砒砂巖與沙復(fù)配成土的顆粒級配與力學(xué)特性研究

【摘要]毛烏素沙地分布著大量易風(fēng)化侵蝕的砒砂巖和松散無聚力的風(fēng)積沙，給當?shù)亟煌ńㄔO(shè)帶來了極大問題。本文為了解決此問題，減少其對環(huán)境及工程的危害，有效利用當?shù)刭Y源，選用砒砂巖與沙復(fù)配成土作為路基材料。將其按質(zhì)量比5：1、4：1、3：1、2：1、1：1、1：2、1：5這7種比例復(fù)配，運用Mastersizer 2000、重型擊實儀和壓汞儀，測得不同比例的顆粒級配、最大干密度和孔隙分布情況，分析其壓實特性，確定最佳配比。試驗結(jié)果表明：當砒砂巖與沙以質(zhì)量比2：1復(fù)配，不均勻系數(shù)Cu約為23.03，曲率系數(shù)Cc為1.27～1.5，屬級配良好土;且含水率在7%～9%時，最大干密度為2.04～2.05 g/cm3，壓實特性最好，適合用作路基填料。

【關(guān)鍵詞】砒砂巖;顆粒級配;擊實試驗;壓汞試驗;最大干密度;最佳含水率

本文通過對顆粒級配和擊實試驗分析，結(jié)合壓汞試驗進行孔隙結(jié)構(gòu)研究，了解砒砂巖與沙的復(fù)配土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，及其帶來的壓實特性與力學(xué)性質(zhì)變化，分析內(nèi)在成因，確定最佳復(fù)配比例，為其用作沙漠公路筑路材料提供可靠的數(shù)據(jù)支撐[1]。

1、物理特性試驗與擊實試驗

壓實特性主要指標為最大干密度和最佳含水率[2，3]，也是確保路基填料質(zhì)量的首選指標。壓實特性越好，密實度越好，土壤顆粒間的膠結(jié)力越好，內(nèi)聚力越高，抗剪強度越大，承載力與穩(wěn)定性越強。為了了解砒砂巖與沙復(fù)配土的物理力學(xué)特性，采用顆粒級配試驗、壓汞試驗及擊實試驗對復(fù)配土的顆粒級配、孔徑分布、最大干密度等指標進行測定。

1.1顆粒級配試驗

將砒砂巖與風(fēng)積沙風(fēng)干研磨過2mm篩后，按不同質(zhì)量比（m（A）：m（S））1：0、5：1、4：1、3：1、2：1、1：1、1：2、1：5、0：1均勻拌合，稱取樣品10.0g后，送入Mastersizer 2000激光粒度分析儀進行測定，每個比例重復(fù)三次，共測定27樣次。

1.2壓汞試驗

壓汞試驗是通過加壓使汞進入顆粒間孔隙中，所壓進汞的體積就是顆粒間孔隙的體積。試驗按質(zhì)量比1：0、2：1混合，含水率控制在12%左右制樣，試驗結(jié)果最準確。

1.3 擊實試驗

按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTJ050-93）中的要求，本次試驗選用小型擊實筒[4-6]，具體尺寸見表1。

由于風(fēng)干土的各項指標最接近工程實際，且所測得的結(jié)果與最大干密度值最近，故選用風(fēng)干后的材料，按上述質(zhì)量比混合，選取5%、7%、9%、11%和13%的含水率加入相應(yīng)水量，拌和均勻，燜料一夜后，開始擊實試驗，共計35個試樣。

2、試驗結(jié)果及分析

2.1擊實試驗結(jié)果分析

復(fù)配土在不同含水率及不同質(zhì)量比條件下的干密度如表2所示，同一含水率不同比例的最大干密度如圖1所示。

2.2質(zhì)量比對最大干密度的影響

復(fù)配土2質(zhì)量比的發(fā)生變化的實質(zhì)是土壤質(zhì)地的變化，所以質(zhì)量比對最大干密度的影響實質(zhì)是土壤質(zhì)地變化的影響。

分析圖1可知，當復(fù)配土的含水率為9%時，砒砂巖與沙的比例為5：1時，最大干密度為1.97 g/cm3;添加風(fēng)積沙，即砂粒，質(zhì)量比變?yōu)?：1時，最大干密度變化率極小;為3：1與2：1時，增加到2.03g/cm3與2.04g/cm3，且增加速率比較明顯。風(fēng)積沙雖然顆粒間孔隙較大，但粒徑較小的砒砂巖顆?？梢蕴畛渲?，彌補孔隙;同時顆粒之間的電分子引力與毛細壓力，使其聚集于一體，密實度更高，具有更強的壓實特性。隨著風(fēng)積沙顆粒的持續(xù)增多，土體顆粒趨于均勻，不均勻系數(shù)逐漸減小，級配良好性降低，促使穩(wěn)定性降低，砒砂巖顆粒不足以填充砂?？p隙，孔隙變大，密度也隨之降低，所以最大干密度開始相對減小。因此，當砒砂巖與沙質(zhì)量比為2：1時，最大干密度值最大，同時由顆粒級配分析可知，為級配良好的土。

2.3含水率對最大干密度的影響

復(fù)配土在同一質(zhì)量比的條件下，干密度隨含水率的增加先增加后減小。由表2分析可知，當含水率由5%升到7%，直至9%時，干密度隨之增加到最大干密度。這是由于在低含水率下，土體顆粒表面的水凝膜比較薄，發(fā)揮的潤滑作用不強，顆粒間的摩擦力比較大，阻礙壓實;隨著含水率的增加，土體顆粒表面吸附的水凝膜逐漸變厚，足以發(fā)揮良好的潤滑作用，使其更易被壓實;同時水分填滿細小的縫隙，增加了土體的密實度。

結(jié)論：

本文通過研究砒砂巖和沙復(fù)配土的微觀特性，并結(jié)合擊實試驗，發(fā)現(xiàn)：

通過擊實試驗數(shù)據(jù)分析可知，當砒砂巖與沙的質(zhì)量比為2：1，含水率在7%～9%時，最大干密度約為2.05 g/cm3。同時也映證了質(zhì)量比為2：1的復(fù)配土，是級配良好的土。

有上述分析可知，砒砂巖與沙作為路基填料使用時，最佳壓實比為2：1，最佳含水率為7%～9%，最大干密度約為2.05 g/cm3。最大干密度和最佳含水率在路基填筑壓實中起著至關(guān)重要的作用，對其穩(wěn)定性和強度指標具有控制意義。獲取這些條件后，再進行CBR試驗，探討和分析復(fù)配土的壓實度，研究其路用性能，可為砒砂巖與沙用于道路建設(shè)材料提供可靠數(shù)據(jù)支撐，解決沙漠道路材料缺乏的問題，加速沙漠公路里程數(shù)增速，促進當?shù)亟?jīng)濟高速發(fā)展。

參考文獻：

[1]宮旭黎，王莉，周濱.曲率系數(shù)在評價土的級配情況中的重要意義[J].黑龍江交通科技，2002，5（99）：16-17.

[2]魏雨露，張露.砒砂巖與沙復(fù)配成土的顆粒級配與壓實特性研究[J].西部大開發(fā)（土地開發(fā)工程研究），2017（04）：29-33.

[3]包衛(wèi)星，郭小龍，楊萬精.干旱荒漠區(qū)天然砂礫路基填料壓實特性分析[J].中國公路學(xué)報，2017，30（02）：18-24.

[4]莊心善，張立波，陶高梁，et al.壓汞試驗技術(shù)研究黏性土微觀孔隙分布特性[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，28（1）：22-24.

[5]章立，張成立，劉韻馨.風(fēng)積沙最大干密度的試驗研究[J].山西建筑，2007，33（17）：180-182.

[6]聶青龍，邊艷妮，蔡睿.風(fēng)積砂最大干密度確定方法及壓實度檢測方法研究[J].中國公路，2013（3）：120-121.

（本文作者單位為：1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司，陜西西安，7100751;2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西西安，710075;3.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西西安，710075;4.自然資源部退化及未利用土地整治重點實驗室，陜西西安，710075）