彭文件　劉　群

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司　貴州　550081)

無黏性粗顆粒填料的振動擊實試驗研究

彭文件劉群

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司貴州550081)

摘要根據(jù)試驗規(guī)范和國內(nèi)外研究成果，對高速鐵路高填路基無黏性粗顆粒填料進行振動擊實試驗研究。結(jié)果表明，無黏性粗顆粒填料的振動擊實試驗曲線呈波浪形，即隨含水率的增大，干密度先減小后增大；在干燥狀態(tài)或飽和含水狀態(tài)時干密度較大，最大干密度為2.24 g/cm3；建議在施工中采用干燥狀態(tài)或飽和含水狀態(tài)的無黏性粗顆粒填料來增加壓實效果。

關(guān)鍵詞無黏性粗顆粒高速鐵路振動擊實試驗最大干密度

美國、澳大利亞、加拿大和日本對于無黏性粗顆粒和巨顆粒土(小于0.075mm的顆粒含量不大于15%)，采用振動臺法獲得最大干密度；英國和瑞典等歐洲國家采用表面振動壓實試驗；德國和法國采用普氏擊實試驗[1]。對無黏性粗顆粒土的擊實試驗，我國水電系統(tǒng)沿用ATSM標準振動臺法，公路行業(yè)則規(guī)定對粗顆粒和巨顆粒土采用振動臺法和表面振動壓實法來得到最大干密度；在鐵路行業(yè)，原鐵路土工試驗規(guī)程采用標準擊實法，新實施的TB10102-2010鐵路土工試驗規(guī)程[2]及水利和公路規(guī)范對擊實方法進行了修改，采用表面振動壓實試驗來確定最大干密度。本文以滬昆客運專線DK369+015～DK371+417高填路堤中的砂質(zhì)板巖無黏性粗顆粒填料為研究對象，采用表面振動壓實試驗來確定其最大干密度。

1篩分試驗

粗粒土試驗土樣直接從路基填筑現(xiàn)場取樣，由于料場出產(chǎn)的填料粒徑不大于60mm，采用剔除法對極少數(shù)超大粒徑的填料進行人工剔除，控制粗粒土試樣最大粒徑為60mm。將取回來的全部土樣攤平置于橡皮板上，用木錘把粗顆粒表面上的細粒土錘散，錘擊時不應破壞土的天然顆粒，再經(jīng)日曬風干成自然態(tài)。用四分對角線法按《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB10102-2010)表7.2.2的規(guī)定，取不少于5kg的代表性風干試樣，用篩分機進行顆粒分析試驗。平行進行3次篩分試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1　粗粒土顆粒組成

將篩分試驗結(jié)果繪制成粗粒土填料的級配曲線，見圖1。

圖1　砂質(zhì)板巖粗粒土級配曲線

由圖1可見，粗粒土顆粒分布均勻，不均勻系數(shù)Cu>10，曲率系數(shù)Cc在1～3之間，大于5 mm的顆粒含量占到80%左右，是優(yōu)良的粗顆粒填料。

2表面振動壓實試驗

根據(jù)《鐵路工程土工試驗規(guī)程(TB10102-2010)》相關(guān)規(guī)定，采用表面振動壓實試驗(試驗裝置見圖2)測定粗粒土的最大干密度和最優(yōu)含水率。表面振動壓實法的振動原理是粗粒土料在振動沖擊過程中，土顆粒之間的摩擦力由初始的靜止狀態(tài)進入動摩擦狀態(tài)，同時顆粒重新排列，細顆粒與粗顆粒相互填充，與現(xiàn)場壓路機碾壓的原理相似，且能使填料顆粒更好地分布，達到更大的壓實度。因此從原理上來說，表面振動壓實試驗法與現(xiàn)場壓實條件更加符合。

圖2　表面振動壓實試驗裝置

2.1表面振動壓實試驗參數(shù)

振動機功率：1.1kW；振動頻率：47.5～50Hz；激振力：80kN。

試筒尺寸：體積14 200cm3，內(nèi)徑280 mm，試筒高度300 mm，套筒高度250 mm。

振動時間：6～8min。

土樣最大粒徑：60mm。

表面振動壓實儀擊實筒直徑280mm，是最大粒徑的4倍以上，滿足尺寸效應的粒徑要求。

2.2試驗步驟

(1) 按選用擊實筒(內(nèi)徑為d)取6份風干態(tài)試樣，每份質(zhì)量為35～40kg，稱量并記錄空試筒質(zhì)量。

(2) 分別加水達到所要求的不同含水率，將土樣和水充分拌勻，并燜料24h直到水分均勻分布。

(3) 每一組試樣分3份，第一份裝填完后土樣高度宜為擊實筒高的1/3，裝上套筒進行振動壓實試驗。

(4) 振動密實后卸下套筒，循環(huán)裝填第二份、第三份。

(5) 試驗完成后稱重擊實筒和試樣總質(zhì)量m1，并測量試樣總高度h1，按照式(1)、式(2)計算土樣密度。

濕密度=濕土質(zhì)量/體積=(m1-m0)/πd2h1

(1)

干密度= 濕土質(zhì)量/(1+含水率)=

(m1-m0)/πd2h1(1+ω1)

(2)

2.3試驗結(jié)果

按照規(guī)范要求，平行進行了3組表面振動壓實試驗，得到粗粒土填料含水率與密度的關(guān)系，見表2。

表2　粗顆粒填料含水率與密度關(guān)系

由表2可見，砂質(zhì)板巖粗粒土填料在干燥態(tài)與飽和含水狀態(tài)時干密度較大，最大干密度為2.21g/cm3，表面振動擊實試驗結(jié)果見圖3。

圖3　表面振動壓實試驗曲線

由圖3可見：當含水率接近0時，干密度較大，稍增大含水率，干密度反而減小，直至曲線上出現(xiàn)干密度值最小的谷點；但在此點之后，干密度又隨含水率的增大而增大，曲線出現(xiàn)雙峰值，這是無黏性粗顆粒填料獨有的特征。郭慶國[3]等早在碧口砂礫石、大伙房砂礫石中發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。

究其原因主要是無黏性粗顆粒填料顆粒較粗，且顆粒間粘結(jié)力趨于0，當含水率很小時，在外力作用下大小顆粒之間易于相互充填，形成較高的密度；當稍增加含水率后，在顆粒表面形成一層薄膜水，增大了分子引力，顆粒間形成似粘結(jié)力，在外力作用下，顆粒移動不但要克服摩阻力，還要克服由水分子形成的似粘結(jié)力，因而不易壓實，干密度較小；以后隨著含水率的增大，水膜增厚，水分子引力逐漸減小，以至消失，同時還在顆粒間起潤滑作用，減小摩阻力，顆粒在外力作用下易于移動和相互填充，可達到較高的密度值。無黏性粗顆粒填料因自身顆粒粗，透水性強，具有自由排水能力，壓實中孔隙水被擠壓出來，孔隙減小而逐漸密實，它的最優(yōu)含水率相當于全部孔隙被水填充的飽和含水量[4]。

收稿日期：2014-10-05

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.045