细粒土含量对砂性路基土工程特性的影响

2012-09-25卢宇红卢旭东

湖南交通科技 2012年1期

卢宇红，卢旭东

(湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410015)

沙土在我国广泛分布。沙土按成因可分为风积沙土、冲积沙土和洪积沙土。风积沙土主要分布在北纬36°～49°之间的干旱和半干旱地区，包括塔克拉玛干、古尔班通特、柴达木、巴丹吉林、乌兰布、腾格里、库布奇、毛乌苏、小腾格里、西辽河和呼伦贝尔等沙区。风积沙土粒径分布窄，颗粒均匀，其中中细砂粒占80%～90%以上，而粗砂粒、粉粒的含量甚微。冲积沙土主要分布于江河、湖泊地区的冲积平原和冲积扇中，其粒径分布较均匀，中细砂含量较高。洪积沙土多出现于山麓倾斜平原地带，其颗粒分布不均匀，粗砂粒、中砂粒含量较高，而细砂粒含量相对较小。由于沙土具有结构松散、级配不良、空隙率大、压实性和抗冲刷能力差等特点，公路工程中直接将其作为路基填料，将会带来诸多工程隐患。对此，工程中可通过掺入细粒土的方法改善沙土的级配，从而改良其路用特性。

根据《土的工程分类标准》［1］，砂土指粒径大于2 mm的颗粒质量不超过总质量的50%，且大于0.075 mm的颗粒质量超过总质量50%的土。按此标准，上述各种成因的沙土属于典型的砂土。目前针对风积沙土的工程性质研究较多［2～7］，但针对其中的细粒土含量(即黏土含量)对其强度等工程特性影响的室内试验研究相对较少［8］。因此，本文以黄河中下游冲积平原地区某高速公路中所遇到的沙土为研究对象，从现场获取沙土作为室内试验材料，根据其粒径分布，分别掺入不同含量的细粒黏土(俗称泥土)，制成不同试样进行室内试验，系统地研究细粒土含量(亦即含泥量)对砂性路基土的物理力学及强度等工程特性的影响，为砂性土改良为路用材料提供试验依据。

1 试验材料及试样制备

1.1 试验材料

本文所有试验土样的材料，均取自现场沙土。从拟建公路取土场中的12个取土点采集了室内所需的土样材料。采用《公路土工试验规程》［9］颗粒分析试验方法，在室内进行了颗分试验，得其颗粒组成如表1所示。不均匀系数Cu=3.6～5.1，曲率系数Cc=0.53～1.56，表明粒度比较均匀，级配不良。

表1 现场土的颗粒组成

1.2 室内试样材料配备

为配备后续试验所用土样料，从现场取回的砂土中取出足够量的土料，然后按照一定的比例，掺入不同重量的黏土料(本文指粒径≤0.075的细粒土)，于是可得到不同含泥量(分别为5.1%、10.5%、15.3%、19.6%、25.9%、30.2%)下的试样料如表 2所示，其中表2中试样料1。表2同时列出了试样料在各粒径范围内土粒的含量。

为了解所配备试样料的级配特性，采用《公路土工试验规程》［9］方法，对表2中各试样料进行了颗粒分析试验，得其不均匀系数Cu与曲率系数Cc如表3所示。从表3可知，除试样料1外，其他各试样料的不均匀系数 Cu=5.1～8.2、曲率系数 Cc=1.06～2.37，它们同时满足Cu＞5和Cc=1～3两个条件，这表明掺入黏土后，有效地改善了砂土的级配特性。

表2 室内试样材料级配组成 %

表3 试样的不均匀系数Cu与曲率系数Cc

2 细粒土含量对砂性路基土物理特性的影响

2.1 细粒土含量对砂性路基土比重的影响

为探讨黏土掺量对砂性路基土比重的影响，分别对不同含泥量的室内制备试样进行比重测定，得试样结果如表4和图1所示。从表4和图1可以看出，随砂性路基土中含泥量的增加，其比重相应增加。当含泥量从5.1%增大至30.2%时，土的颗粒比重增加了1.9%。

表4 不同含泥量下制备样的比重

2.2 细粒土含量对砂性路基土最大干密度和最佳含水量的影响

图1 不同含泥量砂性路基土的比重

工程实践证明，对于过湿的路基土进行碾压或夯实时会出现松散和软弹现象，土体难以压实，对于很干的土进行碾压或夯实也不能把土充分压实，只有在适当的含水量范围内才能充分压实。这种现象可以用土粒结合水膜润滑理论和电化学性质来解释［10］。土在压实的过程中，主要克服颗粒间的引力和摩擦力的作用。对细颗粒而言，主要受到颗粒间的引力的控制，摩擦力很小;而对粗颗粒而言，当含水量很小时，引力小得可以忽略不计，主要是受到颗粒间的摩擦力控制。对于砂性路基土，在击实过程中，力主要以振动波的形式传递，土颗粒在振动波的作用下移动，重新排列组合，趋于密实。当砂土含有一定水分时，在砂粒表面形成一层薄的水膜，产生表面张力，从而在砂粒之间形成引力，阻碍砂粒的移动，影响土体的密实。当含水量继续增大时，砂粒的水膜增厚，削弱了砂粒之间的引力。此时除了振动本身的作用，自由水也将沿孔隙向外排出，并对砂颗粒也产生一定的作用力使其位移，这样综合的作用使砂的密度有较大提高。当含水量继续增加时，出现了过多的自由水，在击实过程中水分无法迅速排出，表层开始出现液化、飞溅现象，部分的击实功被吸收掉，这样使沙的干密度有所降低。这说明，在一定功能下，砂性路基土的压实同样存在一个最佳含水量和与之相对应的最大干密度值。

砂性路基土颗粒分布均匀，孔隙较大，级配不良，压实效果差。但如果在砂性路基土中掺入一定量细粒黏土，其孔隙的一部分空间将被粒径很细的黏土颗粒填充，这将致使单位体积土的质量增加，同时掺入的黏土使土的吸水和持水性能也发生改变，并可能改善土体的压实效果。为定量研究黏土掺量对砂性路基土最大干密度和最佳含水量的影响，采用《公路土工试验规程》［9］的击实试验方法和实验步骤，从配置的各试样料中取样进行试验，得不同含泥量下砂性路基土的击实曲线如图2所示。

图2 含泥量 5.1%、10.5%、15.3%、19.6%、25.9%、30.2%时砂性路基土击实曲线

根据图2的击实曲线，可整理出砂性路基土的最大干密度和最佳含水量随黏土掺量(含泥量)的变化曲线如图3、图4所示。图3表明砂性路基土的最佳含水量随黏土掺入量(含泥量)的增加而增加;而图4显示，砂性路基土的最大干密度在含泥量低于25%左右时，随含泥量增加而增加，而超过此值后反而降低，这说明砂性路基土存在一个最优(临界)含泥量值，此时砂粒间孔隙很好地被掺入的细粒黏土颗粒充填。

图3 最佳含水量随含泥量变化曲线

图4 最大干密度随含泥量变化曲线

3 细粒土含量对砂性路基土强度特性的影响

3.1 细粒土含量对砂性路基土CBR值的影响

CBR试验又名加州承载比，是美国加利福尼亚洲提出的一种以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征其承载能力的试验方法。在直径15.24 cm、高11.43 cm的土试样顶面，用直径4.95 cm的刚性压头，以每分钟压入变形1.27 mm的速率施加荷载，测定试样的荷载—压入变形曲线。取压入变形2.54 mm时的压力值除以标准碎石在此变形量时的压力值，便得到该土样的加州承载比CBR值。CBR值是路基设计时重要的力学指标之一。

为探讨黏土掺量对砂性路基土CBR值的影响，按《公路土工试验规程》［9］对不同黏土掺量(不同含泥量)砂性路基土样进行了加州承载比试验，试验结果如表5和图5所示。试验结果表明，存在一个最佳含泥量值(本试验结果为20% ～25%)，此时砂性路基土的CBR值最大。

表5 不同含泥量试样CBR试验成果

图5 CBR值随含泥量变化曲线

3.2 细粒土含量对砂性路基土抗剪强度值的影响

由摩尔—库伦强度理论可知，土的抗剪强度由粘聚强度和摩擦强度构成，其对应的强度指标是粘聚力c和内摩擦角φ。粒状的无粘性土的粒间摩阻力包括滑动摩擦和由粒间相互咬合所提供的附加阻力，其大小取决于土颗粒的粒度大小、颗粒级配、密实度和土粒表面的粗糙度等因素。粘聚力系土粒间的胶结作用和各种物理—化学键力作用的结果，其大小与土的矿物组成和压密程度有关［10］。为探讨黏土掺量对砂性路基土抗剪强度的影响，按《公路土工试验规程》［9］制备不同黏土掺量(含泥量)砂性土在最佳含水量下的击实土样，然后从中取样进行室内直接剪切试验。直剪试验结果见表6和图6、图7。

图6和图7表明，砂性路基土的内摩擦角随黏土掺量的增加而降低，粘聚力随黏土掺量的增加而增加，且在黏土掺量小于20%时，粘聚力增长较快，之后增长较慢。出现这种现象的原因是，黏土的掺入增加了土粒间的胶结和各种物理—化学键力作用，同时削弱了土粒间相互咬合及摩阻作用。