宽级配砾质土击实特性试验研究

朱 涛，李方振

(福建省地质工程勘察院， 福建 福州 350002)

宽级配砾质土击实特性试验研究

朱 涛，李方振

(福建省地质工程勘察院， 福建 福州 350002)

为分析宽级配砾质土的压实特性，通过室内试验，对影响宽级配砾质土压实效果的因素进行全面总结和分析。试验结果表明，宽级配砾质土击实时干密度和含水率关系曲线呈上凸的抛物线型，具有一个最优含水率。击实后试样的最大干密度随砾石含量的增加呈现出先迅速增大，之后逐渐减小的变化规律。随着砾石含量的增加，宽级配砾质土的最优含水率先逐渐减小，之后基本稳定。

宽级配砾质土；干密度；含水率

大量的工程实践经验和室内试验表明，采用黏土料和砾石混合而成的砾质黏土(宽级配砾质土)不但能满足防渗的要求，而且其变形模量大，压缩性较小，与坝壳料变形较为协调[1-3]。国内外学者对宽级配砾质土进行了大量的研究，也取得了较多的成果[4-7]。以往多在工程应用范围内，对单一砾石含量(即单一结构)的宽级配砾质土压实特性做研究，较少有对其做系统的研究[1]。本文采用轻型击实和重型击实，对不同砾石含量的土样进行击实，系统研究宽级配砾质土的压实特性。

1 试验条件

1.1 试验用料

试验采用的宽级配砾质土由黏土料和砾石料掺合而成。其中，黏土料经筛分剔除粒径大于5 mm颗粒的花岗岩残积土，基本物理参数为：土粒比重Gs=2.75；液限wl=54%；塑限wp=35%；塑性指数Ip=19，颗粒级配详见表1。砾石料为对粒径大于20 mm的颗粒进行等量替代法处理后的人工花岗岩碎石，颗粒级配表2。

表1 黏土料级配

1.2 试验方案

试验分别以击实功和砾石含量为单独变量，研究宽级配砾质土的压实特性，即对不同砾石含量(30%、40%、50%、60%、70%、80%)的宽级配砾质土进行轻型和重型击实试验，测定最大干密度ρd max及最优含水率wop。不同砾石含量的宽级配砾质土颗粒级配曲线见图1。

表2 砾石料级配

图1不同砾石含量宽级配砾质土颗粒级配曲线

2 试验结果

本试验采用1 486.3 kJ/m3(轻型击实)和2 684.9 kJ/m3(重型击实)两种击实功对不同砾石含量宽级配砾质土的击实结果见表3和表4。表3和表4表明，砾石含量不同，击实后的最大干密度和最优含水率也不同。重型击实得到的最大干密度大于轻型击实的，而最优含水率小于轻型击实的最优含水率。

表3 宽级配砾质土轻型击实试验结果

表4 宽级配砾质土重型击实试验结果

3 试验结果分析

宽级配砾质土的压实特性与砾石含量、颗粒级配、含水率等有密切的关系，并且压实的方法和压实功能也对压实结果有较大的影响。本文依据试验的结果并结合前人的研究成果，对宽级配砾质土的压实特性进行系统的分析。

3.1 含水率的影响

宽级配砾质土的击实试验与黏性土相似。每组试样，分别在5个不同含水率下，用相同的击实功将它们分层击实，测定土样的含水率和密度，再由式(1)算出相对应的干密度。然后在以含水率和干密度分别为横纵坐标的坐标平面内描出这些点，采用相应曲线对其进行拟合，算出最大干密度ρd max及与之对应的含水率即最优含水率wop。

(1)

式中：m为质量；ρd为干密度；v为体积；w为含水率。

图2 轻型击实关系曲线

图3重型击实关系曲线

本文对宽级配砾质土进行轻型击实和重型击实的试验结果，如图2和图3所示。宽级配砾质土的压实特性和一般黏性土基本相同，表现为随着含水率的增加，击实后干密度先增后降。击实功一定时，只有在某一特定的含水率下才能达到最佳击实效果，此时的含水率为最优含水率wop。关于宽级配砾质土在击实过程中干密度和含水率关系曲线表现为上凸的抛物线型，分析其原因为：宽级配砾质土中含有一定量的黏粒，而这些黏性土颗粒之间存在着黏结力和水分子引力(电作用力)，当含水率较低时，土颗粒表面水膜较薄，击实过程中颗粒间电作用以引力占优，土颗粒错动比较困难，阻碍了颗粒间的变化和排列，不易击实所以干密度较小[8-9]；随着含水率的增加，颗粒间水膜变厚，颗粒间的斥力占优，击实过程中颗粒比较容易错动，土颗粒定向排列增加，干密度也相应的增大[8，10-11]；但当含水率达到最优含水率wop后，随着含水率的增加，虽然使颗粒间的引力进一步减小，但此时颗粒间的孔隙被水和空气占据，再加上土质渗透性较弱，在击实过程中水不能自由排出，击实时只是土体中的空气被压缩，同时很大一部分击实功被水吸收以孔隙水压力的形式存在，使土体有效应力减小，击实只能导致土颗粒更大程度的定向排列，而土体并不发生永久体积的变化，所以随着含水率的近一步增加，干密度表现出减小的趋势[8，12-13]。

3.2 粗粒含量的影响

本节以不同砾石含量的宽级配砾质土为研究对象，其重型击实试验结果见图4。不同砾石含量宽级配砾质土的粗粒含量P5见表5。

表5 不同砾石含量砾质土对应的粗粒含量

从图4可以看出，最大干密度ρdmax随砾石含量的增加而增加，在砾石含量为70%时达到最大，之后随砾石含量增加最大干密度逐渐减小；而最优含水率wop随砾石含量的增加而减小，当砾石含量达到70%(P5=40.40%)时，最优含水率最小，之后随砾石含量的增加最优含水率变化不大。

根据粗颗粒含量不同，宽级配砾质土的结构形式有悬浮-密实、骨架-密实、骨架-空隙三种[3，12-13]。在砾石含量小于40%(P5=23.08%)时，宽级配砾质土的结构形式为悬浮-密实，即砾石全部被细颗粒密实的包围，由于砾石的重度大于细粒土，所以随着砾石含量的增加，击实后的最大干密度迅速增加；而当砾石含量在40%～70%(P5=23.08%～40.40%)时，砾质土为骨架-密实结构，此时粗颗粒之间开始接触形成骨架而细粒土又能完全密实的填满粗粒土中的空隙，干密度随砾石含量的增加逐渐增加；当砾石含量大于70%(P5>40.40%)时，由于砾石含量太多，细颗粒较少不足以将空隙完全填满，此时砾质土的结构表现为骨架-空隙，随砾石含量的增加砾质土中的空隙越来越大，所以击实后的干密度不增反而有少许降低。

随砾石含量的增加，宽级配砾质土中的黏粒含量逐渐降低，所以与之对应的击实过程中所需的水就越少，而另一方面砾质土的总质量因砾石含量的增加而增大，所以相应的含水率就会降低，因而最优含水率也就越小。对于最后基本趋于稳定，是因为随砾石含量增加，黏颗粒逐渐减小，此时的宽级配砾质土已基本转化为无黏性粗粒土，所以最优含水率变化不大。

图4最大干密度、最优含水率与砾石含量关系

3.3 压实功能的影响

宽级配砾质土的压实特性除了与含水率有关外，还与击实功有着密切的关系。土料性质和作用力的特点导致不同压实方法有不同的压实效果。因此，本次试验为避免压实方法对压实效果的影响，不同击实功是通过改变击实次数来实现的。采用重型击实筒将宽级配砾质土分五层击实，每层31击，击实功为1 486.3 kJ/m3；而采用相同的重型击实仪器，土样分五层每层56击，实现击实功为2 684.9 kJ/m3。击实试验结果如图5和图6所示。

图5 击实功对最大干密度的影响

图6击实功对最优含水率的影响

从图5可以看出，随着击实功的增加，宽级配砾质土击实后的干密度均表现出增加的趋势。砾石含量不同其增加的幅度也不尽相同，总体而言，砾石含量越低干密度增加的幅度会越大。但是要指出的是，干密度并不会随击实功的增加而无限增加，当击实功增加到足以克服颗粒间的阻力时，此时随击实功的增加干密度增加就很不明显[6，14-16]。所以对于宽级配砾质土存在一个最优击实功，一味的靠增大击实功来提高其压实度收效甚微而且不经济。

从图6可以看出，随着击实功的增加宽级配砾质土的最优含水率逐渐减小。随着含水率的增加，颗粒间的作用力逐渐减小，在较小的击实功能作用下，颗粒就能任意错动，定向排列，达到压实的目的。击实功越大，克服土颗粒间作用力的能力越强，达到最大干密度所需要的最优含水率越低。因此击实功越小，最优含水率越大；击实功越大，最优含水率越小。

4 结 论

以不同砾石含量的宽级配砾质土为研究对象，分别进行轻型击实和重型击实试验。通过试验研究，得到以下结论。

(1) 宽级配砾质土的压实特性和一般黏性土相似，击实时干密度和含水率关系曲线呈上凸的抛物线形。在含水率较低时，击实后干密度随含水率的增加而增大；当含水率到达一定值，击实后干密度最大；之后随含水率的增大，击实后干密度逐渐减小。

(2) 随着击实功的增大，击实后的最大干密度呈增大的趋势，而最优含水率则表现为随击实功的增加而减小。

(3) 随着砾石含量的增加，击实后最大干密度呈现先迅速增大而后小幅度的减小趋势，而最优含水率表现为先逐渐减小之后基本趋于稳定。

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CompactionPropertyofWideGradingGravellySoil

ZHU Tao, LI Fangzhen

(GeologicalEngineeringSurveyinFujianProvince,Fuzhou,Fujian350002,China)

In order to analyze compaction properties of wide grading gravelly soil, the compaction properties of wide grading gravelly soil and its influencing factors were discussed in this paper based on indoor compaction tests. Results show that the dry density of wide grading gravelly soil increased first, and then decreased, with the increasing of water content, which means that there is an optimum moisture content to obtain the maximum dry density. The maximum dry density increased quickly first, and decreased slowly, the optimum water content decreased, and basically stable finally, with the increasing of coarse grains content.

widegradinggravellysoil;drydensity;watercontent

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.044

2017-06-12

2017-07-11

朱 涛(1965—)，男，福建福州人，工程师，主要从事地质灾害勘查与管理工作。E-mail: 78549937@qq.com

TU47

A

1672—1144(2017)05—0232—04