擊實(shí)功對全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖填料壓實(shí)破碎特性的影響

張榮

（中鐵十二局集團(tuán) 第四工程有限公司，陜西 西安 710000）

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的推進(jìn)，我國的水利建設(shè)不斷向西南山區(qū)推進(jìn). 在大壩的深挖高填中，挖方經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)化程度不一的巖石碎塊，研究其物理力學(xué)性質(zhì)對邊坡安全性評定具有重要意義. 德遂高速TJ4 標(biāo)段修筑沿線分布大量全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，其風(fēng)化程度較高、強(qiáng)度較低、抗風(fēng)化能力與抗變形能力較差[1-2]. 作為軟巖填料，全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖與其他硬質(zhì)巖碴填料不同，其在施工碾壓過程中會發(fā)生較大破碎，使得粒徑組含量發(fā)生變化，從而影響施工質(zhì)量[3-4]. 方燾等[5]探討了軟巖填料填筑后的孔隙率與粗粒含量的關(guān)系，分析了不同擊實(shí)功對最大干密度以及顆粒破碎特性的影響，明確了規(guī)范重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的合理性. Wang 等[6]研究了不同擊實(shí)功對砂泥巖混合料的壓實(shí)、破碎特性的影響，并發(fā)現(xiàn)泥巖顆粒的混合能夠降低弱風(fēng)化砂巖填料的破碎率. 戴仁輝等[7]對不同粒度石英砂的破碎特征進(jìn)行探索，發(fā)現(xiàn)在擊實(shí)過程中土體顆粒破碎率隨顆粒粒徑的增大呈線性增大. 吳樂天等[8]對不同擊實(shí)功條件下新疆非耕地固化戈壁土的力學(xué)性能進(jìn)行了探討. 劉鳳云等[9]研究了擊實(shí)功對粗顆粒填料凍脹特性的影響. 鞠興華等[10]通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)等方法對泥質(zhì)軟巖填料工程特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明其壓實(shí)特性和承載比均滿足路基填料質(zhì)量要求，建議采用壓實(shí)后的含量作為填料控制指標(biāo)，并確定了利用其填筑路基的施工參數(shù). 陶慶東等[11]通過對土石混合體路基填料分形特性和壓實(shí)破碎特征的研究，指出破碎率對含水率、含石量變化較為敏感. 由于全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖作為軟巖的特殊性，其在不同風(fēng)化程度以及工程水文地質(zhì)條件下性能差異性較大. 本文借鑒已有的研究方法，對德遂高速TJ4 沿線全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖填料開展室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，以期為該路堤填筑施工提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)土料及試驗(yàn)儀器

如圖1 所示，試驗(yàn)土料顏色呈暗紅色，與土壤顏色相似，含有泥質(zhì)膠結(jié)物，磨圓度較高，形狀呈長扁球體. 土料液限約為 30%，塑限約為 16%. 試驗(yàn)儀器為 CSK-V1 型多功能電動擊實(shí)儀、ZBSX-92A 型震擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)（圖2）.

圖1 試驗(yàn)土料

圖2 試驗(yàn)儀器

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)土料級配分布如圖 3，試驗(yàn)方案如表 1 所示. 為探究擊實(shí)功對全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖壓實(shí)特性與破碎特性的影響，采用 4 種不同擊實(shí)功對全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn). 首先通過擊實(shí)試驗(yàn)測得每種擊實(shí)功條件下全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的最大干密度、最優(yōu)含水率，再對擊實(shí)后的土料級配變化進(jìn)行分析，得到不同擊實(shí)功條件下的破碎率.

表1 試驗(yàn)方案設(shè)置

圖3 級配曲線

1.3 試驗(yàn)步驟

擊實(shí)試驗(yàn)按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）[12]進(jìn)行，具體步驟如下：

1）將準(zhǔn)備好的水和土料拌和均勻，然后燜料24 h.

2）在試筒底部放上蠟紙，將制備好的土料分 5 層倒入筒中，每層試樣約400 500 g～.

3）每層試樣擊實(shí)次數(shù)按照不同擊實(shí)功而定，且每層擊實(shí)后需要拉毛來保持試樣的整體性. 擊實(shí)完成后，測試樣的濕質(zhì)量.

4）采用電動脫模儀得到完整試樣，在試樣中心取有代表性的土樣，烘干后測定其含水率，按下式計(jì)算干密度：

5）待擊實(shí)土樣打散烘干后（如圖4 所示），采用振篩機(jī)進(jìn)行篩析，震搖時(shí)間為15 min.

圖4 烘干土樣

6）將土料依次通過 20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm 的篩孔，然后稱量各篩網(wǎng)上的土樣質(zhì)量，并繪制土樣的顆粒級配曲線.

2 壓實(shí)特性分析

2.1 擊實(shí)曲線

按照表1 擊實(shí)試驗(yàn)方案，每組試驗(yàn)制備5 個含水率的土樣，得到不同擊實(shí)功作用下的擊實(shí)曲線如圖 5 所示. 土樣的干密度隨著含水率的增加而逐漸增大，達(dá)到曲線峰值后隨含水率增大而逐漸減小. 取拋物線峰值干密度為最大干密度，對應(yīng)的含水率為最優(yōu)含水率，則 4 種不同擊實(shí)功的全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖最大干密度為最佳含水率為

圖5 不同擊實(shí)功作用下的擊實(shí)曲線

2.2 擊實(shí)結(jié)果分析

不同擊實(shí)功作用下土樣最大干密度和最優(yōu)含水率的變化曲線見圖6. 由圖6 可知：隨著擊實(shí)功的增大，全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的最大干密度隨之增大，且增長速率變慢；最優(yōu)含水率隨擊實(shí)功的增大呈減小的趨勢. 這是由于在擊實(shí)功的作用下，全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖顆?？朔祟w粒之間的摩擦阻力而產(chǎn)生位移，并導(dǎo)致土體顆粒重新排列，填充了土體顆粒之間的空隙；隨著孔隙減小，土體顆粒之間的接觸更為緊密，自由水含量也隨之降低. 因此擊實(shí)功增大時(shí)，土體內(nèi)部孔隙減小，單位體積中土體顆粒質(zhì)量增大，自由水含量減少，最大干密度變大，最優(yōu)含水率減小.

圖6 不同擊實(shí)功下的最大干密度和最優(yōu)含水率

3 破碎特性分析

3.1 破碎級配曲線

被不同擊實(shí)功作用篩分后，4 組全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖土樣的級配變化如圖7 所示. 由圖7 可見：擊實(shí)后的級配曲線明顯向上方偏移，說明全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖在擊實(shí)過程中存在顆粒破碎的現(xiàn)象；在相同擊實(shí)功條件下，不同含水率的土樣壓實(shí)后的級配曲線分布大致相同，說明含水率對顆粒破碎的影響程度較小.

圖7 A1-A4 組擊實(shí)后的級配變化

圖8 所示為不同擊實(shí)功對應(yīng)的平均級配曲線. 隨著每層土樣擊實(shí)次數(shù)的增加，級配曲線向上方偏移程度越大. 這是因?yàn)閾魧?shí)功越大，較大粒徑的土體顆粒破碎更加嚴(yán)重，級配曲線上移的趨勢也就更大. 事實(shí)上，全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖在擊實(shí)過程中發(fā)生了不同程度的破碎，其中0.075 ～ 0 .25 mm 粒徑組含量變化率最大，為擊實(shí)前的3～4 倍，即土體粗顆粒大幅度破碎導(dǎo)致細(xì)顆粒含量增多，從而級配曲線上移. 擊實(shí)前后級配參數(shù)的對比如表2 所示，可見擊實(shí)功對全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖填料級配的影響較大. 擊實(shí)前土料不均勻且連續(xù)，級配良好.擊實(shí)后含量降低，特征粒徑減小，不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)都減小，土料級配逐漸均勻化且不連續(xù)，級配調(diào)整至不良. 鑒于此，實(shí)際填筑中需要控制好級配以及碾壓遍數(shù).

表2 擊實(shí)后級配參數(shù)變化

圖8 A1-A4 組擊實(shí)后平均級配變化

3.2 破碎率

為了評價(jià)壓實(shí)過程中土顆粒的破碎情況，可用Marsal 顆粒破碎率公式計(jì)算出破碎率，該參數(shù)可以表征相應(yīng)壓力下顆粒破碎的程度，其定義為實(shí)驗(yàn)前后土樣各粒組百分含量之差的正值之和，即

由于相同擊實(shí)功下含水率對顆粒破碎情況影響較小，因此在分析中采用平均相對破碎率來表示不同擊實(shí)功對全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖破碎情況的影響. 全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖土樣的平均相對破碎率隨擊實(shí)功的變化如圖 9 所示. 可以看出，土樣的平均相對破碎率為 20%～40%，且其破碎率隨著擊實(shí)功的增加呈非線性增長的趨勢. 原因是全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖填料風(fēng)化程度較高，顆粒內(nèi)部孔隙率較大，抗變形性能較差，擊實(shí)之后的相對平均破碎率就比較高. 但是，土體顆粒趨于均勻后，應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸減弱，因此隨著擊實(shí)功的增加，單位擊實(shí)功引起的平均相對顆粒破碎率會逐漸減小.

圖9 不同擊實(shí)功下的破碎率

4 結(jié)論

為研究擊實(shí)功對德遂高速TJ4 標(biāo)段沿線全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖填料壓實(shí)特性和破碎特性的影響，采用4 種不同擊實(shí)功進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）增大擊實(shí)功能夠提高全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖填料的最大干密度、減小最優(yōu)含水率.

2）含水率對全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖填料的顆粒破碎影響程度較小，但擊實(shí)功對其級配的影響較大，擊實(shí)后級配曲線向上方偏移，含石量減小，土體顆粒趨于均勻且不連續(xù).

3）全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖填料擊實(shí)后顆粒破碎較為嚴(yán)重，且擊實(shí)功越大其平均相對破碎率越大，因此在施工填筑過程中需要控制好填料級配以及碾壓次數(shù).

4）在路基填筑過程中適當(dāng)提高擊實(shí)功而產(chǎn)生的較大顆粒破碎，有利于減小土體孔隙以及增大顆粒之間的接觸程度，提高了全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的壓實(shí)性能.