击实实验与路基压实度微观机理的探讨

李文琴 任 磊 皮景坤

0 引言

随着社会的不断进步,我国公路事业也在迅猛发展,在公路施工过程中路基压实是非常重要的施工环节。多年以来,我国一直采用压实度(即工地实际达到的干密度与室内标准击实试验所得的最大干密度的比值)指标来控制路基施工的质量。对路基进行高标准的压实,是保证路基应有强度和稳定性的一项最经济有效的技术措施。具体做法是根据压实填土在公路工程建设中的使用条件和设计要求,确定一个标准压实度,作为质量控制和验收标准(见表1)。

本文针对室内标准击实试验进行细致分析,且从土的细观和土的基本性质角度出发,来探讨路基压实过程中的土体变形的微观机理,从而对了解土体压实的本构模型有一定的现实意义。

表1 压实度

1 室内击实试验

室内标准击实试验采用击实仪,按单位体积击实功分为轻型(598.2 kJ/m3)和重型(2 687 kJ/m3)两种,轻型击实试验法使用质量为2.5 kg,直径为5 cm圆柱锤底的标准重锤。在0.3 m高度上释放,重锤自由落体,分三层来夯击体积为997 cm3的土样。重型击实试验法使用质量为4.5 kg,直径为5 cm圆柱锤底的标准重锤。在0.45 m高度上释放,重锤自由落体,分五层来夯击体积为997 cm3的土样。目前公路规范规定以重型击实试验为标准求得某一土料的最大干密度。调制不同含水量的土料,经击实后求出不同含水量下的干密度,做干密度和含水量曲线,求得该土料的最大干密度ρdm和最佳含水量。根据土的击实理论,最大干密度随击实功的增加而逐渐增大,反之最佳含水量逐渐减小,同时这种增大和减小是递减的。根据此理论和对标准击实试验理论的分析可以得出,由标准击实试验求得的最大干密度是相对于标准击实功下的最大干密度,它不是理论上的绝对最大干密度,是相对的最大干密度。土料在击实和压实的短暂过程中,发生着复杂的分子间能量转化、结构变化等。

2 偏差产生的微观机理

2.1 微观上而言

土的工程性质从本质上来说是取决于其微结构,是土体结构单元体性质的综合表现。在评价土体的工程性质时,必须重视土体微结构的研究。土粒的大小、形状、联结及其相互排列和孔隙的大小、形状等都是土体强度和变形的决定性因素。土的相对体积质量、液限、塑限等指标取决于其成分,而土的孔隙比、重度、压缩性及强度等指标则主要受土的结构所控制。

标准击实试验是在室内通过施加冲击荷载对材料进行压实来模拟现场施工条件(包括施工机械和施工方法)下,找出获得压实填土的最大干密度和相应的最佳含水率,再结合现场土密度的测定,从而得出填土的压实度,以供填土工程中控制质量之用。击实试验法的平均单位击实功值是一个基准值,有严格的实验条件限制,为有侧限土体。有侧限的土体在一定的击实功的动力夯击下,土的微观结构也发生了一系列变化,从松散集粒结构→紧密集粒结构→镶嵌结构→紊流状结构→定向排列结构。因施加的是冲击荷载,室内击实试验的功能使土体中孔隙的周边骨架被折断,形成愈来愈参差不齐、复杂的多边形,土体变为重塑性土体,使土体的微观结构变为定向排列结构,从而使土体变得很密实。

击实后土颗粒更趋于定向排列,其定向性均明显;击实前土的孔隙特征表现为双峰、双态,具有两个优势孔隙:大孔隙及小孔隙;而土的孔隙变得更均匀,击实后土的大孔隙明显变小、变少;击实坑底土样见破碎现象,破碎处棱角明显,说明击实有可能使土体中部分较大粒径碎屑颗粒发生细化,颗分试验的结果也证实了这一点;细颗粒填充于粗颗粒空隙之中,形成骨架密实结构。

而现场压路机在施工作业时被碾实的土基是半无限土体。土基无侧限制土壤不均匀诸条件与击实试验法限制的条件不同。它只是表面的振动土体,很难振动深层的土体,而且它所施加的功不足以使土体发生结构性破坏,也就是说不能使土体变为重塑性土体而只能达到镶嵌结构。土体的压实效果很难达到室内标准击实试验所要求的干密度。这就造成了压实度达不到要求。两者作用机理不同,压实形成土体结构的力学性能亦不同。室内击实试验的压实过程是使土颗粒朝垂直向同一个方向运动,随着荷载的增加,颗粒间的摩阻力也增加,在一定含水量下,无限增加压实功也达不到压实效果。而压路机的振动作用,使被压土体颗粒之间的摩阻力由初始的静摩擦力状态逐渐进入动摩擦力状态,摩擦力减小,同时进行大范围往复运动,出现相互填充现象,更易形成密实悬浮结构。击实是结合当时压实机械和车辆轴载情况提出的,现在振动压路机几乎遍及所有施工工地,因此,采用击实方法确定的最大干密度与振动压路机压实所能得到的干密度不一定相匹配,这就造成了施工中压实度检测出现了各种问题。而且在土体中存在着拱效应,即存在着形成硬壳体的集聚体,这种集聚体有很大的强度。在室内标准击实的情况下,由于施加的是冲击荷载以及是平均单位击实功值,所以它能够把这种集聚体击碎,使之形成填充的细集料。而现场使用的振动压路机是不能够使集聚体达到破坏的。

2.2 室内击实与施工现场

室内标准击实试验在对试样的制备时要将试样通过风干或低温烘干后,经木棒碾碎并且经过过筛、喷水、拌和然后焖料24 h等过程,经过这样对试样处理后,土颗粒的均匀性以及含水量的均匀性都很好并且空隙率较小。另外,在对土样的整个制备过程中,原土中含有的氧化铁、氧化铝、有机质等组成的胶结连接受到扰动而致破坏,再经过击实后,这种胶结连接更大大降低。

虽然规范要求路基在碾压前要将不符合规范要求的土颗粒粉碎后再进行碾压,但是,在实际施工时往往很难完全达到规范的要求。这样便使路基填料中较大尺寸的土块没有被粉碎,尤其是路堤底部填土,这一现象更是常见。这样的填料均匀度就很差,在一定的压实功能及含水量下很难压实,达不到压实度的要求。另外,由于料场的不单一,使土的来源也不单一,致使土的颗粒组成不均匀,也使土的含水量不均匀,又由于压实路基前后降雨使含水过大或日照使含水减少,都会使土的含水量不均匀。影响路基压实效果的重要因素就由土的均匀性、含水量的大小以及土的颗粒组成。

3 探讨

通过击实前后土体微观结构特征以及室内击实与现场振动碾压机理的研究,我们得到如下结论:1)压实度不足有各种原因,除去人为因素,还有室内标准击实实验与现场振动碾压限制条件不一致,施加荷载不一样等,产生了压实度不足的情况。从微观上揭示了击实的内在工作机理,有助于我们在进行压实度的检测时进行合理的判定。2)微观结构,指用各种电子显微镜和X光衍射仪等现代技术手段揭示的结构特征。结构单元体小于0.005 mm,它由单粒、团聚体、叠聚体和孔隙等组成。微观结构包括这种微小单元体的特征、在空间的分布状况以及它们之间的接触连接特点和微观孔隙特征。通过对微观结构的研究可以认识土的许多工程性质的本质,了解土的工作机理,尤其为建立正确的土本构关系,解释宏观现象均有重要意义。3)由于土的骨架结构的特点,在土体中存在着拱效应的硬壳体的集聚体。它的存在是标准击实的最大干密度大于振动压实的最大干密度差别很大的主要因素,所以在进行碾压时推荐使用冲击压实机械,或者使用振动击实仪。

[1] JTJ 051-93,公路土工试验规程[S].

[2] 施 斌.粘性土击实过程中微观结构的定量评价[J].岩土工程学报,1996,18(4):57-62.

[3] 施 斌.粘性土结构研究与展望[J].工程地质学报,1996,4(1):39-44.

[4] 吴义祥.工程粘性土微观结构的定量评价[J].中国地质科学院院报,1991(23):143-150.

[5] 郑颖人,陆 新,李学志.强夯加固软粘土地基的理论与工艺研究[J].岩土工程学报,2000,22(1):18-22.

[6] 孙 钧.岩土材料流变及其工程应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.