余宗杰，焦芳芳

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830046)

0 前 言

新疆處于特殊的干旱荒漠區(qū)環(huán)境，這一獨(dú)特環(huán)境儲(chǔ)藏著極為豐富的天然砂礫，天然砂礫是一種較好的路基填料并已在工程中廣泛應(yīng)用[1]。新疆地區(qū)路基填料以天然砂礫為主，天然砂礫具有強(qiáng)度高、壓實(shí)密度大、沉降變形小及透水性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)天然砂礫顆粒組成不均勻、細(xì)粒含量少、顆粒間結(jié)合力低，一般屬于粗粒土范圍[2]。相關(guān)文獻(xiàn)[3]表明自東向西顆粒級(jí)配存在著較大差異。本文針對(duì)新疆某地區(qū)天然砂礫進(jìn)行室內(nèi)顆分試驗(yàn)和室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)，研究天然砂礫的不同顆粒含量的壓實(shí)特性，研究粗顆粒含量和細(xì)粒土含量對(duì)天然砂礫最大干密度和最佳含水量的影響。確定天然砂礫在粗顆粒含量、細(xì)粒土含量下最大干密度和最佳含水量的變化關(guān)系。確定天然砂礫的最大干密度和最佳含水量有利于提高實(shí)際工程碾壓質(zhì)量。

1 天然砂礫顆分試驗(yàn)

新疆地處我國(guó)西北，地域遼闊，礫類(lèi)土分布十分廣泛。新疆礫類(lèi)土的形成主要是第四紀(jì)地質(zhì)構(gòu)造巖石風(fēng)化形成的[4]。選取G331青河—富蘊(yùn)縣—阿勒泰公路工程的天然砂礫路基填料進(jìn)行室內(nèi)顆分試驗(yàn)。該地區(qū)天然砂礫的顆粒最大粒徑小于60 mm，粒徑范圍為5～60 mm的占57.2%，在2 mm篩孔上顆粒含量為12.4%，在1 mm篩孔上顆粒含量為2.9%，在0.5 mm和0.25 mm篩孔上顆粒含量分別為9.1%和9.8%，在0.075 mm篩孔上顆粒含量為17.1%，在篩底上顆粒含量為5.9%。天然砂礫級(jí)配參數(shù)見(jiàn)表1，級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

表1 天然砂礫級(jí)配參數(shù)

圖1 級(jí)配曲線(xiàn)

由圖1可以看出，取自新疆阿勒泰地區(qū)的天然砂礫，由于1～2 mm的顆粒含量較少，可以看出在1～2 mm間是一段極為平緩的臺(tái)階。不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc能很好反映天然砂礫顆粒粒徑的組成，前者主要反映天然砂礫顆粒粒徑分布情況，后者主要反映天然砂礫顆粒級(jí)配曲線(xiàn)的形狀。由表1可以得出，不均勻系數(shù)Cu=63.0，曲率系數(shù) Cc=0.30，細(xì)粒土含量為5.87%，粗顆粒含量為57.2%。根據(jù)公路土工試驗(yàn)規(guī)程[5]規(guī)定，礫類(lèi)土中細(xì)粒組質(zhì)量為總質(zhì)量5%～15%的土稱(chēng)含細(xì)粒土礫，記該土的名稱(chēng)代號(hào)為GF。表1中的d10=0.10，該值表示顆粒粒徑小于0.10 mm的顆粒的質(zhì)量占篩分總質(zhì)量的10%，d30和 d60的表示與此相同。

2 易溶鹽試驗(yàn)

篩取1 mm以下顆粒100 g天然砂礫進(jìn)行易溶鹽試驗(yàn)，通過(guò)易溶鹽試驗(yàn)測(cè)定天然砂礫離子種類(lèi)和含量[6]，具體離子種類(lèi)及含量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 天然砂礫易溶鹽試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，天然砂礫中Cl-/SO42-含量為0.43%，SO42-的含量次之，其中HCO3-、Cl-和Ca2+含量比較接近，天然砂礫中含鹽總量為0.225%。結(jié)合以上數(shù)據(jù)和公路土工試驗(yàn)規(guī)程[5]可判斷該天然砂礫為硫酸鹽非鹽漬土。

3 天然砂礫擊實(shí)特性研究

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

相關(guān)文獻(xiàn)[7]表明，天然砂礫的最大干密度與粗顆粒含量和細(xì)粒土含量密切相關(guān)，本實(shí)驗(yàn)將對(duì)這兩個(gè)因素的影響進(jìn)行研究。

本實(shí)驗(yàn)方法選用重型擊實(shí)儀進(jìn)行試驗(yàn)，選用干土法制備試樣，首先對(duì)提前風(fēng)干的天然砂礫料進(jìn)行篩分，以備后期試驗(yàn)摻配取用，按控制粒徑含量要求稱(chēng)取砂礫料，含水量按2%遞增，分別為3%、5%、7%、9%、11%。每組按四分法分別制備5個(gè)試樣，一共11組試驗(yàn)。

3.2 影響因素分析

3.2.1 粗顆粒含量的影響

對(duì)天然砂礫進(jìn)行不同粗顆粒含量(P5)的擊實(shí)試驗(yàn)，分析得到P5對(duì)天然砂礫最大干密度和最佳含水量的影響，如圖2所示。

圖2 P5與天然砂礫最大干密度、最佳含水量的關(guān)系

從圖2可以看出，天然砂礫的最大干密度隨著粗顆粒含量的增加而先增加后減小。當(dāng)粗顆粒含量處于20%～40%時(shí)，天然砂礫最大干密度ρdmax增長(zhǎng)較快，增長(zhǎng)率為3.7%，此階段由于級(jí)配中5 mm以下顆粒含量遠(yuǎn)大于5 mm以上顆粒含量，粗顆粒料含量太少；當(dāng)粗顆粒含量處于40%～70%時(shí)，天然砂礫最大干密度ρdmax增長(zhǎng)變得平緩，增長(zhǎng)率為2.7%，當(dāng)粗顆粒含量為70%時(shí)，天然砂礫有最大干密度，此時(shí)ρdmax=2.29 g/cm3，此時(shí)的粗顆粒含量稱(chēng)最佳粗顆粒含量，這與文獻(xiàn)[1]中略有差異，其主要原因是由于擊實(shí)方法不同。當(dāng)粗顆粒含量不斷增加，粗細(xì)顆粒間充分填充；當(dāng)粗顆粒含量處于70%～80%時(shí)，天然砂礫最大干密度ρdmax開(kāi)始減小，減小率為0.4%，其主要原因是粗顆粒含量太大，細(xì)顆粒無(wú)法填滿(mǎn)粗顆粒間形成的間隙，導(dǎo)致天然砂礫的空隙率變大，即表現(xiàn)為最大干密度ρdmax減小，此階段為骨架空隙結(jié)構(gòu)。

通過(guò)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出天然砂礫ρdmax和p5之間的關(guān)系，用式(1)表示：

ρdmax=0.0225 P5+ 2.1471 (R2=0.9004)

(1)

從圖2可以看出，取自新疆阿勒泰地區(qū)天然砂礫的最佳含水量隨著P5的增加而減小。這主要是由于粗顆粒不斷增加的同時(shí)，細(xì)顆粒料在不斷減小，導(dǎo)致粗顆粒間出現(xiàn)無(wú)法填滿(mǎn)的空隙。通過(guò)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出天然砂礫wopt和P5之間的關(guān)系，用式(2)表示：

wopt=-0.5179 P5+8.6857 (R2=0.9921)

(2)

通過(guò)以上分析表明，粗顆粒含量P5對(duì)天然砂礫的最大干密度ρdmax和最佳含水量wopt都有顯著影響，在實(shí)際工程中，只有當(dāng)路基填料的粗顆粒含量P5處于最佳粗顆粒含量附近，即60%～70%最佳，這與文獻(xiàn)[8]研究結(jié)果基本一致，并且含水量處于最佳含水量附近，才能得到最佳的壓實(shí)效果。

3.2.2 細(xì)粒土含量的影響

對(duì)天然砂礫進(jìn)行不同細(xì)粒土含量(F)的擊實(shí)試驗(yàn)，分析F對(duì)天然砂礫最大干密度和最佳含水量的影響，如圖3所示。

從圖3可以看出，取自新疆阿勒泰地區(qū)天然砂礫的最大干密度ρdmax隨著f的增加而減小，主要是因?yàn)殡S著f的增加，粗顆粒料間被細(xì)顆粒料分隔而無(wú)法接觸。

圖3 f與天然砂礫最大干密度、最佳含水量的關(guān)系

通過(guò)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出天然砂礫ρdmax和F之間的關(guān)系用式(3)表示：

ρdmax=-0.043F+ 2.311 (R2=0.989)

(3)

通過(guò)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出天然砂礫wopt和F之間的關(guān)系用式(4)表示：

Wopt=0.97F + 4.41 (R2=0.998)

(4)

通過(guò)以上分析表明，細(xì)粒土含量F對(duì)天然砂礫的最大干密度ρdmax和最佳含水量Wopt都有顯著影響，在實(shí)際工程中，只有當(dāng)路基填料的細(xì)粒土含量處于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的細(xì)粒土含量附近，并且含水量處于最佳含水量附近時(shí)，才能得到最佳的壓實(shí)效果。

4 結(jié) 論

1)新疆阿勒泰地區(qū)的天然砂礫為硫酸鹽非鹽漬土，土中細(xì)粒組質(zhì)量為5.87%，名稱(chēng)代號(hào)為GF。

2)最大干密度隨著粗顆粒含量的增加而先增大后減小，當(dāng)含量處于20%～40%時(shí)，天然砂礫最大干密度ρdmax增長(zhǎng)較快；當(dāng)粗顆粒含量處于40%～70%時(shí)，天然砂礫最大干密度ρdmax增長(zhǎng)變得相對(duì)平緩；當(dāng)粗顆粒含量為70%時(shí)，天然砂礫有最大干密度，此時(shí)ρdmax=2.29 g/cm3，此時(shí)的粗顆粒含量稱(chēng)最佳粗顆粒含量。

3)天然砂礫的最大干密度ρdmax隨著細(xì)粒土含量的增加而減小，隨著細(xì)粒土含量逐漸增加，含水量也逐漸增加。

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