高源?朱红丽

摘 要 含黏粒砂土作为一种良好的填料，常用于高等级公路、铁路路基填方中，然而砂土作为一种松散的集料，其压实特性往往受到黏粒含量的影响，呈现出不同压实特性，研究不同黏粒含量的砂土的击实特性，在路基施工方法的选择和施工质量的控制上具有重要意义。依据《土工试验方法标准》，配制一系列不同黏粒含量的细砂进行重型击实试验，分析黏粒含量对砂土击实特性的影响，研究表明：砂土在不同的黏粒条件下，表现出不同特征，大致可以划分为3种类型，即准直线型、波峰波谷型、波峰型。后两种类型存在界限黏粒含量，约35%;黏粒含量≥35%时，砂土表现出良好的击实特性。

关键词 击实试验;含黏粒砂土;压实特性;工程特性

引言

大量高速铁路、高等级公路、机场、港口码头的建设，对路基、下卧层填料的需求量巨大，黏土、砂土作为良好的工程填料，压实后具有较强的承载力和较小的变形，因此广泛应用于工程实践中。此外，砂土是一种极易获得的工程原材料，在我国内陆河流湖泊，沿海沙滩入海口、西部干旱沙漠风成砂，都提供了丰富的砂性土资源，给工程建设大大降低了原材料运输成本[1]。

虽然砂土作为一种良好的填筑材料，但是由于其颗粒呈松散状态，不能直接压实填筑，需配合一定的黏性土作为胶结物，才能达到路基的填筑密实度。黏粒的含量大小显著地改善了砂土作为路基填料的工程特性，也影响着路基的使用方式和施工质量的控制，也对路基工后沉降产生影响[2-4]。本文通过采取天然砂样，以不含细粒的部分为砂骨架配置一系列不同黏粒含量试样，进行室内重型击实试验，分析砂土的压实机理，研究细粒含量对砂土压实特性的影响，为砂土的工程应用提供参考。

1试样制备

1.1 天然砂土样的颗粒分析

试验试样制备采用的砂样为天然砂土，取样于辽宁省营口市鲅鱼圈地区，参考《土工试验方法标准》对砂样进行颗粒分析，试验结果如表1所示：

由上表可知：砂的颗粒粒径范围集中在0.075～0.5mm之间，含量大于96%，颗粒直径>0.5mm的颗粒所占比例小于3.7%，直径小于0.075mm的细粒含量更少，只占1.95%，不均匀系数Cu=3.46，曲率系数Cc=0.83。由此可知，所取天然砂样的颗粒较细，颗粒直径分布集中，级配不良，较为纯洁，黏粒含量较少，按现行相关规范可将其定义为细砂。

1.2 试验砂样的制备

由前文天然砂样筛分试验可知，天然砂样黏粒含量为1.95%，由此对天然砂样掺入不同比例的黏粒，可按质量比例分别为5.0%，10.0%，20.0%和35.0%制备一系列不同黏粒含量的试验试样。所掺配黏土物理指标具体为：黏土天然密度ρ为2.72g/cm3，液限ωL为25.2%，塑限ωp为18.3%。

参考《土工试验方法标准》[5]对制备的一系列砂样进行击实试验，可得其击实曲线如图2所示。由此可知，掺配黏粒的最大干密度为1.78g/cm3。最优含水率为14.2%。

同时制备一组黏粒含量接近为0的洁净细砂，将上文所述混合砂样进行编号如下：

利用密度计法[5]对上述砂土试样进行颗粒分析试验结果如图2所示。

由此计算不均匀系数和曲率系数，并按填料分组如下表3所示：

2室内击实试验

本次击实试验仪器为CSK-VI型電动击实仪，重型击实筒内径和高度分别为102，116mm，击锤质量4.5kg，单位体积击实功为2659kJ/m3，试样分5层击实，每层锤击25次，击实完成后选取试样中心2处代表性试样，采用烘干法测定含水率。

对混合砂样T1～T6进行标准重型击实试验[5]，其标准重型击实曲线如图3。

由图3可知：对于砂样T1，T2，在一定击实功作用下，干密度随含水率的变化不明显，呈现准直线型。分析其原因主要有：①黏粒含量的影响，试样T1，T2黏粒含量十分微小，小于5%，矿物主要成分为石英，无黏聚力，与水作用微弱;试样T3的黏粒含量有所提升，在一定程度上改善级配，提高了黏聚力，干密度曲线整体上升，但是含水率对击实干密度依然无明显规律性影响;②排水条件的影响，砂样T2是天然细砂，第四系沉积作用形成，粒径单一，分选性好，是典型的颗粒状松散结构，孔隙率大，渗透性强，在击实过程中因良好的排水性能而不会形成较大孔隙水压力，故含水率对压实性能影响较小。

砂样T4，T5与砂样T1，T2，T3相比，因为黏粒含量增加，黏粒土水界面的双电层结构改善了砂土混合物与水的作用，表现出较强的压实效果。对于砂样T5，随着含水率的提高，干密度呈现出先减小后增大再减小的趋势，表明黏粒含量已经对试样土的击实性能有了显著影响。在含水率8%时，干密度分别达到峰值，试样土表现出干压实特性。在1% ～3%附近的低含水率区段，干密度最小，压实效果差。此时击实曲线呈波峰波谷型，其示意图如图4所示。

由图4可知：击实曲线随着含水率的变化分为四个区段。

第一区段：当细砂处于含水率极低的干燥状态时，砂颗粒之间的黏聚力分量为零，击实功只需要克服砂颗粒的内摩擦分量。当击实锤落在砂样表面时，砂颗粒受到垂直和水平两个方向上的振动，砂颗粒向有空隙的空间移动，周围有未满足的应力场，会吸附周围空隙中粒径最小的颗粒，在砂颗粒表面形成薄膜，使砂颗粒的直接接触面积减小[7]。此外，随着黏粒含量的增加，改善了细砂的级配，使得砂样T4，T5的干密度更大。

第二区段：随着含水率增加，砂样干密度逐渐降低，并达到最小值。造成此现象的原因是：由于水对细砂颗粒的非润滑效应，使内摩擦分量加大。其次，砂中黏粒吸附水后，产生黏聚力，使砂样中黏聚力分量增加。砂颗粒之间会产生结合水膜，含水率较小时，结合水膜黏结作用明显，使得砂样中内摩擦分量和黏聚力分量都有所增加，不利于压实。

第三区段：砂中含水率继续增大，水膜逐渐变厚，结合水膜的黏滞作用迅速退化，水对砂颗粒的润滑作用逐渐增大，砂土内摩擦力减小。同时，含水率增加使不利于砂颗粒位移的毛细吸力作用消失，砂样更易击实。

第四区段：击实干密度到达峰值后，随着含水率继续增加，砂土内摩擦力和黏聚力下降幅度变小，砂达到饱和，由于水极难被压缩，因此击实干密度降低[8]砂样T6在重型击实功下，砂颗粒之间的孔隙基本被填满，砂颗粒失去骨架支撑作用，表现出类似于黏性土的波峰型击实曲线。砂样T6黏粒含量约35%，表明黏粒含量≥35%时，砂土表现出良好的击实特性，为界限黏粒含量。

3结束语

本文制备一系列掺配不同黏粒含量的细砂进行重型击实试验，研究细粒含量对砂土击实特性的影响，得出以下结论：

（1）级配均匀细砂的击实特性与其细粒含量相关，是无黏性的砂骨架和含黏性的细粒共同作用的结果，根据细粒含量的不同击实曲线可分为三种典型种类，即准直线型、波峰波谷型、波峰型。

（2）砂土在干燥状态和欠饱和状态下具有良好的压实特性，工程上可根据具体情况选择合适的压实含水率。同时，在低含水率时，砂土具有难以压实的特性，工程上应该极力避免此类情况。

（3）细粒含量较少的细砂击实特性主要受无黏性的砂骨架影响，其击实曲线为准直线型曲线、波峰波谷型曲线，且该类击实曲线的细砂压实性能较差，作为工程材料应谨慎使用。

（4）合适的细粒比例会改良粉砂的级配，细粒含量超过35%的砂土具有良好的击实特性，可作为一种良好的路基填料。

参考文献

[1] 王勇，王艳丽.细粒含量对饱和砂土动弹性模量与阻尼比的影响研究[J].巖土力学，2011，32（9）：2623-2628.

[2] 张海霞，凌建明，蒋鑫，等.长江口细砂路用性能的试验研究[J].公路工程，2008，33（3）：142-146.

[3] 张宏，钱劲松，戴清，等.长江口细砂作为路基填料的工程特性研究[J].建筑材料学报，2012，15（2）：237-240.

[4] 谭鹏，曹长伟，资西阳，等.滨海细砂作为公路路基填料的工程特性研究[J].公路工程，2014，39（1）：94-98.

[5] GBT50123-1999.土工试验方法标准非原版[S].北京：中华人民共和国建设部，1999.

[6] 姚兆明，黄茂松，张宏博.长期循环荷载下粉细砂的累积变形特性[J].同济大学学报（自然科学版），2011，39（2）：204-208.

[7] 赵天宇，王锦芳.考虑密度与干湿循环影响的黄土土水特征曲线[J].中南大学学报（自然科学版），2012，43（6）：2445-2453.

[8] 高大钊.土质学与土力学[M].北京：人民交通出版社，2000：201.