多因素条件下土石混合料击实特性试验分析

李岳超，王志强，乔丹阳，曹 晖

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省公路交通建设集团有限公司,甘肃 兰州 730070)

由于土石混合体的击实特性有较大差异，故其有效控制一直是工程界所关注的热点问题。目前，国内外学者已对土石混合体击实特性进行了较为深入的研究，大多以较硬岩或硬岩组成的土石混合体性质为主。杜俊等[1]研究结果表明，随级配中含块石量增加，混合料的最大干密度先增大后减小，当含石量为70%时，混合料的干密度达到最大值；王将等[2]设计了适用于最大粒径120mm的击实仪，对土石混合体最大干密度进行近似值法和经验公式法进行了验证，试验结果表明土工试验规程推荐方法与实际结果较为接近；周中[3]的试验结果表明，土石混合体的最大干密度受含石量的影响较小，不可以只依据最大干密度进行路基填筑质量判断；董金玉等[4]对土石混合体路基填筑压实质量影响因素进行了分析，由于土石混合体路基填料是由扰动的土或石颗粒、空气和水组成的典型三相体材料，混合体的击实是大小颗粒在力的作用下克服颗粒间阻力产生位移的过程，即大颗粒的岩石重新排列，小颗粒土料进行孔隙填充，增加单位体积内固体的颗粒量，减小受力变形的过程。土石混合体的击实结果不仅与其含量有关，而且还与其颗粒的坚硬程度和分化程度有关。因此，进行土石混合体路基填料的击实特性研究尤为关键。

本文以甘肃省夏河县王格尔塘至夏河段高速公路高填方地基土为对象，研究P5含量、最大粒径以及击实功3种不同条件对土石混合体击实特性的影响，量化分析土石混合体在不同条件下的击实特性。

1 试验概况

1.1 试验材料及试验分组

1.1.1 试验材料

土石混合体由黄土和硬岩组成，其中石料的岩性为砂质板岩、灰岩等为主，岩石的主要矿物为钾长石、石英、斜长石、黑云母等。试验所用石料的粒径上限分别为80 mm和60 mm，经过测试细粒料物理力学性质如表1所示。

表1 细粒土相关参数

在土石混合体中，土和石是一组相对的概念，会因研究者的研究内容不同其界限会有所变化[5],本次室内试验土石阈值取5 mm，将粒径大于5 mm的质量占土石混合体总质量的百分数记为P5，依据《公路土工试验规程》[6]对自然风干的土石混填料进行标准筛分试验，得到土石混合体的级配曲线如图1所示。混合料的含石量为50.6%，混合料的累积质量分数为

图1 基准配比筛分试验

(1)

式中：pi为小于某粒径的质量分数；mi为小于某粒径的累计质量；mc为试样的总质量。

1.1.2 试验分组

土石混合体击实试验研究3种不同控制因素下的击实特性，记为Q1、Q2和Q3。其中Q1为不同P5含量击实特性，包含最大粒径60 mm和80 mm两类；Q2为P5含量一定条件下，不同最大粒径的击实特性对比分析；Q3为不同击实功(即锤击荷载的重复次数不同)条件下该填料的击实特性研究，具体的试验分组情况及相关数据见表2。

表2 混合体分组击实特性试验

1.2 试验方法

1.2.1 试验设备

依据粗颗粒土击实试验方法标准进行试验，对土石混填料选用重型击实试验，单位体积击实功为2 684.9 kJ/m3，仪器相关参数见表3，试样尺寸φ=300×288 mm。试验前需对控制器击实次数设定为88次，让其达到规范要求的击实功。

表3 粗粒土重型击实技术性能

1.2.2 混合体试样配置

配置不同工况下土石混合体试样，利用控制变量法进行不同击实工况土石混合配比计算，以基准配比试验结果为基础，保证5 mm以上粗颗粒质量不变，通过改变细粒土的质量进行P5调整。具体方法为通过粗颗粒质量除以拟定的P5进行试样的总质量计算，总质量减去基准配比中5 mm以上粗颗粒石的质量，可以得到细粒土的质量；再将击实所需试样的目标质量除以总质量，可以得到土和石的换算系数，分别将总试样中粗颗粒质量和细颗粒质量乘以换算系数，可以得出不同击实工况的混合料粗颗粒质量和细颗粒质量。调整好的细颗粒质量除以基准配比细颗粒质量得到粒径质量变换系数，用试样总质量变换系数乘以粒径大于5 mm各粒径质量得到目标配比中各粗颗粒质量。用试样细粒径变换系数乘以粒径小于5 mm粒径质量得到目标配比中各细粒径质量，从而可以进行混合料级配曲线的绘制或试样级配指标的计算。

以P5-70%土石混合体试样各粒径质量计算为例，将48.8 kg土石混合体进行筛分，得到混合体P5为50.6%。其中粗颗粒质量为24.7 kg，细粒质量为24.1 kg，保持粗颗粒质量不变，计算P5-70%时，土石混合体总质量为35.3 kg，细颗粒质量为10.6 kg。由于土石混合体击实试验所需试样55 kg，因此需要将调配好的P5-70%试样扩大1.56倍(试样总质量变换系数)，得到击实试样中粗颗粒质量为38.4，细颗粒质量为16.6，试样的总质量为55 kg，计算细粒土料的变换系数为0.69。在基准配比中大于5 mm各粒径质量试样总质量变换系数可以得到目标含石量各粗粒质量，在基准配比中小于5 mm各粒径质量乘以试样细粒径土料变换系数可以得到目标含石量各细粒质量。试样级配曲线如图2所示。

(a)最大粒径60 mm

1.2.3 不同击实功设定

不同击实功对混合体的击实影响，主要考虑2个方面：①重复荷载对粗颗粒间的相对滑移和挤压；②重复锤击荷载作用下颗粒破碎所引起的颗粒重新排列。由于土石混合体本身的离散性很大，设置的击实功太小，其粗颗粒自身的移动不充分，颗粒间无法充分挤压，设置击实功太大，粗颗粒的移动压实与破碎排列在未达到设定击实功要求前早已完成。因此，击实功总共设定5级不同工况，分别为标准击实功、±20%和±40%，具体设定参数见表4。

表4 击实功率参数

1.3 试验过程

土石混合体的击实试验步骤：先将现场取回的材料进一步筛分，按照本文相关计算方法进行配料、称重，紧接着加水充分搅拌均匀，闷料24 h至水分充分吸收；闷料完成之后进行分层击实，按照四分法进行取样加入击实筒中，每一层击实完成之后需要凿毛处理，以使试样尽量咬合在一起；击实试验完成之后，取掉击实筒，将试样称重，随后进行含水率测定；之后重复上述步骤4次，1组试样击实完成；待每组试验完成之后进行数据记录与分析，计算该组试样的最大干密度和最优含水率，试验过程中严格控制击实功和用水量。

2 结果与分析

土石混合体的室内击实试验实质是重复荷载作用下粗颗粒的重新排列和细粒径选择空隙填充的过程，其中混合体的骨料粒径和颗粒级配决定了可供细粒径填充孔隙的大小，而细粒径含量和含水率决定着土石混合体间的附着力和黏聚力[7-8]。因此，含水量和骨料的配比应在合理范围内，土石混合体颗粒才能充分移动和填充，实现较好的密实程度，在击实曲线中即可得到所对应的最大干密度和最优含水率。

2.1 不同含石量击实试验结果分析

不同P5含量条件下混合料击实特性结果如图3所示,可以看出：虽然2组土石混合体的最大粒径不同，但击实干密度与P5含量之间却有相同的变化规律。对于图3(a)：当P5含量未达到70%之前，土石混合体的最大干密度ρd,max与P5含量之间近似呈正比例关系，ρd,max随着P5含量的增加逐渐增大，当P5含量介于70%～90%时，ρd,max却随P5含量的增加而快速减小，P5含量为70%时，干密度取得最大值。对于图3(b)：当P5含量未达到70%之前，土石混合体的ρd,max与P5含量之间的变化规律与图3(a)相似，但图3(b)的ρd,max与P5含量相关性较图3(a)更好；当P5含量介于70%～90%时，ρd,max随着P5含量的增加无明显变化；P5含量为80%时，干密度取得最大值，极值点对应的P5含量为土石混合体取得最大密实状态的最优级配。二者P5含量介于70%～90%时，混合料ρd,max随P5含量增加变化规律存在较大差异，需增加试验次数，进一步确定ρd,max与较大P5含量之间具体变化趋势。这是因为土石混合体在体积相同的情况下，细粒料所占比重较粗粒料要多，此时的土石混合体比表面积大、孔隙多、质量轻。因此，随着P5含量的增大，在土石混合体单位体积内部逐渐形成粗颗粒石料骨架，而细粒料进行骨架填充，使得土石混合体内部更加紧凑密实。而当P5介于70%～80%时，土石混合体内部粗、细颗粒共同作用形成一个整体密实结构，共同承受外部荷载，此时的干密度达到最大值；当P5含量大于80%时，由于粗颗增加，使得原来紧密的结构出现新的孔隙，细粒料数量并不能完全填充完这些孔隙，此时的外力仅被粗料颗粒形成的结构分担，而细粒料处于孔隙中且得不到有效的压实，以至于干密度值呈减小趋势。混合料的最优含水率随P5含量的变化近似呈正比例关系，随着P5含量增加混合料的最优含水率逐渐降低，这是因为随着P5含量增加，混合料中粗颗粒石料质量增加，且粗颗粒对水的敏感性较差，细粒径质量逐渐减小，对水的需求量也减小，且试验符合一般规律。

(a)最大粒径60 mm

由于土石混合填料在P5含量小于70%时有较好的线性关系，故分别对P5含量与ρd,max、最优含水率ω优进行线性拟合，拟合公式只适用本试验所依托工程项目的土石混合体，拟合关系如式(2)～(5)。

最大粒径60 mm时P5含量与ρd,max关系为

y=1.885x+2 200.9.

(2)

P5含量与ω优关系为

y=-0.04x+7.5.

(3)

最大粒径80 mm时P5含量与ρd,max关系为

y=5.35x+1 908.

(4)

P5含量与ω优关系为

y=-0.071x+11.84.

(5)

根据上述拟合关系，可得到任意P5含量下土石混合体的ρd,max和ω优，试验结果可为现场路基土石混合体加水量提供理论依据。

2.2 不同最大粒径击实试验结果分析

依据不同最大粒径试验结果，主要考虑P5含量相同条件下最大粒径60 mm和80 mm所对应的击实特性，P5含量主要考虑P5-30%、P5-50%和P5-70%三种，试验结果如图4所示。

由图4可知，土石混合体的击实干密度与含水量存在着密切的关系。击实的ρd-ω曲线在不同P5含量、不同最大粒径下均呈现出单峰的特点。峰值状态下纵坐标即土石混合体的最大干密度，横坐标即混合料最大干密度所对应的最优含水率。在未达到最优含水率之前，水分子作为胶凝剂作用其中，土石混合体中岩石与岩石之间、岩石与土颗粒之间、土颗粒与土颗粒之间在水分子引力与外界重力势能输入的作用下咬合在一起，使得土石混合体的干密度随着含水率的增加而呈递增趋势，直至达到最大干密度。

(a)P5-30%

随着含水率的增加，超过最优含水率时，水分子作为润滑剂作用在其中，击实筒内土石混合体出现了“弹簧现象”。在击实锤受压处土石混合体下陷，而击实锤周边的土石混合体受到排挤弹起，如弹簧般微微晃动，此时的土石混合体处于一种软塑流动的状态，且体积不再压缩，压实度无法进一步提高，反而出现下降现象。这是因为①土石混合体中的细颗粒土系黏性土，含水率过大时水分无法散发，在反复外界重力撞击下出现弹簧现象；②击锤反复撞击碾压下，岩石与岩石之间、岩石与土颗粒之间、土颗粒与土颗粒之间的空隙减小、水膜增厚，抗剪力减小引起弹簧现象。

同时可知土石混合体的最大粒径与P5含量对其ρd,max和ω优的影响是非常显著。当P5含量分别为30%、50%和70%时，最大粒径为60 mm混合料的ρd,max较80 mm混合料提高了8.45%、6.23%和2.41%；最大粒径为60 mm混合料的ω优较80 mm混合料降低了35.71%、38.16%和31.34%。根据以往试验研究发现，土石混合体的击实ρd,max随着最大粒径的增大而呈递减趋势。由此可知，土石混合体的最大粒径与其他因素如材料级配、颗粒形状分布、岩石物理力学性质差异等交叉影响击实结果，需进一步研究。

2.3 不同击实功击实试验结果分析

不同击实功下土石混合体的击实特性如图5所示。

图5 不同击实功下ρd-ω关系曲线

由图5可知：在标准击实功之前，随着击实功的增加，土石混合体的最优含水率增大，最大干密度增加；达到标准击实功之后，当再加大击实功时，土石混合体的最佳含水率虽然有所增大，而土石混合体的最大干密度变化微小。这是因为随着外界夯实能量的不断输入使得土石混合体内部的孔隙越来越小，孔隙比越小干密度就越大，但是超过某限度(标准击实功)后即使击实功增加，由于此时土石混合体中材料之间的孔隙已经被挤压到极限状态，无法进一步被压缩，故最大干密度再增加效果也不明显。因此，在工程实践中，从经济效益、质量把控角度考虑，若要使土石混合体的干密度达到最大则应尽可能减小其孔隙比，以标准击实功下的最大干密度作为基准进行路基的压实。

3 结论

1)通过不同P5含量试验研究，随着P5含量增加，混合料的ρd,max先增加后减小，混合料的ω优逐渐减小。当P5含量小于70%时，P5含量与ρd,max和ω优呈正比例关系，且可以推算任意P5含量下ρd,max和ω优值。

2)当P5含量一定条件下，混合料最大粒径为60 mm的ρd,max较80 mm的ρd,max大，混合料最大粒径为60 mm的ω优较80 mm的ω优小。

3)通过不同击实功下混合料的击实特性试验研究发现，当混合料击实试验的击实功小于标准击实功时，改变击实功的大小可以提高击实特性，当混合料的击实功大于标准击实功时，改变混合料的击实功对击实特性影响不大。