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        含黏粒砂土填料工程特性研究

        2019-10-19 20:20:58高源朱紅麗
        建筑與裝飾 2019年12期

        高源?朱紅麗

        摘 要 含黏粒砂土作為一種良好的填料,常用于高等級公路、鐵路路基填方中,然而砂土作為一種松散的集料,其壓實特性往往受到黏粒含量的影響,呈現(xiàn)出不同壓實特性,研究不同黏粒含量的砂土的擊實特性,在路基施工方法的選擇和施工質(zhì)量的控制上具有重要意義。依據(jù)《土工試驗方法標準》,配制一系列不同黏粒含量的細砂進行重型擊實試驗,分析黏粒含量對砂土擊實特性的影響,研究表明:砂土在不同的黏粒條件下,表現(xiàn)出不同特征,大致可以劃分為3種類型,即準直線型、波峰波谷型、波峰型。后兩種類型存在界限黏粒含量,約35%;黏粒含量≥35%時,砂土表現(xiàn)出良好的擊實特性。

        關鍵詞 擊實試驗;含黏粒砂土;壓實特性;工程特性

        引言

        大量高速鐵路、高等級公路、機場、港口碼頭的建設,對路基、下臥層填料的需求量巨大,黏土、砂土作為良好的工程填料,壓實后具有較強的承載力和較小的變形,因此廣泛應用于工程實踐中。此外,砂土是一種極易獲得的工程原材料,在我國內(nèi)陸河流湖泊,沿海沙灘入海口、西部干旱沙漠風成砂,都提供了豐富的砂性土資源,給工程建設大大降低了原材料運輸成本[1]。

        雖然砂土作為一種良好的填筑材料,但是由于其顆粒呈松散狀態(tài),不能直接壓實填筑,需配合一定的黏性土作為膠結(jié)物,才能達到路基的填筑密實度。黏粒的含量大小顯著地改善了砂土作為路基填料的工程特性,也影響著路基的使用方式和施工質(zhì)量的控制,也對路基工后沉降產(chǎn)生影響[2-4]。本文通過采取天然砂樣,以不含細粒的部分為砂骨架配置一系列不同黏粒含量試樣,進行室內(nèi)重型擊實試驗,分析砂土的壓實機理,研究細粒含量對砂土壓實特性的影響,為砂土的工程應用提供參考。

        1試樣制備

        1.1 天然砂土樣的顆粒分析

        試驗試樣制備采用的砂樣為天然砂土,取樣于遼寧省營口市鲅魚圈地區(qū),參考《土工試驗方法標準》對砂樣進行顆粒分析,試驗結(jié)果如表1所示:

        由上表可知:砂的顆粒粒徑范圍集中在0.075~0.5mm之間,含量大于96%,顆粒直徑>0.5mm的顆粒所占比例小于3.7%,直徑小于0.075mm的細粒含量更少,只占1.95%,不均勻系數(shù)Cu=3.46,曲率系數(shù)Cc=0.83。由此可知,所取天然砂樣的顆粒較細,顆粒直徑分布集中,級配不良,較為純潔,黏粒含量較少,按現(xiàn)行相關規(guī)范可將其定義為細砂。

        1.2 試驗砂樣的制備

        由前文天然砂樣篩分試驗可知,天然砂樣黏粒含量為1.95%,由此對天然砂樣摻入不同比例的黏粒,可按質(zhì)量比例分別為5.0%,10.0%,20.0%和35.0%制備一系列不同黏粒含量的試驗試樣。所摻配黏土物理指標具體為:黏土天然密度ρ為2.72g/cm3,液限ωL為25.2%,塑限ωp為18.3%。

        參考《土工試驗方法標準》[5]對制備的一系列砂樣進行擊實試驗,可得其擊實曲線如圖2所示。由此可知,摻配黏粒的最大干密度為1.78g/cm3。最優(yōu)含水率為14.2%。

        同時制備一組黏粒含量接近為0的潔凈細砂,將上文所述混合砂樣進行編號如下:

        利用密度計法[5]對上述砂土試樣進行顆粒分析試驗結(jié)果如圖2所示。

        由此計算不均勻系數(shù)和曲率系數(shù),并按填料分組如下表3所示:

        2室內(nèi)擊實試驗

        本次擊實試驗儀器為CSK-VI型電動擊實儀,重型擊實筒內(nèi)徑和高度分別為102,116mm,擊錘質(zhì)量4.5kg,單位體積擊實功為2659kJ/m3,試樣分5層擊實,每層錘擊25次,擊實完成后選取試樣中心2處代表性試樣,采用烘干法測定含水率。

        對混合砂樣T1~T6進行標準重型擊實試驗[5],其標準重型擊實曲線如圖3。

        由圖3可知:對于砂樣T1,T2,在一定擊實功作用下,干密度隨含水率的變化不明顯,呈現(xiàn)準直線型。分析其原因主要有:①黏粒含量的影響,試樣T1,T2黏粒含量十分微小,小于5%,礦物主要成分為石英,無黏聚力,與水作用微弱;試樣T3的黏粒含量有所提升,在一定程度上改善級配,提高了黏聚力,干密度曲線整體上升,但是含水率對擊實干密度依然無明顯規(guī)律性影響;②排水條件的影響,砂樣T2是天然細砂,第四系沉積作用形成,粒徑單一,分選性好,是典型的顆粒狀松散結(jié)構(gòu),孔隙率大,滲透性強,在擊實過程中因良好的排水性能而不會形成較大孔隙水壓力,故含水率對壓實性能影響較小。

        砂樣T4,T5與砂樣T1,T2,T3相比,因為黏粒含量增加,黏粒土水界面的雙電層結(jié)構(gòu)改善了砂土混合物與水的作用,表現(xiàn)出較強的壓實效果。對于砂樣T5,隨著含水率的提高,干密度呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的趨勢,表明黏粒含量已經(jīng)對試樣土的擊實性能有了顯著影響。在含水率8%時,干密度分別達到峰值,試樣土表現(xiàn)出干壓實特性。在1% ~3%附近的低含水率區(qū)段,干密度最小,壓實效果差。此時擊實曲線呈波峰波谷型,其示意圖如圖4所示。

        由圖4可知:擊實曲線隨著含水率的變化分為四個區(qū)段。

        第一區(qū)段:當細砂處于含水率極低的干燥狀態(tài)時,砂顆粒之間的黏聚力分量為零,擊實功只需要克服砂顆粒的內(nèi)摩擦分量。當擊實錘落在砂樣表面時,砂顆粒受到垂直和水平兩個方向上的振動,砂顆粒向有空隙的空間移動,周圍有未滿足的應力場,會吸附周圍空隙中粒徑最小的顆粒,在砂顆粒表面形成薄膜,使砂顆粒的直接接觸面積減小[7]。此外,隨著黏粒含量的增加,改善了細砂的級配,使得砂樣T4,T5的干密度更大。

        第二區(qū)段:隨著含水率增加,砂樣干密度逐漸降低,并達到最小值。造成此現(xiàn)象的原因是:由于水對細砂顆粒的非潤滑效應,使內(nèi)摩擦分量加大。其次,砂中黏粒吸附水后,產(chǎn)生黏聚力,使砂樣中黏聚力分量增加。砂顆粒之間會產(chǎn)生結(jié)合水膜,含水率較小時,結(jié)合水膜黏結(jié)作用明顯,使得砂樣中內(nèi)摩擦分量和黏聚力分量都有所增加,不利于壓實。

        第三區(qū)段:砂中含水率繼續(xù)增大,水膜逐漸變厚,結(jié)合水膜的黏滯作用迅速退化,水對砂顆粒的潤滑作用逐漸增大,砂土內(nèi)摩擦力減小。同時,含水率增加使不利于砂顆粒位移的毛細吸力作用消失,砂樣更易擊實。

        第四區(qū)段:擊實干密度到達峰值后,隨著含水率繼續(xù)增加,砂土內(nèi)摩擦力和黏聚力下降幅度變小,砂達到飽和,由于水極難被壓縮,因此擊實干密度降低[8]砂樣T6在重型擊實功下,砂顆粒之間的孔隙基本被填滿,砂顆粒失去骨架支撐作用,表現(xiàn)出類似于黏性土的波峰型擊實曲線。砂樣T6黏粒含量約35%,表明黏粒含量≥35%時,砂土表現(xiàn)出良好的擊實特性,為界限黏粒含量。

        3結(jié)束語

        本文制備一系列摻配不同黏粒含量的細砂進行重型擊實試驗,研究細粒含量對砂土擊實特性的影響,得出以下結(jié)論:

        (1)級配均勻細砂的擊實特性與其細粒含量相關,是無黏性的砂骨架和含黏性的細粒共同作用的結(jié)果,根據(jù)細粒含量的不同擊實曲線可分為三種典型種類,即準直線型、波峰波谷型、波峰型。

        (2)砂土在干燥狀態(tài)和欠飽和狀態(tài)下具有良好的壓實特性,工程上可根據(jù)具體情況選擇合適的壓實含水率。同時,在低含水率時,砂土具有難以壓實的特性,工程上應該極力避免此類情況。

        (3)細粒含量較少的細砂擊實特性主要受無黏性的砂骨架影響,其擊實曲線為準直線型曲線、波峰波谷型曲線,且該類擊實曲線的細砂壓實性能較差,作為工程材料應謹慎使用。

        (4)合適的細粒比例會改良粉砂的級配,細粒含量超過35%的砂土具有良好的擊實特性,可作為一種良好的路基填料。

        參考文獻

        [1] 王勇,王艷麗.細粒含量對飽和砂土動彈性模量與阻尼比的影響研究[J].巖土力學,2011,32(9):2623-2628.

        [2] 張海霞,凌建明,蔣鑫,等.長江口細砂路用性能的試驗研究[J].公路工程,2008,33(3):142-146.

        [3] 張宏,錢勁松,戴清,等.長江口細砂作為路基填料的工程特性研究[J].建筑材料學報,2012,15(2):237-240.

        [4] 譚鵬,曹長偉,資西陽,等.濱海細砂作為公路路基填料的工程特性研究[J].公路工程,2014,39(1):94-98.

        [5] GBT50123-1999.土工試驗方法標準非原版[S].北京:中華人民共和國建設部,1999.

        [6] 姚兆明,黃茂松,張宏博.長期循環(huán)荷載下粉細砂的累積變形特性[J].同濟大學學報(自然科學版),2011,39(2):204-208.

        [7] 趙天宇,王錦芳.考慮密度與干濕循環(huán)影響的黃土土水特征曲線[J].中南大學學報(自然科學版),2012,43(6):2445-2453.

        [8] 高大釗.土質(zhì)學與土力學[M].北京:人民交通出版社,2000:201.

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