魏雨露 韓霽昌 張 揚(yáng)

（1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院，西安 710075）

1 研究背景及目的

我國(guó)西北部分布著大面積的沙漠地區(qū)，環(huán)境惡劣、雨量稀少、植被稀疏、地表形態(tài)復(fù)雜、地基承載力低、筑路材料及水源缺乏，為其道路修筑帶來(lái)了很大的困難，但是隨著公路交通建設(shè)的發(fā)展，沙漠公路的里程數(shù)也逐漸增多.毛烏素沙地廣泛分布著風(fēng)積沙和被當(dāng)?shù)厝怂追Q為“砒砂巖”的松散巖層.風(fēng)積沙結(jié)構(gòu)松散，無(wú)聚力，粒間孔隙度高，成型困難，抗剪性能較差；砒砂巖質(zhì)地致密，含豐富的粉粒，顆粒間膠結(jié)程度差，成巖程度低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，工程性能差，無(wú)水堅(jiān)固如石，遇水松軟如泥，易受風(fēng)化侵蝕［1－2］.群眾深受其害［3］.但將砒砂巖與沙按一定質(zhì)量比復(fù)配成土處理后，就能使沙在砒砂巖的作用下更加密實(shí)，砒砂巖在沙的作用下不易板結(jié)，不易松軟，形成具有良好結(jié)構(gòu)的復(fù)配土；如果可以將此復(fù)配土作為路基填料，不但可以變“害”為“寶”，還可以降低筑路成本，縮短工期，造福百姓.

砒砂巖與沙復(fù)配成土后能否作為路基填料，其壓實(shí)度是十分重要的參數(shù)之一［4］.壓實(shí)度越大，土壤顆粒間咬合就越好，摩擦角明顯增大，內(nèi)部空間變小，接觸更加緊密，內(nèi)聚力也得到增加.最大干密度和最佳含水率作為壓實(shí)度的表觀參數(shù)［5］，其確定得合理與否，直接影響對(duì)路基壓實(shí)效果的判斷.若確定的最大干密度值偏大，施工過(guò)程中壓實(shí)度難以達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，不但會(huì)造成人力、物力的浪費(fèi)，而且達(dá)不到規(guī)范規(guī)定值；若確定的最大干密度值偏小，在較小的壓實(shí)功能下就可以達(dá)到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，給工程管理工作帶來(lái)不便，道路正常運(yùn)行期間容易出現(xiàn)路基塌陷，導(dǎo)致路面開(kāi)裂等病害，影響道路的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量和服務(wù)水平.故合理確定砒砂巖與沙復(fù)配成土后的最佳含水率和最大干密度值，對(duì)于其作路基填料來(lái)說(shuō)至關(guān)重要.

本文通過(guò)重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，選用陜西榆林毛烏素沙漠的砒砂巖與沙，研究其不同混合比例成土的最大干密度和最佳含水率，為砒砂巖用作公路建筑材料提供科學(xué)依據(jù)［6－7］.

2 標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)

重型擊實(shí)試驗(yàn)就是模擬施工現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)條件，采用錘擊方法使土體密度增大、強(qiáng)度增強(qiáng)提高、沉降變小的一種試驗(yàn)方法，原理是在不同含水率的條件下，用人工或機(jī)械的方法，研究土體達(dá)到最大干密度時(shí)所對(duì)應(yīng)的最佳含水率的過(guò)程，該方法得出的最大干密度和最佳含水率對(duì)路堤填料的強(qiáng)度指標(biāo)和穩(wěn)定性具有控制意義，在路堤填筑壓實(shí)中起著至關(guān)重要的作用.

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 050－93），試驗(yàn)選用小型擊實(shí)筒［8－10］.試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缂霸O(shè)置見(jiàn)表1，試驗(yàn)儀器與土樣如圖1所示.

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缂霸O(shè)置

圖1 試驗(yàn)儀器與土樣

最大干密度以烘干土樣最大，風(fēng)干土樣次之，天然土樣最?。蛔罴押室院娓赏翗幼钚。?1］，風(fēng)干土樣次之.由于風(fēng)干土樣最接近工程實(shí)際，且結(jié)果最接近最大干密度，所以選用風(fēng)干后的砒砂巖與沙進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)將砒砂巖與沙分別按質(zhì)量比1∶5、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1這7種比例復(fù)配，每種質(zhì)量比配置成5種不同的含水率，分別為5%、7%、9%、11%和13%，共計(jì)35個(gè)試樣.將復(fù)配土加水拌和均勻后，燜料一夜進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)［12］.

試驗(yàn)過(guò)程中，稱取一定質(zhì)量土樣分3層倒入小試筒內(nèi)，每層土擊打49次，第一層擊打完畢后，將試樣表面“拉毛”，再按上述方法擊打其余兩層土；試驗(yàn)過(guò)程中要特別注意確保擊實(shí)后的試樣頂面不高出筒頂面3mm.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)7種不同質(zhì)量比的復(fù)配土進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，表2為砒砂巖與沙在不同質(zhì)量比及不同含水率下的干密度，圖2為7種試樣的重型擊實(shí)曲線.

表2 砒砂巖與沙在不同質(zhì)量比及不同含水率下的干密度（單位：g·cm－3）

圖2 7種試樣的重型擊實(shí)曲線

2.2.1 含水率對(duì)復(fù)配土最大干密度的影響

保持砒砂巖與沙同一質(zhì)量比條件不變，分析含水率對(duì)復(fù)配土最大干密度的影響.由表2分析可知，以質(zhì)量比2∶1為例，當(dāng)復(fù)配土的含水率為5%時(shí)，最大干密度為1.98g／cm3；含水率增加到7%～9%時(shí)，最大干密度隨之增加到最大值2.05g／cm3；這是因?yàn)楫?dāng)含水率較低時(shí)，顆粒表面的水膜比較薄，顆粒間的摩阻力較大，不易被壓實(shí)；當(dāng)含水率逐漸增大時(shí)，顆粒表面水膜逐漸變厚，水膜的潤(rùn)滑作用也隨之增大，使得顆粒表面的摩阻力相應(yīng)地減小，在外力作用下，就容易被壓實(shí)；同時(shí)由于水的加入也起到了一定的填充作用，使得砒砂巖與沙復(fù)配土之間的縫隙得到了相應(yīng)的充實(shí)，從而增加了密實(shí)度［13－15］.隨著含水率的繼續(xù)增加（以2%的含量增加），最大干密度值開(kāi)始減小，直至含水率增加至13%，最大干密度減小為1.93g／cm3；這是因?yàn)樗豢蓧嚎s，又不能快速排出，當(dāng)含水率超過(guò)一定限值后，擊實(shí)功就被自由水吸收得越多［16］，同時(shí)孔隙體積也隨之變大，土粒相對(duì)地減少，故干密度就相應(yīng)地降低［17］.

由以上分析可以看出，干密度隨著含水率的增加先增加，在含水率增加為7%～9%時(shí)，出現(xiàn)峰值，之后又隨著含水率的增加開(kāi)始降低，此時(shí)的峰值則為最大干密度，其對(duì)應(yīng)的含水率為最佳含水率.

2.2.2 砒砂巖含量對(duì)復(fù)配土最大干密度的影響

保持復(fù)配土同一含水率的條件不變，分析砒砂巖含量對(duì)復(fù)配土最大干密度的影響.以含水率7%為例，由圖2分析可知，砒砂巖與沙的質(zhì)量比為1∶5時(shí)，最大干密度為1.88g／cm3；增加砒砂巖的含量，質(zhì)量比為1∶2時(shí)，最大干密度增加為1.91g／cm3；質(zhì)量比增加為1∶1時(shí)，最大干密度為1.95g／cm3，變化率比較小，當(dāng)質(zhì)量比增加為2∶1時(shí)，最大干密度增加到最大值2.05g／cm3，且變化率比較明顯；這是因?yàn)轱L(fēng)積沙顆粒大，顆粒間縫隙大，而砒砂巖以粉粒為主，顆粒較小，當(dāng)砒砂巖的含量增加時(shí)，復(fù)配土的不均勻系數(shù)開(kāi)始增加［18］，沙粒間的孔隙容易被砒砂巖的粉粒所填充，有較好的壓實(shí)性能［19］，同時(shí)復(fù)配土顆粒間存在電分子引力及毛細(xì)壓力，這兩種力使得土壤顆粒相互吸附而黏聚，形成聚集體，變得更加密實(shí).隨著砒砂巖含量的繼續(xù)增加，復(fù)配土不均勻系數(shù)逐漸減小，達(dá)到水飽和狀態(tài)，毛細(xì)壓力消失，聚集體穩(wěn)定性降低，使得密度開(kāi)始降低，但此時(shí)的影響是微小的，所以最大干密度開(kāi)始相對(duì)緩慢地減小，直至質(zhì)量比為5∶1時(shí)，最大干密度降為1.99g／cm3.

由此分析可知，復(fù)配土的最大干密度隨著砒砂巖含量的增加而增加，當(dāng)砒砂巖與沙質(zhì)量比增加到2∶1時(shí)，出現(xiàn)峰值；此后最大干密度又隨著砒砂巖含量的增加開(kāi)始減小，但變化率十分微小.

3 結(jié) 論

整個(gè)路面結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要的部分是路基質(zhì)量，控制路基壓實(shí)質(zhì)量的重要指標(biāo)是最大干密度和最佳含水率，所以要使用砒砂巖與沙復(fù)配成土作為合格的路基填料，控制好路基質(zhì)量，一定要確定其最大干密度和最佳含水率，使其能達(dá)到最佳的壓實(shí)狀態(tài)，增加路基地基承載力.通過(guò)對(duì)不同含水率、不同質(zhì)量比下砒砂巖與沙復(fù)配成土后的重型擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到砒砂巖與沙作為路基填料時(shí)，當(dāng)復(fù)配比為2∶1，含水率為7%～9%時(shí)，得到的最大干密度值最大，約為2.05g／cm3，其余質(zhì)量比及含水率下的最大干密度值都小于此值.得到此試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，就可以確定砒砂巖與沙作為路基填料的最易壓實(shí)質(zhì)量比為2∶1，并在7%～9%這一最佳含水率區(qū)間下配備土樣，進(jìn)行相應(yīng)的CBR試驗(yàn)（加州承載比試驗(yàn)），分析和探討壓實(shí)度，研究其路用性能，為砒砂巖與沙用作公路建筑材料提供科學(xué)依據(jù)，解決沙漠道路筑路材料缺乏的問(wèn)題.

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