粗粒土击实试验研究

粗粒土击实试验研究 HighwayEngineering道路工程 王刚,李志农z,冯立群s (1.新疆农业大学机械交通学院,新疆乌鲁木齐830052;2.新疆交通运输厅,新疆乌 鲁木齐830000; 3.新疆交通科学研究院,新疆乌鲁木齐830000) 摘要:通过不断改变砾石土中粉粘粒含量,进行击实试验,找出选择不同击实方法 的粉粘粒含量分界点.针对不同最大 公称粒径D和不同n值的12种级配砾石土进行振动击实和重型击实试验,来获得 其最大干密度与级配指数n的关系,找出n值 分界点;对于不良级配砾石,进行了如何确定最大干密度和压实度检测方法的研 究. 关键词:路基工程;砾石土;振动击实;重型击实;适用条件 中图分类号:U416.03文献标识码:B文章编号:1002—4786(2011)20—0061—05 StudyonCompactionTestofCoarse-GrainedSoil WANGGang,LIZhi—nong,FENGLi-qun. (1.MechanicalandTrafficCollegeofXi~iangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,Chi na;2.TransportDepartmentofXi~iang UygurAutonomousRegion,Urumqi830000,China;3.XinjiangScienceResearchInstitute ofCommunications,Urumqi830000, China) Abstract:Intheexperiment,thepowder— viscousgraincontentwerechangedtotestthecompactionfor findingouttheviscousgraincontentboundarywithdifferentcompactionmethods.Directeda gainst12kindsof coarse— grainedsoilwithdifferentnominalmaximumdiameterDanddifferentvaluen,throughsurfac evibrated compactionandheavycompactiontestmethodsinthelab,therelationshipbetweenthemaxi mumdrydensityand gradedindexnisanalyzed,andtheboundaryof凡 valueisfoundout.Forpoorgradedgravelsoil.howtodeter- mineitsmaximumdrydensityandthedegreeofcompactiontestmethodwereresearchedon. Keywords:subgradeengineering;gravelsoil;vibrationcompaction;heavycompaction;app licablecondition 0引言 新疆有着广阔的山涧河滩,戈壁.这些地方有 着丰富的砂砾石.特别是在戈壁,人烟稀少.地域 广阔,大部分地区工程地质及水文地质条件好.在 道路建设中,级配砂砾石或天然砂砾石常作为道路 基层和底基层填料使用,有效地降低了公路建设成 本.粗粒土最大干密度的确定直接影响着路基施工 和检测.最大干密度的确定主要通过室内进行,方 法有重型击实法和表面振动法 目前在实验室确定粗粒土的最大干密度多用重 型击实法.重型击实法对于多土类有效且有着广泛 的使用经验,但是对于砾石土的击实效果有所降 低.多位学者在室内对不同级配粗粒土进行了重型 击实和振动击实的对比试验,考察两种成型条件下 的基本力学特性,发现振动工艺可以使粗集料合理 排列组合所形成的构造强度具有显着的优越性. 表面振动压实仪法是采用振动压实的方法来测 定粗粒土最大干密度.适用于测定无粘性自由排水 巨粒土(小于0.074mm的干颗粒质量百分数不大于 15%)的最大干密度,这也说明并非所有的砾石土 都适用表面振动法.表面振动击实仪是将振动作用 自土体的表面垂直向下传递,更接近于现场振动碾 压的实际情况,适用于颗粒土.特别是击实试验无 法或难以确定最大干密度及最佳含水量的高透水性 道路工程HighwayEngineering 土.鉴于此,本文选择了表面振动和重型击实两种 方法,针对砾石土进行比较.以找出分别适用 于重型击实法和振动法的临界值. 1击实方法和粉粘粒含量对干密度的影响 1.1两种击实方法的比较 不断改变砾石土中粒径小于0.074mm的颗粒含 量,在室内进行重型击实和振动击实,得到如表1 及图1,图2所示的试验结果. 表1干密度随含土量的变化情况 含土量(%)l_35.110.31521.1 干密度/重型击实2.3082.3282.3472-362.29 (g/om)表面振动2322_42392.2752.25 2.42 2.40 2.38 —236 {2.34 蠢232 龆2.30 228 2.26 2.24 皇 辅 H- 691215182l 含土量(%) 砾石土干密度与含土量的关系 咖 * 缸 』冬』2重型击实结果 从试验结果可以看出,当砾石土中粒径小于 0.074mm的颗粒含量超过12%时.重型击实所得最 大干密度大于表面振动仪击实所得最大干密度;当 砾石土中粒径小于0.074mm的颗粒含量小于12%时, 表面振动仪击实所得最大干密度大于重型击实所得 最大干密度 在室内进行振动击实的过程中发现.当粉粘粒 含量过大时,多余的泥巴会被吸出,改变原有级 配,所得结果与实际相差太大,所以粉粘粒含量大 62l交通化 于12%时不适合使用振动击实法. 1.2粉粘粒对干密度的影响 从重型击实结果可以看出:最大干密度随着含 土量的增加而增加,在含量为13.5%时达到最大: 其后,随着含土量的增加,最大干密度开始减小, 并在含土量达16.4%后,开始明显地下降.同时也 说明存在一个最佳含土量,针对不同材料和不同的 击实方法,最佳含土量是不一样的.但这个值不是 固定值,而是一个范围. 从强度形成机理来看,100%的砂砾石混合料 是按嵌挤原则形成强度.由于砂砾颗粒中间缺乏必 要的细黏结料,黏结力几乎没有.在压力的作用 下,颗粒容易错动,从而产生大的变形.而砂砾石 中黏土含量达到一定值后,黏土的掺入填充了细小 砂砾石颗粒间的孔隙,并起到一定的黏结作用,使 混合料颗粒之间紧密结合,以密实原则形成整体来 抵抗变形.但如果黏土过多,黏粒逐渐将砂砾石颗 粒分开,主导强度的将是黏土,导致强度降低,因 此工程中应严格控制黏土的掺量. 1.3振动击实过程中水的移动规律 根据公路土工试样规程《公路土工试验规程》 93)I8l,对于重型击实法,在实测试样含 (JrrJ051— 水量时必须从试件核心处取样,在条件许可的情况 下尽量采用烘箱烘干的方法作为测定方法:对于振 动击实法,在湿土法振动击实过程中,测定试样的 含水量时,要将全部试样烘干.这样不仅会占用烘 箱空间,并且烘干时间也会延长,所以分别在每层 取样测定含水量,结果见表2 表2击实试样分层含水量 最佳 试样掺配含水量(%)246含水 编号鬣 层别上中下:中下上中下(%) 实验含水量(%)d4.146-26.54.88.36.84.9 I6.1 平均含水量(%)4.1586.7 实验含水量(%)2.82434.24.15.15.54.245 ?4.5 平均含水量(%)2.74.54.7 实验含水量(%)2.92.42.95.13.93.44.93.93.4 ?4.1 平均含水量(%)274.14 实验含水量(%)4.54.44.56.86.I4.65.64.24.2 ?5.8 平均含水量(%)4.55l84.6 O HighwayEngineering道路工程 可见.试样含水量小于最佳含水量时,从试样 表面向下,含水量逐渐增大;当试样含水量大于最 佳含水量时,从试样表面向下,含水量逐渐减小, 但最下层含水量趋于稳定. 混合料在振动过程中,小颗粒填充在较大颗粒 的缝隙中,其缝隙又被更小的颗粒填充密实.当有 水分时,一部分水分吸附在颗粒表面,一部分自由 水在振动力的作用下挤出空气,使得混合料从三相 体变为两相体,多余的水分会在振动力和振动板的 真空作用下从下向上移动,最终被溅出来. 1.4最佳含水量的研究 由于砾石土具有干压实特性,所以应从含水量 为零处击起.含水量太低,级配砂砾料在击实过程 极易飞散.无法粘结成一个紧密的整体.故在含水 量低时,应该加盖. 随着含土量的增长,最大干密度先增大后减 小.最佳含水量与最大干密度成反比例变化.在最 大干密度处最佳含水量也最小. 不同级配砾石土的最佳含水量的变化幅度不是 很大.均非常接近,最佳含水量的总体范围在 4.0%,6.5%之间,但在砂砾料压实的工程实践过程 中只对含水量的下限作要求(最低值必须保证),而 对其上限不作要求(不怕用水过多).这是由于砂砾 料的透水较强.且压路机的压实功较室内击实试验 中击实功要大得多(特别是振动压路机),多余的水 分很容易通过集料内部的孔隙流到路基底部及两 侧. 2砾料基层级配组成的试验研究 本研究根据泰波级配理论公式来进行砂砾料理 论级配的研究.泰波理论公式中级配指数棚.叉为 0.35,0.40,0.45,0.50,D一取37.5ram,31.5mm, 26mm,组成12种级配砂砾料.对这12种理论级配 通过重型击实试验,来获得其最大干密度,最佳含水量与级配指数凡和最大粒径D的关系,找出其最 佳值.同时以相同的级配采用振动击实试验方法测 定其12种理论级配的具体组成,见表3,图3. 表312种理论级配的D一值和,l值 编号l一11—21—32-12-22-33—13-23-34一l4-24-3 D一/37 .531.526.537.531.526.537.531.526.537.531.526.5 mm O.350-350_350-40.4O.40.450.450.450.50.50.5 lOO 80 60 一 槲 捌 40 20 O . / r 1l 0l02030 筛L尺寸/mm 图3理论级配图 2.1重型击实结果 无论最大粒径D一怎么变化,其最大干密度差 不多都出现在当O.43时,这与国外得出的n= 0.435时获得最大干密度的结论是基本吻合的.在 实际应用中.通常取n=0.45来代替n=0.435 在级配指数n值相同时,最大粒径越大,所得 最大干密度应该越大,但这里最大干密度却是在 D一=31.5mm时.这说明尺寸效应的存在,当最大 粒径?37.5ram时,已经不适合于重型击实. 2.2振动击实试验结果分析 图4,图5分别为重型击实结果和振动击实结 果. 从图5中曲线的变化规律可以看出,当n值由小 变大,在不同的最大粒径条件下,最大干密度均呈 现出先增后减"凸"曲线的变化规律,而且级配曲线 的最大粒径越大,凸曲线的峰值也越高,但最大干 密度增加的幅度逐渐变缓.最大粒径由26.5ram变 化到37.5mm的过程中,两者的最大干密度变化的 幅度较小. 同时发现,在最大粒径条件下,连续密实型级 0.400.45 n值 图4重型击实结果 2011年10月第20期I63 道路工程HighwayEngineering 量 船 【5振动击买结果 配砂砾材料的最大干密度随着泰勒曲线的n值变化 呈现出二次抛物线型的相关关系,而且两者在当级 配材料的最大粒径大于26.5ram时有着较好的相关 关系,如式(1),式(3)所示. D,=37.5mm时: y=-I.9x+1.589x+2.0571R=0.9422(1) D,=31.5ram时: ),=一2.2+1.862x+1.9944R=0.9744(2) D,=26.5mm时: v=一2.5+2.139x+1.9296R=0.9997(3) 式中,为在某一最大粒径条件下的泰勒曲线 的n值:】,为在某一最大粒径条件下最大干密度与 泰勒曲线n值对应的值. 从这一点也可以说明材料在上述条件下的路用 性能关系:连续密实型的级配材料最大粒径越大就 越表现出骨架结构.混合料的强度相对就越稳定. 受水,温度的影响就小;反之,级配材料最大粒径 越小就越表现出路料悬浮结构,混合料的强度相对 就越离散,受水,温度的影响就大.所以,在工程 实践中应该尽量选取n=0.45或n在0.40,0.45之间的 级配曲线,同时,在同一n值的条件下,尽量选取 最大粒径大的级配曲线,使之达到路用性能较稳定 的效果. 2.3天然砂砾连续级配振动击实与标准击实的关 系 振动击实和标准击实的机理不同,在工程实践 中天然砂砾材料由于最大干密度的试验方法不同, 造成所得到的最大干密度也不相同,但目前.测定 天然砂砾中最大干密度的两种试验在现行规范 中均可以使用,在工程中用不同的测定值作为标准 进行检测对路用性能来说是有差别的.下面就相同 最大粒径,不同n值条件下最大干密度的变化规律 64l交通标准化 进行比较分析 从图4,图8中可以看出,振动击实与标准击实 情况下n与最大干密度曲线之间均有较明显的上凸 规律,振动击实相对较稳定,标准击实在n值变化 时变化起伏较大.最大颗粒粒径越大,相对振动击 实时的标准击实在接近n=0.45时的偏差就越小. 另外.从图中也可以看出:当n/J',于0.4时,材 料总体上偏细,此时采用振动击实法测定的材料最 大干密度均比用标准击实法测得的材料的最大干密 度要大,最大可达到8%;当n在0.4,0.45之内时, 不管级配材料的最大粒径是多少.两种测试方法测 得的最大干密度都十分接近;当级配材料的凡值大 于0.5后,材料级配偏粗,此时采用标准击实法测 得的材料最大干密度逐渐偏大,而采用振动击实试 验方法测得的最大干密度反而减少. 皇 能 H_ 皇 稚 =37.5mm时的击实结果 图6D… n值 图7D一=31.5mm时的击实结果 图8D,=26.5mm时的击实结果 2.4级配砾石土最大干密度的确定方法 级配砾石土最大干密度的确定方法为: a)如果最大粒径大于等于37.5mm,使用振动 击实仪进行击实;反之采用重型击实法; b)如果最大粒径小于37.5ram且小于0.074ram的 粉粘粒含量大于12%时,用重型击实法进行击实; 反之用振动击实法; c)当n值小于0.4时,采用振动击实法;反之使 用重型击实法. 3级配不良天然砂砾的试验分析 3.1试验结果 天然砂砾取自墨玉河料场和玉龙喀什河,土的 级配曲线见图9,不均匀系数分别为C墨=268.3>5, C墨=158.3>5;曲率系数分别为:=0.06<1-3, g=0.09<1,3,确定为级配不良砂砾.最大干密 度分别为:2.295g/em,2.304g/era,最佳含水量 分别为:4.1%,4.7%. .Ij{L 四 筛孔尺寸/ram 图9料场砾石土级配曲线 3.2分层厚度的确定 每层分别按30em,40em,50era松铺厚度,采 用不同吨位的振动压路机组合进行路基填筑试 验,确定分层厚度.结果发现有此规律:分层的 松铺厚度和压路机的碾压遍数(实际振动吨位)大 致成正比.见表4. 表4分层松铺厚度与压路机振动吨位关系表 分层松铺厚度/cm30303540424550 压路机振动/t25383838383838 碾压遍数(遍)5,73,43-64-54-65-76,8 实践证实,级配不良砂砾有一种特性:原来松 散体因受剪力而变为密实,而原来密实体会因受剪 力而变成松散,特别是失水时,薄层砂砾石土体尤 为明显.因此,分层太薄,则压实度质量难以达到 要求,而且费工费时;分层过厚,由于振动力达不 HighwayEngineering道路工程 到也难以保证填筑质量. 另外.级配不良砂砾的压缩量是比较小的,在 反复的对比实践中.笔者认为选42era的松铺厚度 是合理的,目前施工生产中大型压路机的激振力普 遍能达到38t,振压密实后的厚度在38em,40em是 正常的. 3.3最大粒径的控制 玉龙喀什河和墨玉河级配不良砂砾成品率分别 为58%和67%.级配不良砂砾最大料径控制得较 小.能满足其要求的材料就少.需要对级配不良砂 砾进行筛分或适当的人工筛选,比较费事.最大粒 径控制较大,就会导致细粒料添不满大粒径砾孔隙 而产生滑动.附近难以压实,从而影响整个填筑区 的密实度.最大粒径的选择是与分层厚度相关的, 一 般情况下选择填料的最大粒径控制在分层松铺厚 度的1/2以内即可.如果选择42cm的松铺厚度,那 么最大粒径控制在21em以内也完全能够满足质量 要求.但要注意大粒径填料不能过分集中,否则会 造成局部细料不足.没有足够的细料填塞缝隙,密 实度无法保障.施工中采取梅花状卸料,推土机, 平地机从中间向两边摊料,下路床控制最大粒径为 lOem,20cm.不超过3O%,再配合人工拣出超粒径 砾石.基本上解决了大粒径填料集中的现象. 3.4试验检测 级配不良砂砾填方压实度测定,目前还没有公 认的合理方法,其原因主要在于在施工中由于级配 不良不可能做到绝对的均匀.从而导致最大干密度 (或标准干密度)差别较大.为此,在生产实践中做 了进一步的试验工作.首先在检测前通过标准击实 试验,测定出不同含石量的干密度和最佳含水量, 根据试验绘出不同干密度与粒径关系曲线图,在关 系曲线图上,查出与实际含石量相应的最大干密 度,用它判定路基的压实度,其具体步骤是: a)根据试验规程进行颗粒分析.最大干密度和 最佳含水量试验: b)以0.074ram,20mm最大干密度为基点,填加 40ram,60ram的砾石(分3,5次填加到筛分时60mm以 下颗粒所占的百分比)求取最大干密度: c)用40ram,60ram砾石等质量代替大于60ram颗 粒,分5次以上求取最大密度; d)找出以最大干密度为纵轴,以大于20mm砾 石所占百分比为横轴的关系曲线,使用该曲线图必 2011年10月第20期I65 道路工程HighwayEngineering 钢波纹管涵洞在公路中>应用 韩炜 (江苏省溧水县公路管理站.江苏南京211200) 摘要:铜波纹管涵洞具有.37--期短,造价低,安装方便,有利环保,耐久性好,对基础要 求较低等优点.有很好的推广价 值.结合某工程实例,介绍钢波纹管涵洞在公路中的应用,具有一定的参考价值. 关键词:铜波纹管涵;施_T-工艺;公路;应用 中图分类号:U449.83文献标识码:B文章编号:1002—4786(2011)20—0066—03 ApplicationofCorrugatedSteelCulvertinHighway HANWei (HighwayAdministrationStationO{LishuiCounty,Nanjing211200,China) Abstract:Corrugatedsteelculverthasmanyadvantages,suchasshorterconstructionperiod,l owerCOIl— structioncost,easyinstallation,environmental-friendly,gooddurability,andlowrequireme ntsonthe~undation, SOithasmuchvalueforgeneralization.Combiningwithanengineeringproject,theapplicati onofCmTugatedsteel culvertinhighwayisintroduced,whichhasacertainreferencemeaning. Keywords:corrugatedsteelculvert;constructiontechnology;highway;application 须用灌砂法进行标定和对比,对比的点数不少于40 组,通过对比按数量统计方法找出两种试验结果的 相关性和关系式.以便将关系曲线法的试验结果换 算为灌砂法相应的试验值; e)当填土厚度较小(小于30cm)时,取土位置 为层厚中心;当填土厚度较大(大于30cm)时,则 分别取顶层和底层土体进行测定,顶层取土位置距 顶面小于15cm.底层取土位置距底层20cm.同时 对测点的土样采用筛分法进行分析,测算出土石含 量. 4结论 4.1对砾石土进行室内击实试验时,选择重型击 实和振动击实的粉粘粒含量分界点为12%,泰波指 数n值分界点为0.4.同时表明,存在一个最佳含土 量,在该值附近,所得的干密度最大. 4.2对于振动击实,在湿土法振动击实过程中, 测定试样的含水量时,最好将全部试样烘干,如果 条件不允许时应分别在每层取样测定含水量. 4.3不同级配砾石土的最佳含水量的变化幅度不 是很大,均非常接近,由于砂砾料的透水性较强, 在工程实践的砂砾料压实过程中对含水量的上限不 66J交通标准化 作要求(不怕用水过多). 4.4施工参数的确定不仅要考虑技术经济条件, 而且还应注意到填料本身的压实特性,对级配不良 天然砂砾应考虑其级配与粒径的大小对压实度的影 响,并选用适宜的检测方法,才能使路基的施T达 到质量标准. 参考文献 [1]JTJ051—93,公路土工试验规程[S]. 『21新疆交通科学研究所.天然砂砾路用性能及施 工控制技术研究[RI.乌鲁木齐:新疆交通科学研究 所.2004. f31赵久柄,王正良.西一宝高速公路粗粒土路基 压实度的试验研究【Jj.国外公路,1996,(6):l8— 20. 『4]冯冠庆,等.堆石料最大指标密度室内试验方 法的研究fJ1.岩土工程,1992,(5):21—24. [5]王龙.全含量土石混合料振动压实特性研究[D】. 哈尔滨:哈尔滨建筑大学,1999. [6】丁信忠.砂砾填筑路基的压实度及其检测IJJ.沈 阳交通科技,1994,(1):22—25. 『71邓安雄.粗颗粒土动力特性的试验研究【D1.北