低液限粉土压实性状分析.pdf

2012 年 1 期 总第 85 期 95 作者简介 唐延钦 1979 硕士研究生 从事公路工程研究 低液限粉土压实性状分析 唐延钦 巩喜彪 菏泽市公路管理局 山东菏泽274000 摘要 针对粉土填筑路基存在的问题 本论文对其进行了系统的理论试验研究 分析了不同级配在不同击实功作用 下对压实性能的影响 揭示了粉土的压实机理 试验表明粉土具有良好的频率响应特性 用压实度单一指标控制路基 压实质量存在不确定性 理论研究成果对类似土质公路工程的设计和施工具有很好的理论指导和借鉴意义 关键词 低液限粉土 压实性状 级配 指标 中图分类号 U416 1文献标识码 B 在山东省黄河冲积平原 广泛分布着新近形成的 以低液限粉土为主的欠固结堆积土 其矿物组成 颗 粒分布以及压实机理等方面均不同于一般土 物理力 学性质以及工程特性较复杂 在这些地区建造公路 会遇到路基沉降变形大和路基填土压实较难等问题 已修建的公路 翻浆 路面开裂等病害频发 养护费 用极高 本文通过对粉土的颗粒组成 物理力学性质 压 实性能 固结压缩等方面的试验研究和理论分析 以 揭示粉土的压实机理 为确定合理的压实方法 施工 工艺和压实标准提供理论依据和借鉴意义 1粉土的物性特征 取土样两组 按 公路土工试验规程 JTJ051 93 用筛分和比重计联合法测试粒径组成 见表 1 和图 1 表 1土的颗粒组成 粒径 mm 0 50 5 0 25 0 25 0 074 0 074 0 050 05 0 010 01 0 005 0 005 0 002不均匀系数 Cu 曲率系数 Cc 粉土 1 粉土 2 0 0 0 0 1 0 40 1 26 5 39 4 34 4 13 6 32 9 1 2 2 0 5 5 4 3 4 0 3 5 4 2 4 6 2 7 1 4 注 不均匀系数 Cu d60 d10 曲率系数 Cc d30 2 d 60d10 表 2土的物性指标 指标液限 塑限 塑性指数 比重 最大干密度 d g cm 3 最佳含水量 op 粉土 1 粉土 2 27 28 1 17 2 19 1 9 8 9 0 2 70 2 70 1 75 1 69 14 6 15 图 1土的粒径分布 图表显示 这 2 组土样的粒径分布曲线整体上一 致 均呈较徒的凹面向上的形状 粉土 1 的粉粒含量 占 55 7 砂粒占40 2 粘粒占4 粉土2 的粉 粒含量占 70 1 砂粒占 26 5 粘粒仅占 3 5 为典型的粉土 不均匀系数 Cu 为 4 2 和 4 6 曲率 系数 Cc 为 2 7 和 1 4 不能同时满足 Cu 5 和 Cc 1 3 的要求 因此它是以粉粒为主 含粘粒极少的级 配不良土 用 100g 锥的联合液塑性仪测试可塑性 结果见 表 2 根据 公路土工试验规程 JTJ051 93 土 的分类法 粉土为含砂低液限粉土 2室内击实成果分析 标准击实采用 公路土工试验规程 JTJ051 93 规定的重型击实 II 2 法 击实曲线如图 2 和图 3 粉土 1 击实曲线呈马鞍形 有 2 个驼峰 当含水 量较低时 干密度随含水量的增大而增大 出现第一 道路工程 962012 年 1 期 总第 85 期 个峰值 随着含水量的继续增加干密度减小 随后变 大出现第二个峰值 而后随含水量的增大干密度 减小 当含水量低时 土中 0 005mm 的颗粒粘附在 粗颗粒表面 颗粒形成近乎球粒堆积结构 击实功只 能促使颗粒错位移动 土中孔隙没有压缩和减小 因 而干密度 rd较小 当含水量增加一定量时 水起润滑 作用 rd很快增加到第一峰值 而后 随含水量增 加 0 005mm 的颗粒表面形成结合水膜 粉粒间 的毛细引力增大 粒间联结力增强 可抵消部分击实 功 减弱了击实移动颗粒的作用 rd降低 含水量不 断增加 水膜逐渐变厚 颗粒移动的自由度增大 击 实促使颗粒重新排列 气体不断被排出 密度逐步增 大到第二个峰值 含水量继续增高 土中的孔隙水体 积不断增加 击实引起的孔隙水压力越来越大 消散 了大部分击实功 所以 rd下降 当含水量继续增大 时 孔隙水压力继续增大 有效应力减少 最后水从 击实筒底渗出 与粉土 1 相比 粉土 2 击实曲线呈宽缓的驼峰 偏离饱和曲线 空气体积率 Va 0 更远 说明粉土 2 颗粒更均匀 颗粒间的排列压实较难 缺少小的颗 粒填充孔隙 压实后空气体积率仍较大 所以密实度 的提高 关键在于压实工艺能否驱使颗粒处于最佳的 排列状态 粉土对压实性状影响的敏感粒级是 0 002mm 的颗粒含量 而筛分试验显示其含量很少 不能有效 填充颗粒间孔隙 所以 击实后仍有较大孔隙 与饱 和曲线距离较大 中细砂和粗粒级的粉粒含量较多 所以粉性土的压实曲线的左半部分与砂性土相似 3击实功对粉土压实的影响 通过分析不同压实功能下的孔隙比 e 空气体积 率 Va 饱和度 Sr 以及改变粉土级配后与压实功能的 关系 进一步揭示影响粉土压实的内在因素 3 1不同压实度时的孔隙比 e 空气体积率 Va 饱 和度 Sr 对比 不同压实度时的孔隙比 e 空气体积率 Va 和饱 和度 Sr 对比情况见表 3 表 3 e Va Sr 随压实度的变化 压实度 指标 9395100 VaSre i VaSre i VaSre i 粉土 1 0p 1 518 3754 0p15 9360 0p 1 513 4966 0 659 11 27 0p 1 516 6257 9 79 0p14 1263 8 29 0p 1 511 6370 0 624 10 8 5 7 0p9 36730 5435 5 粉土 2 0p 1 520 5751 0p18 2156 0p 1 515 8562 0 72 13 09 0p 1 518 8653 11 59 0p16 4559 10 09 0p 1 514 0565 0 687 9 6 8 1 6 6 0p12 06680 5987 13 注 含水量 0p 最佳水量 0p 1 5 最佳含水量减去 1 5 的水量 0p 1 5 最佳含水量加上 1 5 的水量 i 在某压 实含水量下压实后还可吸入的水量 Va 空气体积率 e 孔隙比 Sr 饱和度 表中各指标计算公式 粉土的比重 Gs 2 7 e Gs 1 w rd 1 换算干密度 rd rd k g cm3 Va 100 100 rd 1 Gs w 100 饱和 度 Sr w Gs e 1 空气体积率 Va 对应每个压实度 粉土 1 粉土 2 在 100 的压实度下 粉土中存在着 10 2012 年 1 期 总第 85 期 97 12 的空气体积率 说明粉土孔隙较大 易吸水产 生膨胀 压实度由 95 增至 100 土的密实度增幅 最大 这说明 在 95 的压实度下 粉土存在着排 气 排水与压缩过程 易引起路基的工后不均匀沉降 变形 2 饱和度 Sr 粉土 1 粉土 2 土的饱和度 Sr 是土中水的体积与孔隙体积之比 粉土的压实过程是 颗粒移位 重排列过程 合适的振幅与频率是粉土压 实的关键 通过改变粉土的级配 即提高粘粒部分的 含量 可有效改变压实性能 3 孔隙比 e 孔隙比 e 是反映土体密实程度的 重要物理指标 粉土 2 粉土 1 粉土的颗粒横向移 位重排列使得以横向位移为主 3 2孔隙比 e 空气体积率 Va 饱和度 Sr 随击实功 的变化 取一组土样做不同击实功能下的试验 孔隙比 e 空气体积率 Va 和饱和度 Sr 随击实功的变化见表 4 和图 4 图 4粉土含水量与干密度关系曲线 表 4 e Va Sr 随击实功的变化 K J m 3 击数 g cm 3 eVa Sr 19147016 071 660 62710 8672 268098151 690 59812 1268 355513015 21 70 58811 2670 437516014 81 720 5710 970 519519013 81 720 5712 6265 图 表显示 随击实功的增加 击实曲线背向 饱和曲线移动 且最大干密度偏离饱和线越来越远 随击实功的增加 最大干密度由 1 66g cm3增加到 1 72g cm3 且击数超过 160 击后 最大干密度不再 变化 最佳含水量随击实功的增加而减小 随击实 功的提高 空气体积率 Va 波动于 10 13 之间 饱和度在 70 左右波动 击实功很高时 饱和度下 降 随着击实功增大至一定程度时 干密度和孔隙 比趋于定值 随击实功的增加 击实曲线在大于最 佳含水量 op以后的右半段非常缓慢地趋近饱和曲线 分析说明 粉土的颗粒分布存在严重缺陷 砂粒 和粉粒之间的孔隙没有更多的细小粘粒来填充 粉土 的压实过程主要表现为颗粒的重排列 击实功的作用 在于促使颗粒错位和移动 使土中孔隙率降低 几乎 表现不出土中孔隙气体的排出 因为 随击实功增 加 粉土的孔隙比 e 变小 说明孔隙体积 Vv 减小 而 VV Va Vw Va 不仅没减小反而增大 说明 Vv 的减小是由于土孔隙中水的体积 Vw 的减小所致 当 含水量大时 击实筒底水渗出 因而引起 Sr 的变小 因此粉土靠静压和提高击 压 实功难以改变其孔 隙结构和空气体积率 若在最佳振动频率与吨位匹配 下 粉土颗粒可得到最佳排列和孔隙体积压缩 即易 达到密实状态 但空气体积率 Va 仍达 10 12 因此路床区不适采用粉土填筑 3 3级配与击实功对压实性能的影响 粉土对压实性状影响的敏感粒级是 0 002mm 的颗粒含量 是粉土表现出粘性土压实性状的贡献部 分 它的含量越高 所需的振动频率越低 所需的单 位压强越大 细砂 粗粒级的粉粒含量是表现出无粘 性土压实性状的贡献部分 它的含量越高 要求的振 幅越大 所以粉土适宜采用振动冲击碾压工艺 它可 解决振动钢轮压路机引起的表面剪裂 起皮和已碾压 好的下层扰动问题 由于 0 002mm 的颗粒具有了 薄膜水的静电引力作用和界面能作用 在粒级划分 上 应定义为粘粒 0 002mm 的颗粒具有胶体吸 附 离子交换和与水相互作用形成双电层作用 应定 义为胶粒 在粉土中分别按 15 30 45 的比例分别掺 入河砂 级配砂砾和级配砾 做 98 击和 130 击击实试 验 级配 干密度与击实功关系如图5 和图6 所示 图 5 98 击级配 干密度相对变化率 级配 干密度相对变化率为 i 0 0 100 98 击时干密度相对变化率较大 130 击时干密度 道路工程 982012 年 1 期 总第 85 期 图 6 130 击级配 干密度相对变化率 相对变化率较小 说明从 98 击提高到 130 击时 向 着稳定的最大干密度趋近 粗颗粒含量越高 达到最 大干密度所需的击实功越大 但是提高的幅度并不 大 说明粉性土中粗颗粒含量大并不利于压实 4粉土的压缩性能 击 压 实的作用在于减少颗粒间孔隙的体积 提高密实度 分析孔隙比 e VV VS Vs 为土粒体积 和饱和度 Sr VW VV的物理指标定义式 二者均与孔 隙体积 Vv 有关 故它们也可以反映土强度的稳定性 和密实性 随击实功增加 孔隙比 e 变小 说明孔隙 体积 Vv 减小 而 Vv Va Vw 空气体积率 Va 不仅 没减小反而增大 说明孔隙体积 Vv 的减小是由于孔 隙中水的体积 Vw 的减小所致 同时 孔隙比 e 的变 小是由于孔隙中的水排出 土中的空气体积率 Va 变 大 因而引起饱和度 Sr 的降低 说明球形堆积结构 的特点使得增大击实功只能排出孔隙中的部分水 而 不能减小空气体积率 Va 提高饱和度 Sr 所以压实 后的土基 孔隙发育 水稳定性差 行车振动作用还 可引起颗粒的错位与排列 表现出变形的不均匀性与 强度的不稳定性 5粉土的功能响应 粉土的压实特性不但取决于自身的静力学参数 而且还取决于其频率和振幅等动性参数 粉土颗粒尺 寸较均匀 颗粒分子间内聚力较小 干燥状态易扬 尘 湿润状态 具有砂土的性质 实验表明 粉土随 密实度增加 其自振频率逐渐增大 碾压时宜采用变 频方法 频率为 20Hz 左右压缩量最大 频率为 30 40Hz 含水量在最佳含水量 3 范围内时 达到密 实的速度最快 在整个频率范围内把振幅增大 将会 显著加大影响深度 提高压实效果 振动碾压过程中 土体的作用象一根弹簧 振动 器和土体系统存在着一个共振频率 在共振频率附 近 振动轮的振幅将被扩大 振动力提高 但在共振 频率下工作存在着不利因素 一方面会提高整台机器 的振动程度 对操作者的舒适和机器可靠性不利 另 一方面 振动轮在太强振动作用下脱离了地面 土受 到不规则的沉重冲击 跳跃 引起碾压过度而使密 度降低 如图 7 所示 所以 碾压时宜趋近而不等于 或大于共振频率 这样既不会引起操作者的不适 也 不会造成机器可靠性不稳 且能达到较好的压实 效果 图 7高强度振动压实引起的压实过度现象 6压实质量控制指标讨论 多年来 我国一直采用压实度指标 K 见式 1 来控制路基施工的质量 K rd rdmax 100 1 式中 rd为现场碾压达到的干密度 rdmax为室内击实 试验最大干密度 目前国内有关规范对填土最大干密度 均规定用 室内标准击实试验获得 这种方法是对应于我国大型 机械化施工设备初级低能级阶段 随着高能级施工设 备的更新换代 单位面积上击实功远大于标准击实试 验的击实功 甚至高出数倍 因此 传统的质量控制 标准已经滞后于新设备 新工艺的发展 关于含水量的控制 在路基施工技术规范中规定 了 细粒土 砂类土和砾石土无论采用何种压实机 械 均应在该种土的最佳含水量 2 以内压实 统一规定在最佳含水量 2 以内压实是不合理的 公路工程质量检验评定标准 土方路基的验收项目 中并没有对含水量提出具体要求 亦即路基验收时只 要路基的压实及弯沉等符合要求 不论含水量大小 均认为合格 这种用单一压实度指标控制压实质量的 方法存在不确定性 还应计入含水量等其他因素综合 评定 日本土质路基的压实控制标准采用空气体积率 法 即 依据 75um 筛通过量划分控制标准 通过量 在 20 以上用空气体积率 Va 控制 见式 2 不足 2012 年 1 期 总第 85 期 99 图 8土典型的击实曲线 20 则用密度比 Dc 控制 即压实度法 rd 1 Va 100 1 Gs w 100 2 由此可见 干密度是受含水量和空气体积率两个 因素影响的 用单一因素来分析存在不确定性 水的浸入使土体强度降低 压实时的含水量与天 然稳定的含水量差值越大 水的浸入量越多 路基越 不稳定 因此在道路使用期间路基可能浸水的情况 下 不宜低含水量压实 但压实度法不能正确反映土 遇水的这一特性 如图 8 为土典型的击实曲线 对应 于某一压实度有一确定的干密度 而要求的含水量 在 1 2 内变化 相应地空气体积率 Va 也存在 Va2 Va1 且 Va2 Va1 此压实度下 Va 0 时的 含水量为 3 即在要求的压实度下 趋于稳定的含 水量应是 3 现场碾压时 在接近 3时碾压应获得 最小的空气率 压实后的含水量变化小 强度波动也 小 路基稳定性好 以上分析表明 仅以压实度指标控制路基压实质 量是不科学的 尤其在 90 区及 93 区 对应的含水量 范围宽 空气体积率 Va 变化幅度大 压缩变形也