哈齐客专基床粗粒土填料击实特性研究

岳祖润， 杨志浩， 吴 镇2， 苗雷强3， 李沐原4， 陈佩哲

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043；2.中铁工程设计咨询集团有限公司 济南设计院，山东 济南 250022；3.河北建研科技有限公司，河北 石家庄 050021；4.重庆理工大学 两江国际学院，重庆 401135)

随着我国铁路、公路、水坝等大型基础设施建设的不断深入，作为其主要填料的粗颗粒土的工程特性研究也逐渐成为众多研究人员所关注的热点问题。粗颗粒土的压实特性也是其工程特性研究中的一项重要分支，对该特性进行深入研究对于路基结构设计及路基现场压实施工意义重大。粗颗粒土的击实特性与多因素有关，目前众多学者也针对该领域进行了大量的研究，并取得了较多成果。如林绍凑[1]在路基施工现场，通过在不同深度土层上埋设土压力传感器，研究了松铺厚度、振动压路机吨位在粗粒土路基中的应力变化规律，为粗颗粒土的振动压实特性研究提供了理论依据。蔡铭[2]研究了粗颗粒土在不同含水率、击实时间、细粒土含量、超大粒径土含量条件下的最大干密度测定试验。杨志浩等[3]通过表面振动击实仪法和振动台方法，研究了不同击实频率条件下的粗颗粒土的最大干密度的变化规律，并得到其相应试验粗颗粒土的最优击实频率范围。杜可耕等[4]等进行了干、湿法以及表面振动仪和振动台法的正交试验，并分析了试验数据的不同及原因。杨西锋[5]针对哈大客专路基填料的物理特性改良为研究对象，对粗颗粒填料物理改良的过程及结果进行了分析，针对目前规范关于粗颗粒的分级方法提出了改进。汪水银等[6]通过自行研制的振动压实仪研究了不同振幅下的粉土和水泥稳定碎石的击实试验。朱俊高等[7]使用表面振动击实仪研究了振动时间及击实锤重对粗粒土最大干密度的影响规律试验研究。综上所述，针对粗颗粒土的击实特性虽进行了多类因素条件下的试验研究，但将细粒含量作为影响变量的研究还不多见。细颗粒含量对粗颗粒土填料的最大干密度及最优含水量有明显影响，怎样合理设计现场填料的粒径级配及施工含水量，从而保证路基达到更大的密实度，还需深入研究。

本试验采用自行改装的表面振动击实仪，对不同细颗粒含量的级配碎石进行了不同含水率的击实试验研究，探索细颗粒含量对该粗粒土填料最大干密度及最优含水率的影响规律，对于季节性冻土区高速铁路兼顾强度及抗冻胀性能路基填料的选择及完善粗粒土力学特性有重要价值。

1 试验土样及方法

1.1 试验材料

试验用土取自哈齐客运专线施工现场路基填料，并进行筛分试验，按照《铁路路基设计规范》(TB1001—2005)[8]配制不同细颗粒含量的级配碎石填料(最大粒径为40 mm)。每组不同参数试验同时制备3份土样混合料，进行平行试验。

从颗粒分析试验中得知，原土样中细粒土(粒径小于0.075 mm部分)含量为5.62%。为研究不同细粒土含量(粒径小于0.075 mm部分)的级配碎石击实特性，故在筛分过程中将原有细颗粒土保存，以便后续试样制备使用。

1.2 试验方案及方法

细颗粒含量及含水率为粗颗粒土击实特性的2个重要影响因素，由于粗颗粒土的击实特性与细粒土有明显不同，干法和湿法得到的压实效果均较好。试验选择试样含水率从0开始变化，然后每隔2个百分比取一含水率，直至试样饱和，具体的试验参数见表1。试样加水前要充分搅拌，加水后密封保存24 h，保证试样内部含水率均匀分布。对原级配碎石路基填料进行颗粒分析试验，得知最大粒径为60 mm，且粒径大于40 mm的质量百分比小于5%，故采用相似级配法对试样最大粒径进行调整，最大粒径取40 mm。试验设备采用自行改造的表面振动击实仪，原理为通过上部重复施加振动荷载，对试验桶内的材料产生连续循环的冲击力，使材料颗粒之间被迫发生相互滑动，从而达到密实。振动频率可在0～70 Hz选择，根据杨志浩等[3]的研究结论，本试验加载频率统一采用50 Hz，激振力24.6 kN。钢制夯通过竖向传动杆牢固于振动电机上，下面具有一厚度为12.5 mm的夯面板，试验桶直径比夯面板直径大3 mm，试验桶为高25 cm，直径30 cm的圆柱形铁桶，试验桶固定在下部的铁板上，铁板固定在450 kg重的混凝土块上，试验操作过程按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)[9]执行。

表1 击实试验方案参数设计表 %

2 试验结果分析

2.1 击实特征曲线

图1 不同细粒含量的级配碎石击实曲线

不同细颗粒含量的级配碎石填料的击实特征曲线如图1所示，可看出当细颗粒含量小于9%时，试样击实曲线表现出明显的双峰值，当细颗粒含量大于9%时，试样击实曲线则表现出明显的单峰值。当细颗粒含量小于9%时，含水率接近0(干燥状态)及在某一含水率(潮湿状态)条件下干密度达到峰值，但湿法条件下干密度的最大值大于干法。分析其原因，干燥状态下取得峰值干密度，由于试样内部颗粒间的粘结力较小，击实功作用下，粗颗粒与细颗粒之间相互填充，能够达到较为密实的压实状态；随着含水率的增加，细颗粒表面会出现一层很薄的结合水膜，外力作用下使颗粒间移动需要克服很大的粒间阻力，这种阻力可能来自毛细压力或结合水的抗剪阻力，不易达到密实状态，干密度降低；随着含水率的继续增大，水膜的厚度增加，颗粒之间的阻力降低，颗粒之间容易密实，干密度增大，当含水率达到最优含水率时，干密度取得最大值；随着含水率的继续增加，水膜起到的润滑作用已不明显，且颗粒之间的孔隙会存在较多的水分，在击实功的作用下，作用于土颗粒之间的有效应力减小，导致干密度再次下降。细颗粒含量大于9%时，由于试样内部细颗粒含量增多，比表面积较大，对水分的吸附作用增强，故当含水率在0.2%左右到最优含水率之间，已经达到了随着含水率的增加颗粒表面的结合水膜增厚的状态，得到的干密度逐渐增大；当含水率大于最优含水率时，干密度减小。原因与上述相同。

2.2 最大干密度与细粒土含量的关系

图2为试验填料最大干密度与细颗粒含量之间的关系曲线。当细颗粒含量小于15%时，细颗粒土含量对该填料最大干密度的影响显著，随着细粒含量的增加，最大干密度先增大后减小，细粒含量为9%时，试验填料的最大干密度值取得最大值2.42 g/cm3。细颗粒含量大于15%时，细颗粒土含量对该填料最大干密度的影响不大，随着细粒含量的增加，最大干密度值减小，但下降速率很小。针对粗颗粒土的击实特性，可将9%定义为最优的细颗粒含量。当细颗粒含量较小时，粗颗粒之间的孔隙较大，随着细颗粒含量的增加颗粒间的孔隙被细颗粒所填充，导致最大干密度增加，当细颗粒含量为9%时，取得最大值；当细颗粒含量继续增加，试样中多余的细颗粒土包围在粗颗粒周围，使得试样中的粗颗粒处于悬浮状态，颗粒之间的咬合力降低，不易被压实，且细颗粒含量大于11%时，最大干密度迅速减小，当细颗粒含量大于15%时，粗颗粒的悬浮作用对最大干密度的影响趋势减弱，导致随着细颗粒含量的增加，最大干密度的下降趋势变缓。

2.3 最优含水率与细粒土含量的关系

图3为细颗粒含量与最优含水率之间的关系，整体上随着细颗粒含量的增加，最优含水率呈上升趋势。当细颗粒含量小于20%时，随着细颗粒含量的增加，最优含水率近似呈线性增长。当细颗粒含量大于20%时，随细颗粒含量的增加最优含水率增长趋势变缓。原因为随细颗粒含量的增加，细颗粒含量比表面积大，土样的黏性增强，土样的吸水能力增强，使颗粒间相互移动至最佳密实状态需要更大的含水率以减小颗粒之间的摩擦，即最优含水率增大。当细颗粒含量超过20%，粗颗粒悬浮在细颗粒周围，属悬浮密实结构，随细颗粒土含量的增加，吸水性能改善程度较骨架密实结构减弱，故最优含水率的增长趋势变缓。

图2 最大干密度随细粒土含量的变化曲线

图3 最优含水率随细粒土含量的变化曲线

3 结论与展望

针对不同细粒含量的级配碎石填料进行击实试验研究，探索了细颗粒含量对该填料最大干密度及最优含水率的影响规律，对季节性高速铁路满足压实性及抗冻胀性路基填料参数优选设计及现场压实施工过程中出现的压实度超“1”现象具有重要指导意义，主要结论如下。

(1)不同级配碎石填料击实特征曲线存在双峰值及单峰值现象，且在细粒土含量为9%时，该填料的最大干密度取得最大值2.42 g/cm3，为了保证粗颗粒土路基具有良好的压实效果，细粒土含量应取9%左右。

(2)随着细颗粒土含量的增加，最优含水率总体上越来越大。当细颗粒含量小于20%时，随着细颗粒含量的增加，最优含水率呈近似线性上升趋势；当细颗粒含量大于20%之后，最优含水率增长速率变缓。现场压实施工过程中，可结合试验数据对填料的含水量进行优化调整，达到更好的压实效果。

(3)粗粒土填料中细颗粒含量对其压实特性影响较大，但随着细颗粒含量的增多，填料的冻胀敏感性增强，抗冻胀性能降低，故在季节性冻土地区路基基床的填料选择方面，要针对压实性和抗冻胀性综合分析比选，以获得最优的路基填料配比，增强路基的长期服役性。