砒砂岩与沙复配成土后最大干密度的研究

2015-07-25魏雨露韩霁昌

三峡大学学报(自然科学版) 2015年5期

魏雨露韩霁昌张扬

（1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院，西安 710075）

1 研究背景及目的

我国西北部分布着大面积的沙漠地区，环境恶劣、雨量稀少、植被稀疏、地表形态复杂、地基承载力低、筑路材料及水源缺乏，为其道路修筑带来了很大的困难，但是随着公路交通建设的发展，沙漠公路的里程数也逐渐增多.毛乌素沙地广泛分布着风积沙和被当地人俗称为“砒砂岩”的松散岩层.风积沙结构松散，无聚力，粒间孔隙度高，成型困难，抗剪性能较差；砒砂岩质地致密，含丰富的粉粒，颗粒间胶结程度差，成岩程度低，结构强度低，工程性能差，无水坚固如石，遇水松软如泥，易受风化侵蚀［1－2］.群众深受其害［3］.但将砒砂岩与沙按一定质量比复配成土处理后，就能使沙在砒砂岩的作用下更加密实，砒砂岩在沙的作用下不易板结，不易松软，形成具有良好结构的复配土；如果可以将此复配土作为路基填料，不但可以变“害”为“宝”，还可以降低筑路成本，缩短工期，造福百姓.

砒砂岩与沙复配成土后能否作为路基填料，其压实度是十分重要的参数之一［4］.压实度越大，土壤颗粒间咬合就越好，摩擦角明显增大，内部空间变小，接触更加紧密，内聚力也得到增加.最大干密度和最佳含水率作为压实度的表观参数［5］，其确定得合理与否，直接影响对路基压实效果的判断.若确定的最大干密度值偏大，施工过程中压实度难以达到规定的压实标准，不但会造成人力、物力的浪费，而且达不到规范规定值；若确定的最大干密度值偏小，在较小的压实功能下就可以达到压实标准，给工程管理工作带来不便，道路正常运行期间容易出现路基塌陷，导致路面开裂等病害，影响道路的养护质量和服务水平.故合理确定砒砂岩与沙复配成土后的最佳含水率和最大干密度值，对于其作路基填料来说至关重要.

本文通过重型标准击实试验，选用陕西榆林毛乌素沙漠的砒砂岩与沙，研究其不同混合比例成土的最大干密度和最佳含水率，为砒砂岩用作公路建筑材料提供科学依据［6－7］.

2 标准重型击实试验

重型击实试验就是模拟施工现场压实条件，采用锤击方法使土体密度增大、强度增强提高、沉降变小的一种试验方法，原理是在不同含水率的条件下，用人工或机械的方法，研究土体达到最大干密度时所对应的最佳含水率的过程，该方法得出的最大干密度和最佳含水率对路堤填料的强度指标和稳定性具有控制意义，在路堤填筑压实中起着至关重要的作用.

2.1 试验设备及方案

按照《公路土工试验规程》（JTJ 050－93），试验选用小型击实筒［8－10］.试验模型的尺寸及设置见表1，试验仪器与土样如图1所示.

表1 试验模型的尺寸及设置

图1 试验仪器与土样

最大干密度以烘干土样最大，风干土样次之，天然土样最小；最佳含水率以烘干土样最小［11］，风干土样次之.由于风干土样最接近工程实际，且结果最接近最大干密度，所以选用风干后的砒砂岩与沙进行试验.试验将砒砂岩与沙分别按质量比1∶5、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1这7种比例复配，每种质量比配置成5种不同的含水率，分别为5%、7%、9%、11%和13%，共计35个试样.将复配土加水拌和均匀后，焖料一夜进行重型击实试验［12］.

试验过程中，称取一定质量土样分3层倒入小试筒内，每层土击打49次，第一层击打完毕后，将试样表面“拉毛”，再按上述方法击打其余两层土；试验过程中要特别注意确保击实后的试样顶面不高出筒顶面3mm.

2.2 试验结果及分析

对7种不同质量比的复配土进行重型击实试验，表2为砒砂岩与沙在不同质量比及不同含水率下的干密度，图2为7种试样的重型击实曲线.

表2 砒砂岩与沙在不同质量比及不同含水率下的干密度（单位：g·cm－3）

图2 7种试样的重型击实曲线

2.2.1 含水率对复配土最大干密度的影响

保持砒砂岩与沙同一质量比条件不变，分析含水率对复配土最大干密度的影响.由表2分析可知，以质量比2∶1为例，当复配土的含水率为5%时，最大干密度为1.98g／cm3；含水率增加到7%～9%时，最大干密度随之增加到最大值2.05g／cm3；这是因为当含水率较低时，颗粒表面的水膜比较薄，颗粒间的摩阻力较大，不易被压实；当含水率逐渐增大时，颗粒表面水膜逐渐变厚，水膜的润滑作用也随之增大，使得颗粒表面的摩阻力相应地减小，在外力作用下，就容易被压实；同时由于水的加入也起到了一定的填充作用，使得砒砂岩与沙复配土之间的缝隙得到了相应的充实，从而增加了密实度［13－15］.随着含水率的继续增加（以2%的含量增加），最大干密度值开始减小，直至含水率增加至13%，最大干密度减小为1.93g／cm3；这是因为水不可压缩，又不能快速排出，当含水率超过一定限值后，击实功就被自由水吸收得越多［16］，同时孔隙体积也随之变大，土粒相对地减少，故干密度就相应地降低［17］.

由以上分析可以看出，干密度随着含水率的增加先增加，在含水率增加为7%～9%时，出现峰值，之后又随着含水率的增加开始降低，此时的峰值则为最大干密度，其对应的含水率为最佳含水率.

2.2.2 砒砂岩含量对复配土最大干密度的影响

保持复配土同一含水率的条件不变，分析砒砂岩含量对复配土最大干密度的影响.以含水率7%为例，由图2分析可知，砒砂岩与沙的质量比为1∶5时，最大干密度为1.88g／cm3；增加砒砂岩的含量，质量比为1∶2时，最大干密度增加为1.91g／cm3；质量比增加为1∶1时，最大干密度为1.95g／cm3，变化率比较小，当质量比增加为2∶1时，最大干密度增加到最大值2.05g／cm3，且变化率比较明显；这是因为风积沙颗粒大，颗粒间缝隙大，而砒砂岩以粉粒为主，颗粒较小，当砒砂岩的含量增加时，复配土的不均匀系数开始增加［18］，沙粒间的孔隙容易被砒砂岩的粉粒所填充，有较好的压实性能［19］，同时复配土颗粒间存在电分子引力及毛细压力，这两种力使得土壤颗粒相互吸附而黏聚，形成聚集体，变得更加密实.随着砒砂岩含量的继续增加，复配土不均匀系数逐渐减小，达到水饱和状态，毛细压力消失，聚集体稳定性降低，使得密度开始降低，但此时的影响是微小的，所以最大干密度开始相对缓慢地减小，直至质量比为5∶1时，最大干密度降为1.99g／cm3.

由此分析可知，复配土的最大干密度随着砒砂岩含量的增加而增加，当砒砂岩与沙质量比增加到2∶1时，出现峰值；此后最大干密度又随着砒砂岩含量的增加开始减小，但变化率十分微小.

3 结论

整个路面结构中至关重要的部分是路基质量，控制路基压实质量的重要指标是最大干密度和最佳含水率，所以要使用砒砂岩与沙复配成土作为合格的路基填料，控制好路基质量，一定要确定其最大干密度和最佳含水率，使其能达到最佳的压实状态，增加路基地基承载力.通过对不同含水率、不同质量比下砒砂岩与沙复配成土后的重型击实试验数据进行分析，可以得到砒砂岩与沙作为路基填料时，当复配比为2∶1，含水率为7%～9%时，得到的最大干密度值最大，约为2.05g／cm3，其余质量比及含水率下的最大干密度值都小于此值.得到此试验数据后，就可以确定砒砂岩与沙作为路基填料的最易压实质量比为2∶1，并在7%～9%这一最佳含水率区间下配备土样，进行相应的CBR试验（加州承载比试验），分析和探讨压实度，研究其路用性能，为砒砂岩与沙用作公路建筑材料提供科学依据，解决沙漠道路筑路材料缺乏的问题.

［1］韩霁昌.砒砂岩的固沙作用［M］.西安：陕西科学技术出版社，2014：1.

［2］韩霁昌.砒砂岩与沙复配成土技术与造田工程示范［M］.西安：陕西科学技术出版社，2014：39.

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