細(xì)粒含量對(duì)細(xì)砂土擊實(shí)特性的影響試驗(yàn)研究

劉亞坤，羅 強(qiáng)，金發(fā)良，吳 鵬，張 猛

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,四川 成都 610031;2.沈陽鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司,遼寧 沈陽 110013;3.中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 511455)

我國有豐富的砂土資源。西北部新疆、甘肅、青海等地中的半干旱、干旱和極端干旱地區(qū)廣泛分布沙漠風(fēng)積沙[1-5];東部長江、黃河以及遼河等河流流域內(nèi)蘊(yùn)藏大量湖相、河相及海相沉積細(xì)砂[6-10]。細(xì)砂土作為一種特殊的巖土材料，在區(qū)域性多砂地區(qū)的路基工程中較常用。在20世紀(jì)90年代初期修建塔卡拉瑪干沙漠公路時(shí)，利用風(fēng)積沙的干壓實(shí)特性和沙漠干旱的自然條件，采用振動(dòng)干壓實(shí)工法修筑路基[1]取得了巨大的成功。2007年上海長江隧橋工程崇明線接線工程中[7],利用長江口細(xì)砂多峰壓實(shí)特性放寬含水率，取得了良好的壓實(shí)效果。細(xì)砂土的壓實(shí)特性對(duì)路基施工方式和施工質(zhì)量影響顯著，其壓實(shí)特性與黏性土有著顯著差別，查明細(xì)砂土的壓實(shí)特性對(duì)工程建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

細(xì)砂土填料是由粒徑單一的無黏性粗顆粒砂骨架和細(xì)粒土(粉黏粒)共同組成的混合料，壓實(shí)特性受二者的共同影響。因此，隨著細(xì)粒含量的增加，細(xì)砂土填料可能表現(xiàn)出不同的壓實(shí)特性。金昌寧等[3，11]對(duì)塔克拉瑪干沙漠風(fēng)積沙進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，細(xì)粒含量低的天然風(fēng)積沙表現(xiàn)出具有明顯的干壓實(shí)特征的下凹形”√”狀擊實(shí)曲線;粉黏粒含量小于等于40%時(shí)，摻配粉黏粒的沙漠風(fēng)積沙具有較明顯的干壓實(shí)特性；粉黏粒含量大于等于60%時(shí)，摻配粉黏粒的沙漠風(fēng)積沙具有明顯的黏性土擊實(shí)特性，最佳含水率特征明顯。張浩等[5]對(duì)毛烏素地區(qū)細(xì)粒含量小于5%的風(fēng)積沙進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，得到先下降后上升的下凹形曲線(含水率小于12%)。張宏等[7]對(duì)細(xì)粒含量小于5%的長江口細(xì)砂進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)長江口細(xì)砂的擊實(shí)曲線與一般黏性土的上凸型單峰曲線具有較大差異，輕型擊實(shí)曲線表現(xiàn)出含水率為0時(shí)干密度最大，隨含水率增大出現(xiàn)先下降再上升后趨于平緩的下凹形走向；重型擊實(shí)曲線則表現(xiàn)出波動(dòng)的多峰線形，最大干密度對(duì)應(yīng)的含水率變化范圍較大。譚鵬等[8]對(duì)濱海細(xì)砂進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)粒含量為3.2%和3.9%的濱海細(xì)砂擊實(shí)曲線呈現(xiàn)雙峰或多峰特征，干密度隨含水率的變化幅度較小。李志勇等[9]對(duì)細(xì)粒含量為9.1%的天然沙漠風(fēng)積沙進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沙漠風(fēng)積沙的擊實(shí)曲線呈“∽”形走向；馬少海[10]對(duì)滹沱河含土細(xì)砂進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)也得到了“∽”形擊實(shí)曲線。Yuan等[12]對(duì)細(xì)粒含量達(dá)到32%的黃河砂性土進(jìn)行了重型擊實(shí)試驗(yàn)，到了類似細(xì)粒土的單峰擊實(shí)曲線。上述研究表明細(xì)砂土的擊實(shí)特性受細(xì)粒含量影響而并非單一類型，但細(xì)粒含量對(duì)細(xì)砂土擊實(shí)特性的影響規(guī)律尚不明晰。

為進(jìn)一步研究細(xì)粒含量對(duì)細(xì)砂土擊實(shí)特性的影響，本文對(duì)取自遼河流域海相沉積細(xì)砂進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，揭示細(xì)粒含量對(duì)細(xì)砂土擊實(shí)特性的影響規(guī)律，提出基于擊實(shí)特性類別的砂土分類標(biāo)準(zhǔn)建議。為細(xì)砂土填料在路基工程中的應(yīng)用提供參考。

1 細(xì)砂基本性質(zhì)

1.1 細(xì)砂礦物化學(xué)成分

試驗(yàn)所用細(xì)砂取自下遼河平原火渤鐵路旁的云柳村，為天然形成的海相沉積細(xì)砂。對(duì)細(xì)砂樣本進(jìn)行X光衍射，得到其礦物成分為石英(SiO2，69.9%)、鉀長石(K2OAl2O36SiO2，13.7%)、鈉長石(NaAISi3O8，13.1%)以及少(微)量的斯石英(0.6%)、閃石(0.5%)、綠泥石(0.3%)，不定型成分占1.9%。

1.2 細(xì)砂物理性質(zhì)

對(duì)細(xì)砂進(jìn)行室內(nèi)篩分試驗(yàn)，結(jié)果見表1。可知，天然細(xì)砂的顆粒粒徑大多數(shù)都在0.075～0.500 mm，其含量超過97%，幾乎不含大于0.500 mm的顆粒，粒徑小于0.075 mm的細(xì)粒含量僅占2.1%，不均勻系數(shù)Cu為3.52，曲率系數(shù)Cc為0.86，顆粒粒徑小且單一，為級(jí)配不良細(xì)砂。對(duì)細(xì)砂進(jìn)行相對(duì)密度試驗(yàn)，其最大干密度為1.79 g/cm3，最小干密度為1.37 g/cm3。

表1 天然細(xì)砂篩分試驗(yàn)結(jié)果

2 細(xì)砂土擊實(shí)試驗(yàn)

2.1 試樣制備及特性

由室內(nèi)干篩試驗(yàn)所得細(xì)砂中的細(xì)粒含量僅為2.1%，按目標(biāo)細(xì)粒含量分別為8%,15%,25%和35%對(duì)細(xì)砂進(jìn)行質(zhì)量摻配。所摻配細(xì)粒土的物理性質(zhì)指標(biāo)見表2，可知摻配細(xì)粒土屬于低液限粉土[11]。

表2 摻配細(xì)粒土物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1是標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)得到的摻配細(xì)粒土擊實(shí)曲線，可知摻配細(xì)粒土的最大干密度約1.78 g/cm3，最優(yōu)含水率約為14.2%。

將細(xì)砂過0.075 mm篩，得到細(xì)粒含量接近0的試樣S1。表3列出了細(xì)粒含量不同的細(xì)砂土試樣編號(hào)及其顆粒密度。

因細(xì)顆粒易吸附于細(xì)砂顆粒上，單靠搖震干篩難以完全將細(xì)顆粒與細(xì)砂顆粒分離，若以此為依據(jù)無法準(zhǔn)確掌握細(xì)砂土試樣的細(xì)粒含量。試樣配制完成后，利用水篩法和密度計(jì)法進(jìn)行顆粒分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖2。

后來，只要輪休，齊海峰就去小火車站。他學(xué)聰明了，只花兩毛錢買一站票，然后就坐在候車室里，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地看著他的蓉兒。

圖1 摻配細(xì)粒土擊實(shí)曲線

試樣編號(hào)目標(biāo)細(xì)粒含量/%顆粒密度/(g/cm3)S102.62S22.12.63S38.02.64S415.02.64S525.02.65S635.02.67

圖2 細(xì)砂土試樣級(jí)配曲線

由圖2可知，各組試樣最大粒徑都在1～2 mm，粒徑大于0.50 mm的顆粒極少，小于0.25 mm顆粒含量超過50%。其中，試樣S2的粒徑基本小于0.50 mm，中間粒徑d50略低于0.25 mm，細(xì)粒含量未超過5%，Cu<5，Cc=0.86,粒徑單一，級(jí)配較差。試樣S1在試樣S2的基礎(chǔ)上通過篩分去掉了一部分黏粒，級(jí)配更差。從試樣S3～S6的級(jí)配曲線可以看出，所摻配粉土的粒徑大量集中在0.065～0.075 mm和0.009～0.022 mm粒徑區(qū)間內(nèi)，其含量超過細(xì)粒土總量的95%，粒徑小于0.005 mm以下的顆粒幾乎沒有，所摻配的細(xì)粒土組成全是粉粒，不含黏粒。試樣S1,S2均為級(jí)配不良細(xì)砂，試樣S3為級(jí)配不良含土細(xì)砂，試樣S4為級(jí)配不良細(xì)粒土質(zhì)細(xì)砂，試樣S5,S6均為級(jí)配良好的細(xì)粒土質(zhì)細(xì)砂，摻配細(xì)粒土改良了細(xì)砂的天然級(jí)配。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到細(xì)砂土試樣的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)，其工程分類見表4。

表4 細(xì)砂土試樣級(jí)配狀況及工程分類

注：Cu≥5且Cc=1～3時(shí)稱為級(jí)配良好砂，不能同時(shí)滿足時(shí)稱為級(jí)配不良砂。

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)及分析

對(duì)細(xì)砂土試樣S1～S6進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)曲線見圖3。

圖3 試樣S1～S6標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)曲線

由圖3可知，對(duì)細(xì)粒含量小于35.7%的試樣S1～S6，隨著細(xì)粒含量的增加，其擊實(shí)平均干密度增加；對(duì)細(xì)粒含量小于26%的試樣S1～S5在干燥狀態(tài)下，干密度出現(xiàn)最大值(或極值)，表現(xiàn)出砂性土特有的干壓實(shí)特性。相較于細(xì)粒含量進(jìn)一步增加的試樣S6，其干壓實(shí)特性基本退化，而呈現(xiàn)出與細(xì)粒土相似的擊實(shí)特性。在干燥狀態(tài)下，隨著細(xì)粒含量的增加，試樣擊實(shí)干密度呈現(xiàn)出非線性單調(diào)增大的變化趨勢(shì)，其中試樣S1～S4增加較快，試樣S5,S6趨于穩(wěn)定。試樣S1,S2和S3隨含水率增加擊實(shí)干密度減小并呈現(xiàn)出小幅波動(dòng)的變化趨勢(shì)，干密度峰值在含水率為4%～10%內(nèi)均可能出現(xiàn)，具有一定隨機(jī)性。高含水狀態(tài)下的干密度相對(duì)較低。對(duì)實(shí)際細(xì)粒含量分別為16.5%和26.2%的試樣S4,S5，仍具有一定的干壓實(shí)特征，其擊實(shí)曲線呈現(xiàn)先下降后上升再下降的變化規(guī)律，為“∽”形曲線形態(tài)，干密度峰值對(duì)應(yīng)的含水率約為8%～10%。對(duì)細(xì)粒含量大于30%的試樣S6，其擊實(shí)曲線已不再具有干壓實(shí)特征，轉(zhuǎn)而表現(xiàn)出細(xì)粒土所具有的典型單峰擊實(shí)曲線形態(tài)，最佳含水率特征明顯，其值略大于7%。

綜上所述，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，細(xì)砂土隨細(xì)粒含量變化其擊實(shí)特性可分為以下3種類型：

第一類曲線類型。細(xì)砂土中細(xì)粒含量較少(小于10%)時(shí)，干密度在干燥狀態(tài)下取得最大值，具有明顯的干壓實(shí)特性，隨含水率增加干密度下降并有波動(dòng)的下凹形曲線，可稱為干優(yōu)型擊實(shí)曲線。

第二類曲線類型。細(xì)砂土中細(xì)粒含量約為10%～30%時(shí)，隨含水率增加擊實(shí)曲線表現(xiàn)為先下降后上升再下降的“∽”形，干燥狀態(tài)下干密度與含水狀態(tài)下干密度峰值差異不大，可稱為雙優(yōu)型擊實(shí)曲線。

2.3 影響細(xì)砂土擊實(shí)特性的內(nèi)在因素

當(dāng)細(xì)砂土處于含水率極低的干燥狀態(tài)時(shí)，因細(xì)砂土中的粉黏粒不具有黏聚力而處于非常松散的狀態(tài)。砂土顆粒受到擊實(shí)錘自由下落在砂土中產(chǎn)生的振動(dòng)波而向垂直方向和水平方向振動(dòng)擠壓，只需要克服砂粒間相互移動(dòng)的摩阻力，因此顆粒之間易于相對(duì)運(yùn)動(dòng)、嵌擠和填充，干密度容易到達(dá)最大值[13]。

對(duì)于第一類干優(yōu)型擊實(shí)曲線的細(xì)砂土，一方面細(xì)砂土中黏粉粒含量較低，礦物成分中以憎水的石英為主，與水作用微弱，且細(xì)砂土孔隙率大，滲透性強(qiáng)，持水性差，在擊實(shí)過程中因良好的排水性能而不會(huì)形成較大孔隙水壓力，故含水率對(duì)濕潤狀態(tài)的細(xì)砂擊實(shí)性能影響較弱；另一方面，細(xì)粒含量較低的細(xì)砂土級(jí)配不良，粒徑比較單一，更易于在擊實(shí)功作用下形成擠密效應(yīng)而非嵌鎖，易發(fā)生擾動(dòng)和松動(dòng)，從而降低細(xì)砂土擊實(shí)效果，擊實(shí)曲線表現(xiàn)出小幅波動(dòng)特性，規(guī)律性較差[14]。粉黏粒的粒徑小，較多的粉黏粒含量能改善細(xì)砂的級(jí)配，對(duì)細(xì)砂土起到良好的填充作用，且粉黏粒顆粒密度大，因此對(duì)第一種曲線類型，其擊實(shí)平均干密度呈現(xiàn)出隨細(xì)粒含量增加而提高的變化趨勢(shì)。

對(duì)第二類雙優(yōu)型擊實(shí)曲線的細(xì)砂土，當(dāng)細(xì)砂土從干燥狀態(tài)轉(zhuǎn)到含水率較低的濕潤狀態(tài)時(shí)，隨含水率增加干密度逐漸減小到最小值。這主要是因?yàn)槠茐牧烁稍餇顟B(tài)下顆粒表面吸附薄膜的潤滑作用而形成的非潤滑效應(yīng)(用氯化鈣干燥過后的石英顆粒與石英塊之間的摩擦角為6°，而潮濕狀態(tài)下為24.5°[15]);其次粉黏粒遇水在顆粒表面形成結(jié)合水膜，形成具有黏滯性的似黏聚力;因?yàn)槊?xì)管應(yīng)力使顆粒之間產(chǎn)生吸力，同樣不利于壓實(shí)。隨著含水率繼續(xù)增加，結(jié)合水膜變厚，水的潤滑作用逐漸增加，似黏聚力逐漸減小，毛細(xì)應(yīng)力逐漸消失，擊實(shí)干密度相應(yīng)提高。當(dāng)干密度到達(dá)峰值后，隨著含水率繼續(xù)增加，砂中空隙已經(jīng)全部被水充滿，達(dá)到飽和，由于水不可壓縮，因此導(dǎo)致?lián)魧?shí)干密度降低[9]。

當(dāng)細(xì)粒含量繼續(xù)增加，細(xì)砂顆粒之間的縫隙基本被填滿而逐步失去骨架作用，其擊實(shí)特性受細(xì)粒物質(zhì)影響明顯，從而表現(xiàn)出類似細(xì)粒土的單峰擊實(shí)曲線。

3 細(xì)砂土分類標(biāo)準(zhǔn)和壓實(shí)技術(shù)

3.1 細(xì)砂土分類標(biāo)準(zhǔn)探討

細(xì)砂土的擊實(shí)特性隨細(xì)粒含量的變化表現(xiàn)出不同的特征，同時(shí)細(xì)砂土的工程分類也與細(xì)粒含量有關(guān)，我國鐵路、公路和水利行業(yè)對(duì)細(xì)砂土的分類標(biāo)準(zhǔn)基本相同，如表5所示。

表5 細(xì)砂土的工程分類

上述根據(jù)粒度組成的分類標(biāo)準(zhǔn)與細(xì)砂土滲透性有關(guān)，常常無法滿足工程需求。細(xì)砂土隨細(xì)粒物質(zhì)含量變化而表現(xiàn)出不同的擊實(shí)特性具有客觀性，建議根據(jù)受細(xì)粒含量影響的細(xì)砂土擊實(shí)曲線對(duì)細(xì)砂土進(jìn)行分類：第一類干優(yōu)型擊實(shí)曲線對(duì)應(yīng)的細(xì)砂土可分類為干優(yōu)型砂性細(xì)砂土；第三類濕優(yōu)型擊實(shí)曲線對(duì)應(yīng)的細(xì)砂土可分類為濕優(yōu)型土性細(xì)砂土；第二類雙優(yōu)型擊實(shí)曲線對(duì)應(yīng)的細(xì)砂土可分類為雙優(yōu)過渡型細(xì)砂土。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果中細(xì)砂土隨細(xì)粒含量變化表現(xiàn)出的3種擊實(shí)曲線及所含細(xì)粒含量，提出細(xì)砂土分類的新標(biāo)準(zhǔn)：細(xì)粒含量小于10%時(shí)為細(xì)砂，對(duì)應(yīng)干優(yōu)型砂性細(xì)砂土；細(xì)粒含量在10%～30%時(shí)為含土細(xì)砂，對(duì)應(yīng)雙優(yōu)過渡型細(xì)砂土；細(xì)粒含量在30%～50%時(shí)為土質(zhì)細(xì)砂，對(duì)應(yīng)濕優(yōu)型土性細(xì)砂土。

3.2 細(xì)砂土壓實(shí)技術(shù)

根據(jù)擊實(shí)曲線分類的3類細(xì)砂土在路基工程中實(shí)際應(yīng)用時(shí)，壓實(shí)工藝各有不同。第一類干優(yōu)型砂性細(xì)砂土應(yīng)用于路基填料時(shí)，應(yīng)盡量在無水干燥狀態(tài)下壓實(shí)，若無法保持干燥狀態(tài)，則應(yīng)使含水率位于6%～10%，此時(shí)也能取得較好的壓實(shí)效果。應(yīng)用第二類雙優(yōu)過渡型細(xì)砂土填料時(shí)，為取得最大干密度，應(yīng)使填料處于干燥狀態(tài)或經(jīng)試驗(yàn)確定的最佳含水率下進(jìn)行壓實(shí)。第三類濕優(yōu)型土性細(xì)砂土具有細(xì)粒土的擊實(shí)特性，可在由試驗(yàn)所得的最佳含水率下進(jìn)行壓實(shí)。選擇細(xì)砂土作為填料時(shí)，應(yīng)盡量選擇細(xì)粒含量較高的細(xì)砂土，對(duì)細(xì)粒含量較低的細(xì)砂，可摻配適量細(xì)粒土進(jìn)行級(jí)配改良，提高壓實(shí)密度和可控性。

4 結(jié)論

1)試驗(yàn)取自遼河平原的海相沉積細(xì)砂，細(xì)粒含量少，級(jí)配不良，呈典型的顆粒狀松散結(jié)構(gòu)，礦物成分以憎水的石英和長石為主。

2)細(xì)砂土含細(xì)粒含量小于30%時(shí)有干壓實(shí)特性，細(xì)砂土干壓實(shí)密度呈現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。

3)細(xì)粒含量對(duì)細(xì)砂土擊實(shí)特性影響顯著。隨細(xì)粒含量增加，細(xì)砂土擊實(shí)評(píng)價(jià)干密度變大，并依次表現(xiàn)出3種不同的擊實(shí)曲線：細(xì)粒含量較少時(shí)為干優(yōu)型擊實(shí)曲線；細(xì)粒含量較多時(shí)為濕優(yōu)型擊實(shí)曲線；細(xì)粒含量居中時(shí)則為“∽”狀雙優(yōu)過渡型擊實(shí)曲線。

4)根據(jù)細(xì)砂土的3種擊實(shí)曲線與細(xì)粒含量的關(guān)系，提出了細(xì)砂土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)建議：細(xì)粒含量小于10%時(shí)為細(xì)砂；細(xì)粒含量在10%～30%時(shí)為含細(xì)粒土細(xì)砂；細(xì)粒含量在30%～50%時(shí)為細(xì)粒土質(zhì)細(xì)砂。