不同含石量条件下土石混合体击实特性试验研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.2（上）-123-工 程 技 术土石混合体是一种特殊的工程混合材料，主要由块石和细粒土组成，属于非连续介质，其孔隙结构和力学特征复杂，因此对环境因素影响较敏感，具有抗压较好、抗剪性能、渗水性能和分布广泛的优势。是应用于公路工程的建筑填料之一1。关于界定土与石，国内外多数学者将 5mm 作为土与石的分界阈值2。“块石”在土石混合体的分布呈现 3 种空间几何结构，即悬浮型、悬浮密实型和骨架空隙型土石混合体。在混合体中，粗粒料间通过压实和挤密，形成空间体系，细粒料穿过粗粒料间形成的空隙，达到填充和补实效果，遇水有润滑作用，从而改变土石混合体的最大干密度和击实效果。杜俊等3对改变块石含量进行试验，当含石量接近 70%时，混合体干密度达到最大值；马丽娜等4通过改变细粒料成分和比例，证实当含石量不变时，细粒料组成对最佳含水量有明显影响；王将等5结合近似值和经验公式法，证明了土工试验规程方法与实际效果接近；周中等6的试验表明，不能单独将干密度作为工程压实质量的唯一依据。本文通过重型击实试验研究土石混合体的压实特性，为土石类工程提供技术参考。1 试验方案1.1 试验材料本研究中用于测试的土石混合体来自我国吉林省集安市某公路施工现场，“块石”成分以花岗岩类、闪长岩和碎石为主，“土体”（细粒土）成分以粉质黏土为主。土石混合体试验试样取自工程现场，没有人为掺加黏土、碎石和石屑等材料，试样处于原始状态，当备样时只对原材料进行了烘干处理，并对粗细颗粒进行了筛分，按照石料质量占比 10%、30%、50%、70%和 90%进行了掺配处治。土质均匀，不含有机物等杂质，整体呈黄褐色，经过测试细粒料物理力学参数见表 1。对不同石块含量（10%、30%、50%、70%和 90%）的土石混合体进行筛分析试验，并将试验数据绘制成贝赛尔曲线，其颗粒分布结果如图 1 所示。各组土石混合体试样不均匀系数和曲率系数结果，见表2。根据 土工试验方法标准（GB/T 501232019）进行判断，各组土石混合体试样的不均匀系数和曲率系数值，满足 Cu且 Cc=13 要求范围，因此，所用各土石混合体试样均为级配较好材料。1.2 试验方案和设备根据公路土工试验规程（JTG 34302020），以下称“规程”，结合本土石混合体材料试样的颗粒分布特征，本试验采用规程中推荐的重型击实仪法进行试验研究，标准击实试验参数见表 3。按四分法准备 5 个试样，按 1%、3%、5%、7%和 9%的含水率，分别加入不同水分，将土样拌和均匀，拌匀后闷料一夜备用。在备料过程中，发现在所用土石混合料中存在少量的最大粒径 40mm 的颗粒，其质量占比为 7%，30%的规范要求，对 40mm 的土石混合体部分进行击实试验，并分别对试验所得的最大干密度和最佳含水率进行校正，如公式（1）、公式（2）所示。最大干密度按公式（1）校正。?ddwsppGmaxmax.?11 0 010 01（1）式中：dmax为校正后的最大干密度，计算至 0.01g/cm3；dmax为用粒径 40mm 的土样试验所得的最大干密度，g/cm3；p 为试料中粒径 40mm 颗粒的百分比，%；Gs为粒径 40mm 颗粒的毛体积比重，计算至 0.01。最佳含水率按公式（2）校正。w0=w0（1-0.01p）+0.01pw2（2）式中：w0 为校正后的最佳含水率，计算至 0.1%；w0为用粒径 40mm 的土样试验所得的最佳含水率，%；w2为粒径 40mm颗粒的吸水量，%。采用 SKDJ-1 型数控多功能电动击实仪进行重型击实试验，锤重 4.5kg，落锤高度为 450mm，击实筒 152mm170mm，不同含石量条件下土石混合体击实特性试验研究秦卫军1，3李化东2，4毕海鹏2（1.季节性冻土区公路建设与养护技术交通行业重点实验室(长春)，吉林 长春 130012；2.吉林大学交通学院，吉林 长春 130012；3.吉林省交通科学研究所，吉林 长春 130012；4.长春建筑学院，吉林 长春 130607）摘 要：为探讨土石混合体填料的压实特性，对不同土石含量分布、不同含水量条件下的土石混合体进行了室内击实试验，对制备含石量为10%、30%、50%、70%和90%的土石混合体试样进行重型击实试验，得到土石混合体最大干密度、最佳含水量和含石量间的关系曲线。研究结果表明：不同含石量的土石混合体最佳含水量在4.3%7.1%，最大干密度在2.211g/cm32.279g/cm3，与含石量相比，含水量对土石混合体最大干密度影响更大，在土石混合体的压实过程中，应严格控制最佳含水量。关键词：土石混合体；击实试验；最佳含水量；最大干密度中图分类号：TU45文献标志码：A基金项目：吉林省交通运输创新发展支撑（科技）项目“G331沿线典型地质灾害监测预警及防治技术研究”（项目编号：2021-1-1）。中国新技术新产品2024 NO.2（上）-124-工 程 技 术护筒为152mm50mm，锤头直径为50mm，击锤次数为30次/min（沿筒边击实6锤后移至中间击实1锤）；电源电压为220V10%。根据以往试验经验，预估本试验土石混合体最佳含水量范围，分别配置含水量为 1%、3%、5%、7%和 9%的试样，含石量控制按 10%、30%、50%、70%和 90%进行制备，共分成 5 组土石混合体试样，对 25 组土石混合体试件进行重型击实试验。表 2 各组土石混合体试样系数表S-RM分组不均匀系数及曲率系数D60D30D10Cu=D60D10Cc=D230D60D1010%2.791.210.2610.732.0230%5.011.820.2917.282.2850%8.12.450.3821.321.9570%10.283.980.7314.082.1190%10.766.721.616.682.611.3 试验过程按不同含水率要求制备不同含石量的试样。为保证试样内部水分均匀一致，对筛分好的材料进行称量、拌和后，装入密封的塑料袋中闷料 24h，将闷好的试样分 3 层装入击实筒内，分层击实后测量各层是否满足要求，并对每层土表面进行整平、拉毛（保证相邻土层结合紧密）处理，按照规范标准击实试验要求，每层击实 98 次。试验完成后称量、脱模，绘制含水率与干密度关系曲线，通过计算，得到含石量分别为10%、30%、50%、70%和 90%试样的最大干密度和最佳含水量值。2 不同含石量对击实效果的影响对不同含石量的土石混合体试样组进行击实试验，得到击实试验最大干密度值与最佳含水量的结果及关系方程，见表 4。由表 4 可以看出：不同含石量的土石混合体试样组的最佳含水量为 4.3%7.1%，最大干密度为 2.211g/cm32.279g/cm3，最佳含水量随着含石量增加呈现逐渐降低的趋势；最大干密度值随着含石量增加先呈现增加的趋势，当含石量为 70%时，最大干密度值随着含石量增加开始降低。含石量90%的土石混合体，虽然其密度比 70%的土石混合体小，但比含石量 70%的土石混合体密度值大。根据重型击实试验所得不同含石量土石混合体干密度与含水量值，绘制最大干密度含水量关系曲线，如图 2 所示。由图 2 可知，当不同含石量条件下土石混合体试样在未达到最佳含水量时，试样的干密度随着含水量增加而逐渐增加，试样在达到最佳含水量后，试样的干密度随着含水量增加而表 1 细粒土相关参数含水率（%）干密度（gcm-3）孔隙比孔隙率（%）黏聚力（kPa）内摩擦角（）3.11.710.8144.617.126.7表 3 标准击实试验参数试验方法锤底直径（cm）锤质量（kg）落高（cm）试筒尺寸试样尺寸层数每层击数最大粒径（mm）内径（cm）高（cm）高度（cm）体积（cm3）重型54.54515.21712217739840表 4 各组土石混合体击实试验结果含石量（%）最大干密度值（gcm-3）最佳含水量值（%）最大干密度与最佳含水量关系方程102.2117.10y=-0.0016x2+0.0242x+2.1038302.2366.20y=-0.0026x2+0.0317x+2.1361502.2685.30y=-0.0032x2+0.0366x+2.1605702.2794.80y=-0.0038x2+0.0377x+2.1798902.2754.30y=-0.003x2+0.0285x+2.2059图 1 土石混合体颗粒分布曲线10090807060504030201001001010%30%50%70%90%10.10.01小于某颗粒径的土质量百分数/%土粒直径/mm中国新技术新产品2024 NO.2（上）-125-工 程 技 术逐渐减少；从含石量对应的干密度曲线分布可以得出：含石量越大的土石混合体，其最佳含水量值越低。随着含石量增加，土石混合体的干密度值有逐渐增加的趋势，但呈非线性增加趋势；因此，当土石混合体材料用于路基填料时，应控制土石混合体含水率在最佳含水量附近，提高压实材料密实度，保证路基压实施工效果。根据图 3 中各组土石混合体最大干密度与最佳含水量分布曲线，可以得出：含石量增加可以提高土石混合体的最大干密度值，但其数值分布并非呈线性规律变化，当含石量约 70%时，土石混合体的干密度为最大值。最佳含水量波动范围较大，其原因是对土石混合体进行分组时，含石量只从质量占比上进行划分，虽然土石混合体总体的级配较好，但未对各组中的石块级配进行控制，另外，土石混合体的最大干密度值受含水量影响较大，受含石量影响较小。3 结语为研究土石混合体的击实特性，对不同含石量的土石混合体进行击实试验，可以得出如下结论：1）最佳含水量在4.3%7.1%波动，差值为 2.8，其原因是对土石混合体进行分组时，含石量只从质量占比上进行划分，虽然土石混合体总体的级配较好，但未对各组中的石块级配进行控制。2）对不同含石量土石混合体进行击实试验，可以得知土石混合体的最大干密度值受含水率影响较大，受含石量影响较小。3）当含石量约为 70%时，土石混合体的干密度为最大值。4）通过击实试验数据分析得出，含石量增加可以提高土石混合体的最大干密度值，但其数值分布并非呈线性规律变化。综上所述，与含石量相比，含水量对土石混合体最大干密度影响更大，因此，在土石混合体的压实过程中，为提高施工质量，须严格控制最佳含水量。参考文献1 徐文杰，胡瑞林.土石混合体概念、分类及意义 J.水文地质工程地质，2009，36（4）：5056.2 周雨奇，王涛，刘斯宏.土石混合料阈值细粒含量的确定 J.人民长江，2021，52（4）：187-192.3 杜俊，侯克鹏，梁维.粗粒土压实特性及颗粒破碎分形特征试验研究 J.岩土力学，2013，34（增刊1）：155-161.4 马丽娜，乔丹阳，王起才，等.不同配比土石混合体压实特性及颗粒破碎特征研究，重庆交通大学学报（自然科学版），2023，42（6）：62-71.5 王将，龚辉，郭娜娜.土石混合料的大型击实试验研究 J.公路，2021，66（1）：297-302.6 周中，刘撞撞，杨豪.不同含石量下土石混合料重型击实试验研究 J.江西理工大学学报，2019，40（5）：8-14.图 2 不同含石量土石混合体干密度与含水量关系曲线图 3 最佳含水量与最大干密度回归曲线2.300 2.280 2.260 2.240 2.220 2.200 2.180 2.160 2.140 2.120干密度（g/cm3）最干密度（g/cm3）02.004.00含水量（%）含石量（%）6.008.0010.008765432102.29 2.28 2.27 2.26 2.25 2.24 2.23 2.22 2.21 2.2最佳含水率(%)10%01008060402030%50%70%90%y=-1E-05x2+0.0023x+2.1871 R2=0.9811y=0.0002x2-0.0564x+7.6543 R2=0.9982最佳含水率值 最大干密度值