程曉明， 劉海濤

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津300051)

0 引言

土石混合料是一種性能優(yōu)良的筑路材料，因其具有沉降變形小、密實(shí)度高、強(qiáng)度高、透水和抗沖刷性能良好等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛用作新疆地區(qū)路基填料.由于土石混合料來源不統(tǒng)一、材料本身性質(zhì)差異較大等原因，很難保證填料在路基中的均勻性.如果采用傳統(tǒng)灌砂法、灌水法來檢測(cè)路基質(zhì)量，必然導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)離散性大，試驗(yàn)結(jié)果難以客觀反映路基壓實(shí)質(zhì)量.因此，在以壓實(shí)度或其他相關(guān)指標(biāo)為控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土石混合料進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量控制時(shí)，都需要確定混合料的最大干密度.本文以新疆伊寧至墩麻扎高速公路建設(shè)項(xiàng)目為依托，提出適合該地區(qū)的最大干密度確定方法［1］.

1 室內(nèi)最大干密度確定方法研究

《土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ E40－2007)中，表面振動(dòng)壓實(shí)儀和表面振動(dòng)臺(tái)法測(cè)土石混合料壓實(shí)最大干密度，其試筒內(nèi)徑最大可達(dá)280mm，適用于內(nèi)徑60mm以下的土石混合料.而《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F10－2006)規(guī)定，填筑在路基上的土石料內(nèi)徑不能超過100mm.因此在最大干密度確定時(shí)，首先要考慮超粒徑顆粒的處理問題.目前常見的超粒徑的等效處理方法有三種:相似級(jí)配法、等量代換法和剔除法［2］.

圖1 等量代換法級(jí)配曲線

為滿足大于60mm超粒徑土石料壓實(shí)的需要，特開發(fā)大型擊實(shí)儀.大型擊實(shí)儀基本參數(shù)如下:擊實(shí)錘重量4.5kg，擊錘下落高度45cm，擊錘直徑5cm，試筒內(nèi)徑30cm，試筒高度35.4cm，擊實(shí)次數(shù)151次/層(共5層)，擊實(shí)功600kN/m3.在原始級(jí)配基礎(chǔ)上，按模比為1.67，2.5，4 和 10 分別變化最大粒徑，進(jìn)行相似級(jí)配法試驗(yàn)(如圖1);剔除60mm以上顆粒，進(jìn)行剔除法試驗(yàn)(如圖2);按照等重量代換法計(jì)算公式，保持5mm以下顆粒級(jí)配不變進(jìn)行等重量代換法試驗(yàn)(如圖3).

圖2 剔除法級(jí)配曲線

圖3 相似級(jí)配法顆粒級(jí)配曲線

圖4 不同超粒徑含量下密度對(duì)比

從表2中可以看出，不同等效處理方法得到的含水量差別不大，而最大干密度卻有明顯差距.其中，相似級(jí)配法得到的最大干密度最大，等重量代換法次之，剔除法較小;相似級(jí)配法與大型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果相接近.這說明相似級(jí)配法更與原級(jí)配結(jié)果貼近，采用相似級(jí)配法更符合大粒徑土石混合料壓實(shí)特性.

表1 料場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

圖5 不同超粒徑含量下含水量對(duì)比

圖6 不同最大粒徑顆粒比例圖

圖7 含石量分布直方圖

雖然相似級(jí)配法最接近土石混合料壓實(shí)特性，但操作時(shí)往往需要花費(fèi)較多的時(shí)間進(jìn)行粒徑調(diào)整.而剔除法方法簡(jiǎn)單，操作容易，且節(jié)省人力物力和時(shí)間.本文變化不同的超粒徑含量，對(duì)土石混合料分別按剔除法和相似級(jí)配法進(jìn)行試驗(yàn)，分析合理的超粒徑剔除范圍.從圖4可以看出，當(dāng)超粒徑含量在4.7%以下，剔除超粒徑前后差值在0.1g/cm3;當(dāng)超粒徑含量大于4.75%時(shí)，剔除前后最大干密度差距逐漸明顯.剔除超粒徑前后，含水量差別在3%以內(nèi)(如圖5示).因此，當(dāng)超粒徑含量小于4.7%，可用剔除法代替相似級(jí)配求得超粒徑顆粒最大干密度，忽略超粒顆粒對(duì)含水量的影響.

2 現(xiàn)場(chǎng)最大干密度修正方法研究

圖8 新疆地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)干密度修正流程圖

由于取樣點(diǎn)位置、材料離散的影響，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度進(jìn)行修正.在試驗(yàn)段上任意挑選40個(gè)灌砂坑進(jìn)行顆分試驗(yàn)，對(duì)40個(gè)樣本進(jìn)行變異性分析.統(tǒng)計(jì)樣本可知，灌砂坑里的最大粒徑和含石量已經(jīng)發(fā)生了很明顯的變異.最大粒徑的分布范圍較料場(chǎng)篩分結(jié)果的 100mm已經(jīng)變化到60mm、80mm、100mm這三個(gè)范圍，而含石量則從63.66%變化到79.90%.土石混合料變異性呈現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1)材料變異性很大，不能忽略.與取樣篩分對(duì)比，最大粒徑變化3到4個(gè)檔，含石量變化范圍大于15%.

(2)最大粒徑和最大含石量變化以取樣篩分結(jié)果為中心分布，最大粒徑多偏左分布.

(3)現(xiàn)場(chǎng)篩分粒徑距離取樣篩分的最大粒徑越遠(yuǎn)，含石量離散性越小;反之離散性越大.

(4)現(xiàn)場(chǎng)篩分粒徑越大，含石量偏高的可能性越大，離散性越大.

現(xiàn)場(chǎng)干密度修正時(shí)可根據(jù)變異特點(diǎn)減少試驗(yàn)量.一般來說，料場(chǎng)原材料都是連續(xù)變化的，粒徑范圍越大，材料變異性越大;粒徑范圍越小，材料變異的范圍也會(huì)相對(duì)縮小.根據(jù)以上結(jié)果，將土石混合料現(xiàn)場(chǎng)干密度修正方法分述如下:

(1)首先進(jìn)行料場(chǎng)土石混合料篩分試驗(yàn).為保證篩分結(jié)果的代表性，建議對(duì)總質(zhì)量20kg以上砂礫土進(jìn)行篩分.

(2)根據(jù)篩分結(jié)果，按如下方案進(jìn)行分組配料.

方案一:當(dāng)土石混合料最大粒徑≤60mm時(shí)，變化最大粒徑3個(gè)，按5%的間距變化含石量2個(gè)進(jìn)行配料試驗(yàn);

方案二;當(dāng)土石混合料最大粒徑＞60mm時(shí)，變化最大粒粒徑3個(gè)，按5%的間距變化含石量3～4個(gè)進(jìn)行配料試驗(yàn).

(3)按不同最大粒徑進(jìn)行試驗(yàn).根據(jù)材料特性和規(guī)范規(guī)定，采用不同的最大干密度試驗(yàn)方法和不同粒徑的試筒:對(duì)于最大顆粒小于等于60mm、通過0.075mm標(biāo)準(zhǔn)篩的土顆粒質(zhì)量百分率不大于15%的無粘性自由排水粗粒土和巨粒土應(yīng)使用表面振動(dòng)壓實(shí)儀法或者振動(dòng)臺(tái)法確定最大干密度;對(duì)于最大粒徑不大于40mm的細(xì)粒土，應(yīng)通過重型擊實(shí)試驗(yàn)確定最大干密度;對(duì)于最大粒徑不大于20mm的細(xì)粒土，應(yīng)通過輕型擊實(shí)試驗(yàn)確定最大干密度［3］.

(4)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立預(yù)測(cè)模型.可建立標(biāo)準(zhǔn)干密度同含石量和最大粒徑的預(yù)測(cè)模型，取相關(guān)性最佳的模型作為最終結(jié)果.

綜上所述，結(jié)合室內(nèi)最大干密度修正方法，提出新疆地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)干密度修正流程(見圖8).

3 對(duì)施工的要求

土石混合料現(xiàn)場(chǎng)干密度推薦模型的參數(shù)需在施工過程中獲取，因此對(duì)施工應(yīng)用提出如下要求:

(1)灌砂法時(shí)做到以下兩點(diǎn):

1)嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行灌砂法壓實(shí)度試驗(yàn)，保證試驗(yàn)結(jié)果精確度.

2)挖坑時(shí)保持材料粒徑不受破壞.鑿坑時(shí)最常見的現(xiàn)象是遇到大顆粒不完全在坑內(nèi).此時(shí)將大顆粒鑿開、沿用原有土坑會(huì)破壞顆粒尺寸，影響測(cè)得結(jié)果，應(yīng)視情況棄坑另測(cè).

(2)灌砂法挖坑后，將現(xiàn)場(chǎng)篩分參數(shù)帶入預(yù)測(cè)模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)干密度修正.如果濕度較大，那么現(xiàn)場(chǎng)篩分的含石量結(jié)果可能存在一定誤差.經(jīng)對(duì)比潮濕和干燥兩種狀況下含石量發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)潮濕狀態(tài)下測(cè)定的含石量一般較烘干狀態(tài)下的含石量大1個(gè)百分點(diǎn)左右.故可據(jù)此適度降低現(xiàn)場(chǎng)含石量結(jié)果，作實(shí)際含石量用.

4 結(jié)論

本文就室內(nèi)最大干密度確定方法和現(xiàn)場(chǎng)最大干密度修正方法展開研究，主要結(jié)論如下:

(1)對(duì)相似級(jí)配法、等重量代換法、剔除法這三種等效處理方法展開對(duì)比試驗(yàn)，得到的含水量差別不大，而相似級(jí)配法最接近大型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果.

(2)當(dāng)超粒徑含量小于4.7%，可直接用剔除法試驗(yàn)，反之用相似級(jí)配法確定室內(nèi)最大干密度.

(3)新疆土石混合料材料變異性很大，不能忽略.與取樣篩分對(duì)比，最大粒徑變化3到4各檔，含石量變化范圍高于15%;最大粒徑變化和含石量以取樣篩分結(jié)果為中心分布;現(xiàn)場(chǎng)篩分粒徑距離取樣篩分的最大粒徑越遠(yuǎn)，含石量離散性越小;反之離散性越大.

(4)提出新疆土石混合料現(xiàn)場(chǎng)干密度確定體系.

［1］程曉明.土石混填路基壓實(shí)特性與數(shù)值模擬［D］.陜西:長(zhǎng)安大學(xué)，2012.06.

［2］郭國慶，劉貞草.確定大粒徑粗料土最大密度的近似方法［J］.西北水資源與水工程，1992，3(1):12 －22.

［3］《土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ E40－2007).