.由圖可知,混合料最大干密度隨粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加先增大后減小.當(dāng)混合料中粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于70%時(shí),粗顆粒嵌鎖形成骨架但空隙多,細(xì)粒料不能充分填充孔隙,顆粒間易出現(xiàn)較多較大孔隙,嵌擠鎖結(jié)力小,振動(dòng)壓實(shí)效果主要受粗顆粒的壓實(shí)性質(zhì)控制,粗顆粒含量太多導(dǎo)致周圍土體不能有效壓實(shí),壓實(shí)效果較差.同時(shí),粗顆粒間孔隙內(nèi)空氣難以排出,單位體積壓實(shí)度難以提高,穩(wěn)定性和干密度較低.粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí),混合料最大干密度僅為1.672 g/cm3，在自然條件和車輪荷載作用下,容易發(fā)生松動(dòng),造成地基沉降變形.當(dāng)粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從40%增加到60%時(shí),混合料骨架結(jié)構(gòu)逐漸形成,骨架支撐和受力承壓作用明顯,細(xì)顆粒足夠填充骨架孔隙,振動(dòng)壓實(shí)功可均衡地傳遞到混合料中,壓實(shí)度顯著提高.試驗(yàn)表明，吹填混合料振動(dòng)壓實(shí)效果主要取決于粗、細(xì)顆粒相互填充效果.粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí),混合料達(dá)到最大干密度極值1.91 g/cm3.有研究表明，混合料強(qiáng)度由顆粒嵌鎖與內(nèi)摩擦構(gòu)成,內(nèi)摩擦力在振動(dòng)壓實(shí)作用下急劇減小,抗剪強(qiáng)度降低,顆粒在重力振動(dòng)作用下重新排列,土體孔隙降低,單位體積壓實(shí)度提高,混合料穩(wěn)定性增強(qiáng),易達(dá)到最佳壓實(shí)狀態(tài)[15,22].當(dāng)粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%時(shí),吹填混合料難以壓實(shí),振動(dòng)壓實(shí)效果主要受細(xì)顆粒壓實(shí)性質(zhì)的影響,粗顆粒含量少且基本懸浮于細(xì)顆粒中,對(duì)土體整體性影響很小,最大干密度相對(duì)較小.

圖7 不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下吹填材料的表面振動(dòng)壓實(shí)曲線

由圖8可知,珊瑚礁砂吹填混合料最大干密度隨最大粒徑增大而增加.當(dāng)最大粒徑小于19.0 mm時(shí),混合料骨架嵌鎖不能形成,顆粒跳動(dòng)消耗壓實(shí)能量,致密效果不佳,干密度較小,如最大粒徑4.75 mm時(shí),混合料最大干密度僅為1.55 g/cm3.隨最大粒徑的增大,細(xì)顆粒可以填滿粗顆粒骨架孔隙且粗、細(xì)顆粒間擠壓緊密,振動(dòng)產(chǎn)生的剪切作用使珊瑚礁砂顆粒重新排列,壓實(shí)效果良好,干密度增長迅速.當(dāng)最大粒徑達(dá)到儀器限制粒徑53.0 mm時(shí),混合料干密度達(dá)極大值1.93 g/cm3.

圖8 不同最大粒徑條件下吹填材料的表面振動(dòng)壓實(shí)曲線

珊瑚礁砂吹填物混合料在振動(dòng)荷載沖擊作用下粗、細(xì)顆粒間相對(duì)位置發(fā)生移動(dòng),較小顆粒填充較大顆粒形成的骨架孔隙,較小顆粒間的孔隙由更小粒徑顆?；蛩畞沓涮?另一方面,充當(dāng)潤滑劑的水在礁砂顆粒外層形成水膜加速移動(dòng)過程,氣體也在振動(dòng)沖擊過程中被排除,顆粒間孔隙進(jìn)一步減少,混合料密實(shí)度增加,最終達(dá)最大干密度.而重型擊實(shí)試驗(yàn)中水與細(xì)顆粒相互作用導(dǎo)致顆粒間黏聚力和附著力增加,阻礙顆粒間自由移動(dòng),擊實(shí)效果差.相同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和最大粒徑下混合料最大干密度小于表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn),如粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的混合料重型擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度為1.68 g/cm3,是表面振動(dòng)碾壓試驗(yàn)最大干密度(1.83 g/cm3)的91.9%;最大粒徑31.5 mm的混合料重型擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度為1.77 g/cm3,是表面振動(dòng)碾壓試驗(yàn)最大干密度(1.65 g/cm3)的93.2%.結(jié)果表明,珊瑚礁砂吹填混合料表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)效果良好,可在室內(nèi)試驗(yàn)成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,推廣至淺表層地基振動(dòng)壓實(shí)加固工程的應(yīng)用.

3.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

珊瑚礁砂吹填材料試樣成型困難會(huì)影響其強(qiáng)度結(jié)果.本試驗(yàn)擬在珊瑚礁砂吹填材料中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的水泥來增強(qiáng)混合料整體黏結(jié)性,并保證成型試樣離散性控制在15%以內(nèi).考慮到島礁機(jī)場道面建設(shè)等級(jí)高,需控制吹填場地壓實(shí)度,擬按98%的壓實(shí)度控制試樣靜壓成型.由圖9可知,水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的珊瑚礁砂吹填混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先提高后降低,粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%的級(jí)配抗壓強(qiáng)度最大(1.43 MPa).對(duì)于粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%的樣品,盡管摻入水泥可增強(qiáng)顆粒間的黏聚力,但試樣成型仍難以控制,可能是由于水泥量過少,不足以黏聚大顆粒等材料,導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度較低.另外,試樣壓實(shí)度相同條件下,干密度較大且致密性優(yōu)良的級(jí)配珊瑚礁砂吹填材料(粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%～70%的級(jí)配)抗壓性能優(yōu)于其他級(jí)配.

圖9 不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下吹填材料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖10可知,級(jí)配珊瑚礁砂吹填材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨最大粒徑的增大先提高后降低,但降低幅度小.在相同壓實(shí)度下,最大粒徑53.0 mm的級(jí)配礁砂盡管干密度最大,但其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(1.43 MPa)卻小于最大粒徑31.5 mm的抗壓強(qiáng)度(1.51 MPa).研究表明:珊瑚礁砂強(qiáng)度低,壓縮性大,在試樣成型中顆粒會(huì)發(fā)生不同程度破碎[13,15,23].粒徑53.0 mm的級(jí)配礁砂破碎程度較粒徑31.5 mm的級(jí)配嚴(yán)重,且顆粒破碎增加了其他不同粒徑的含量,加之試樣添加水泥后不均勻,受不同級(jí)配不均勻系數(shù)的影響,骨架嵌擠作用下降,混合料強(qiáng)度不升反降.

圖10 不同最大粒徑條件下吹填材料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3.4 CBR試驗(yàn)

承載比CBR值可衡量無黏結(jié)粒料基層承載能力、強(qiáng)度與抗永久變形能力,反映材料抵抗局部荷載的抗剪能力,與材料的級(jí)配、密度、最大粒徑和填充細(xì)集料含量有關(guān).具體計(jì)算公式如下:

(3)

式中,CBR表示承載比,計(jì)算至0.1%;p表示對(duì)應(yīng)于貫入度為2.5或5.0 mm的單位壓力,kPa;ps表示貫入度標(biāo)準(zhǔn)單位壓力,貫入度為2.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)單位壓力為7 MPa,貫入度為5.0 mm的標(biāo)準(zhǔn)單位壓力為10.5 MPa.

考慮到島礁終年多雨和路基排水要求,本試驗(yàn)采用重型擊實(shí)成型最優(yōu)含水率下級(jí)配珊瑚礁砂試樣,飽水24 h后測定CBR值.由圖11可知:粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)級(jí)配珊瑚礁砂CBR值影響較大,粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%時(shí)CBR值達(dá)最大值,超過250%;粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于30%時(shí),混合料CBR值主要由細(xì)顆粒的性質(zhì)決定,承載能力類似于砂性土;當(dāng)粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)由40%增加到60%時(shí),混合料中粗顆粒嵌擠作用逐步突出,細(xì)顆粒填充更為充實(shí),整體結(jié)構(gòu)更加密實(shí),抵抗局部變形能力增強(qiáng),CBR值呈現(xiàn)快速增長;當(dāng)粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過70%時(shí),粗顆粒雖可形成骨架嵌擠,但細(xì)顆粒含量嚴(yán)重不足,難以填充粗顆粒間孔隙,結(jié)構(gòu)整體比較松散,容易在外力作用下發(fā)生位移和變形,CBR值大幅下降,粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%的級(jí)配礁砂CBR值為119.53%,低于粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%的級(jí)配礁砂CBR值的1/2.

圖11 不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下吹填材料的CBR值

研究表明，無黏結(jié)粒料CBR值與最大粒徑和細(xì)集料含量有關(guān).集料最大粒徑越大,骨架嵌擠作用越明顯,強(qiáng)度和剛度越大,在外力作用下變形越小[24].由圖12可知:級(jí)配珊瑚礁砂CBR值隨最大粒徑增大而增大,最大粒徑53.0 mm的級(jí)配珊瑚礁砂CBR值為264.4%,高于其他最大粒徑級(jí)配組.但在實(shí)際運(yùn)輸與攤鋪過程中,最大粒徑越大,粗顆粒發(fā)生離析的可能性越大.同時(shí),大粒徑顆粒施工中與整平機(jī)拌和等機(jī)械發(fā)生直接接觸,容易造成珊瑚顆粒破碎.研究表明，粒徑小于4.75 mm細(xì)顆粒含量與CBR值之間為駝峰曲線關(guān)系,臨界值處于40%左右[22].當(dāng)細(xì)顆粒含量低于或超過臨界值時(shí),CBR值會(huì)有不同程度的降低.當(dāng)級(jí)配珊瑚礁砂全部由粒徑小于4.75 mm的細(xì)集料構(gòu)成時(shí),CBR值僅為65.6%.在重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)下,壓實(shí)度98%的級(jí)配碎石基層CBR值應(yīng)大于100%.結(jié)果表明,細(xì)粒含量過多的級(jí)配珊瑚礁砂不能滿足實(shí)際工程要求.

圖12 不同最大粒徑條件下吹填材料的CBR值

3.5 貝雷法檢驗(yàn)評(píng)價(jià)

混合料中粗、細(xì)顆粒區(qū)分是以最大公稱粒徑的0.22倍所對(duì)應(yīng)的相近尺寸篩孔孔徑作為分界點(diǎn)[18].研究表明:CA值介于0.4～0.8最合理,粗顆料間孔隙較為合理,利于細(xì)集料填充,施工和易性優(yōu)良;FAc值在0.35～0.60范圍內(nèi),細(xì)顆料中較粗部分嵌擠效果良好;FAf值高于0.5會(huì)造成混合料空隙率減小和細(xì)料堆積的問題[24-25].據(jù)現(xiàn)有研究資料,給出集料級(jí)配CA值、FAc值和FAf值參數(shù)的建議范圍[21-22],見表7.

表7 貝雷法中各參數(shù)的建議范圍

貝雷法是針對(duì)不同最大粒徑級(jí)配方案的評(píng)價(jià)指標(biāo),且試驗(yàn)設(shè)計(jì)的不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)級(jí)配最大粒徑均為53.0 mm,故CA值、FAc值和FAf值與最大粒徑53.0 mm級(jí)配礁砂相同,貝雷法評(píng)價(jià)結(jié)果見表8.

表8 貝雷法評(píng)價(jià)不同最大粒徑級(jí)配珊瑚礁砂范圍

由表8可知,最大粒徑53.0、31.5、19.0 mm三種級(jí)配珊瑚礁砂CA、FAc和FAf值均在參數(shù)建議范圍內(nèi).最大粒徑53.0 mm級(jí)配粗集料嵌擠效果好,細(xì)料率與其他級(jí)配相差接近,粗細(xì)集料搭配合理,利于形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu);最大粒徑31.5 mm級(jí)配細(xì)集料中粗料率較低,細(xì)料率較高,大顆粒之間細(xì)料填充效果差,骨架間容易產(chǎn)生孔隙;最大粒徑19.0 mm級(jí)配各項(xiàng)指標(biāo)比較平衡,與最大粒徑53.0 mm級(jí)配比較相似,可能形成比其更密實(shí)的結(jié)構(gòu).最大粒徑9.5 mm級(jí)配FAc值小于建議值,粗集料占據(jù)明顯優(yōu)勢,細(xì)集料的粗料率偏少,填充骨料的效果較差,凸顯骨架作用.

4 結(jié)論

1) 實(shí)際工程中應(yīng)對(duì)混合料擊實(shí)最大粒徑進(jìn)行合理的限制.混合料最大干密度隨含水率和粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增長呈現(xiàn)出先增長后降低的特性,且含水率對(duì)最大干密度的影響與其他因素存在交叉作用.級(jí)配混合料最大干密度隨最大粒徑增大而提高,最大粒徑53.0 mm的混合料最大干密度是最大粒徑4.75 mm的1.15倍.

2) 振動(dòng)壓實(shí)后的混合料穩(wěn)定性和干密度較低.粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～60%的表面振動(dòng)壓實(shí)效果良好;當(dāng)珊瑚礁砂吹填混合料最大粒徑達(dá)53.0 mm時(shí),混合料干密度達(dá)極大值.珊瑚礁砂吹填混合料表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)效果較重型擊實(shí)試驗(yàn)好,可在室內(nèi)試驗(yàn)成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,推廣淺表層地基振動(dòng)壓實(shí)加固工程的應(yīng)用.

3) 珊瑚礁砂吹填混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、最大粒徑的增加先提高后降低,且粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的抗壓強(qiáng)度最大.然而,粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的試樣成型困難,抗壓強(qiáng)度較低;最大粒徑53.0 mm的級(jí)配礁砂強(qiáng)度略低于最大粒徑31.5 mm的抗壓強(qiáng)度.珊瑚礁砂吹填混合料CBR值與最大粒徑和粗細(xì)集料含量有關(guān).粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%時(shí)CBR值達(dá)最大值,粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于30%或超過70%時(shí),混合料CBR值大幅下降.

4) 最大粒徑為53.0和31.5 mm的級(jí)配珊瑚礁砂吹填混合料粗細(xì)集料嵌擠效果好、搭配較為合理、性能優(yōu)于其他級(jí)配組分,但最大粒徑為53.0 mm的級(jí)配強(qiáng)度稍低.粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的級(jí)配珊瑚礁砂吹填混合料致密性強(qiáng),在壓實(shí)度、強(qiáng)度等方面均優(yōu)于其他級(jí)配,淺表層地基振動(dòng)壓實(shí)加固效果較好.然而,珊瑚礁砂吹填混合料的顆粒破損率、微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)影響材料的強(qiáng)度、壓實(shí)性能以及耐久特性,此結(jié)果有待進(jìn)一步研究證明.