顆粒級配對無粘性土壓實性的影響分析*

高成雷　嚴戰友　李建軍　王丙興　張孟強

(石家莊鐵道大學道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室1)　石家莊　050043)

(河北省高速公路張承張家口管理處2)　張家口　076350)　(河北省高速公路邢汾管理處3)　邢臺　054001)

(河北省高速公路張承承德段籌建處4)　承德　067000)

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顆粒級配對無粘性土壓實性的影響分析*

高成雷1)嚴戰友1)李建軍2)王丙興3)張孟強4)

(石家莊鐵道大學道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室1)石家莊050043)

(河北省高速公路張承張家口管理處2)張家口076350)(河北省高速公路邢汾管理處3)邢臺054001)

(河北省高速公路張承承德段籌建處4)承德067000)

摘要：為了揭示顆粒級配對無粘性土壓實性的影響規律和機制，開展了不同顆粒級配無粘性土的表面振動壓實試驗，并對無粘性土的結構類型進行了分析.試驗顆粒級配的確定以山區公路巨粒土填料為原型，考慮了塊石、碎石、粗礫、中細礫等粒組的不同相對含量，并采用相似級配法進行縮尺.試驗結果表明，顆粒級配不均勻的巨粒夾土或巨粒質土的壓實性總體較好.無粘性土結構主要決定于顆粒級配的連續性，并可分為骨架孔隙結構、骨架虛填結構和懸浮骨架結構3種類型.顆粒級配對無粘性土壓實性的影響機制可以概括為不同大小顆粒的相互填充效應，大顆粒的懸浮效應和小顆粒的虛填效應，上述效應均有利于提高無粘性土的最大干密度.無粘性土路基壓實質量控制標準應考慮顆粒級配對壓實性的影響，不宜采用統一的孔隙率.研究成果深化了對無粘性土結構的認識，并為無粘性土路基壓實質量控制提供了技術依據.

關鍵詞：道路工程；壓實性；室內試驗；無粘性土；顆粒級配；土的結構

0引言

出于經濟和環保需要，山區公路大量使用隧道或路塹挖方石碴作為路基填料.這種類型填料具有土石混合、含石量高、大粒徑多的顯著特點，通常屬于巨粒土的范疇[1].根據填料中石料含量的不同，公路巨粒土路基分為填石路堤和土石路堤兩種類型[2-3].公路部門從20世紀90年代開始進行填石路堤的試驗和研究，并取得很多寶貴的經驗.基于相關研究成果和工程經驗，并借鑒文獻[4]提出了用孔隙率作為質量控制指標的壓實質量標準，現行文獻[2]繼續沿用了這一指標和標準.對于土石路堤的壓實質量控制，文獻[2]仍未單獨提出明確要求，文獻[3]則規定以最大干密度作為試驗路的壓實度標準.

根據土力學的基本原理可知，干密度和孔隙率雖然可以用于評價土的密實程度，卻無法考慮顆粒級配的影響.鐵路行業也曾經采用孔隙率作為碎石、礫石、砂等粗粒土填料的壓實質量控制指標[5]，但是相關研究成果和工程經驗表明，顆粒級配對粗粒土的壓實性具有顯著影響，采用統一的孔隙率作為壓實質量控制標準并不適用[6-8]，并且文獻[9]已經取消了孔隙率指標，規定統一采用壓實系數作為路基壓實質量控制的物理指標.

其他學者通過室內試驗或數值仿真等手段也開展了相關研究，均指出顆粒級配對土的壓實特性具有重要影響[10-14].李曉柱等[15-16]從細觀層面模擬了不同顆粒級配土的壓實特性，文獻[10-12]從土的結構角度分析了顆粒級配對壓實性的影響，王仲錦等[17]還基于顆粒級配對鐵路路基填料分類進行了細化和調整.上述研究成果已經能夠證明評價土的密實程度和路基壓實質量應考慮顆粒級配的影響，但是相關研究主要基于礫石類土等粗粒土的顆粒級配特征，以含石量反映土中粗粒與細粒的相對含量，而且未全面、細致考慮顆粒級配的變化，導致顆粒級配的代表性不足，因此雖然反映出顆粒級配對土的壓實性存在影響，但是獲得的相關影響規律尚不夠深入.

為了進一步揭示顆粒級配對土的壓實性的影響機制和規律，同時考慮到不同行業對于以統一孔隙率作為壓實質量控制標準尚有不同認識，以山區公路巨粒土路基填料為原型材料，仔細考慮了其中塊石、碎石、粗礫、中細礫等粒組的不同相對含量，采用相似級配法進行縮尺后，開展了典型顆粒級配條件下的表面振動壓實試驗.通過試驗結果的比較以及土的結構類型的分析，揭示了顆粒級配對巨粒土等無粘性土壓實特性的影響機制和規律，并對巨粒土路基壓實質量控制指標和標準提出了建議.

1試驗方案

1.1試驗級配

原型試驗級配總計12種，根據文獻[1]分別予以命名.各試驗級配對應的粒組構成情況及相關參數見表1.限于篇幅，塊石、碎石、粗礫、中細礫等粒組的具體顆粒構成情況未列出.

表1　原型料試驗級配

注：粒組界限粒徑單位為cm;特征粒徑單位為mm;粒組含量單位為%.

1.2試驗方法

考慮到山區公路巨粒土路基目前通常采用振動碾壓、沖擊碾壓、強夯等動力壓實方法，壓實功的作用自上而下，同時相關研究成果指出重型擊實試驗由于顆粒破碎效應較強，會明顯改變試驗材料的顆粒級配，因此確定采用表面振動壓實試驗，從而最大限度真實反映顆粒級配對土的壓實特性的影響.

試驗土料采用巖性堅硬且整體性好的石灰巖砂礫石.具體操作過程嚴格執行文獻[1]的相關規定.

2數據分析

2.1表面振動壓實特性

表面振動壓實試驗結果見表2，并將最大干密度從大到小進行排序.由表2可知，巨粒土的顆粒構成情況對其壓實性的影響具有如下特點.

1) 就第一層次分類而言，巨粒夾土壓實性較好，巨粒質土壓實性居中，純巨粒土壓實性較差.

表2　最大干密度　g/cm3

注：括號內數字為排序.

2) 就第二層次分類而言，純巨粒土的壓實性首先決定于巨粒組的顆粒構成，其次才決定于礫粒組的顆粒構成.

3) 巨粒夾土的壓實性較好(前4位占3)；而無論巨粒組含量如何，巨粒以碎石為主且礫粒以粗礫為主時壓實性較差(后3位).

綜合上述情況可知，顆粒級配對巨粒土壓實性的影響規律較為明顯，但比較復雜.總體而言，巨粒夾土和巨粒質土的壓實性較好，但應避免碎石和粗礫的總含量過高.

結合表1中的不均勻系數進一步分析可知，就第一層次分類而言，經計算巨粒夾土的不均勻系數平均值最大，為28.35；巨粒質土次之，為9.35；純巨粒土最小，為8.63，其次序與最大干密度平均值的情況一致.就第二層次分類而言，對于純巨粒土和巨粒夾土，當巨粒組含量確定時，不均勻系數大的顆粒級配具有更大的最大干密度；對于巨粒質土，上述關系同樣成立，即便對于不均勻系數相同的顆粒級配(9#和10#，11#和12#)，顆粒級配不均勻性對最大干密度的影響依然通過巨粒組的顆粒構成差異得以體現，例如塊石質粗礫的最大干密度較碎石質粗礫更大.

但是應注意到兩點：(1)巨粒土的不均勻系數與其最大干密度之間并不具有絕對的正相關關系；(2)當巨粒組含量低于40%時，不均勻系數無法反映巨粒組顆粒構成對最大干密度的影響.上述情況綜合表明，巨粒土的顆粒級配不均勻時壓實性相對更好，但是與不均勻系數之間并不具有必然的聯系.

結合表1中的曲率系數進一步分析可知，顆粒級配對應的最大干密度較大時，其曲率系數大多并不位于1～3之間，例如,5#,7#,11#；與之相反，顆粒級配對應的最大干密度較小時，其曲率系數大多位于1～3之間，例如,4#,6#,10#.由此可知，對于巨粒土填料，如果以最大干密度作為評價指標，傳統定義的級配良好的條件并不能保證其具有良好的壓實性，填料遴選時對于級配參數的合理控制尚有待進一步總結經驗和深入研究.基于上述分析，同時參考文獻[17]的相關成果，建議對巨粒土填料的級配要求應以不均勻系數為主，控制標準可初步確定為Cu≥10.

2.2顆粒級配影響機制

2.2.1無粘性土的結構類型

顆粒級配影響土的壓實特性，其根本原因在于土的結構差異[10-12].

土的顆粒級配差異主要表現為不均勻性和連續性，以及土顆粒的總體粒徑大小等3個方面，因此其對于無粘性土結構的影響，可以概括為以下3種典型情況.

1) 無粘性土單粒結構的基本類型首先表現為骨架孔隙結構，其結構特征見圖1a),b).這種結構類型對應的級配特征為連續級配，土的結構表現為全部土顆粒均參與構成土骨架，大顆粒之間的孔隙由小顆粒填充.

2) 在骨架孔隙結構的基礎上，由于顆粒級配不連續，可演變出另外兩種結構類型.顆粒級配不連續表明土顆粒總體上可區分為大顆粒和小顆粒兩部分，粒徑介于大、小顆粒之間的中顆粒缺失.當不連續級配土以大顆粒為主時，土骨架主要由大顆粒構成，部分小顆粒并未參與構成土骨架，只是虛填于骨架的孔隙中，因此這種結構類型可以定義為骨架虛填結構，其結構特征見圖1c).

3) 當不連續級配土以小顆粒為主時，土骨架由大、小顆粒共同構成，但是大顆粒之間彼此脫離，因此這種結構類型可以定義為懸浮骨架結構，其結構特征見圖1d).

圖1　無粘性土結構類型示意圖

基于上述結構類型劃分可知，無粘性土結構的差異主要在于構成土骨架的主體顆粒的粒徑并且與顆粒級配特征相關.如果土骨架由全部顆粒參與構成，顆粒粒徑連續變化，無法區分構成土骨架的主體顆粒粒徑，則為骨架孔隙結構，并與連續級配相對應.如果土骨架主要由大顆粒參與構成，土顆粒中粒徑最小的一部分并未參與構成土骨架，只是虛填于土骨架的孔隙之中，則為骨架虛填結構，并與以大顆粒為主的不連續級配相對應.如果土骨架主要由小顆粒參與構成，土顆粒中粒徑最大的一部分雖然也參與構成土骨架，但彼此之間相互脫離孤立存在，則為懸浮骨架結構，并與以小顆粒為主的不連續級配相對應.

上述分析表明無粘性土的結構類型主要決定于顆粒級配的連續性.顆粒級配的不均勻性對上述結構的影響主要在于不同大小顆粒相互填充的連續程度.見圖1a)、b)，不均勻的土其顆粒相互填充程度更高，并且表現為孔隙尺寸相對于大顆粒的粒徑更小.土顆粒粒徑對上述結構的影響主要表現為孔隙尺寸的絕對大小.土顆粒的總體粒徑越大，孔隙尺寸相應越大.

對于連續級配土，隨著土中大、小顆粒的同步減少，中間粒徑顆粒的相對增多，顆粒級配在保持連續的基礎上由不均勻過渡到均勻，土的結構雖然仍為骨架孔隙結構，但是孔隙尺寸增大.與之相反，同樣對于連續級配土，隨著土中大、小顆粒的同步增多，中間粒徑顆粒的相對缺失，顆粒級配由連續過渡到不連續，土的結構則由骨架孔隙結構轉化為骨架虛填結構(大顆粒為主)或懸浮骨架結構(小顆粒為主)，其臨界狀態可分別界定為小顆粒出現虛填或大顆粒出現脫離.對于不連續級配土，隨著土中大、小顆粒含量的此消彼長變化，土的結構也會在骨架虛填結構與懸浮骨架結構之間發生轉化，其臨界狀態可界定為大顆粒之間孔隙剛好被小顆粒充填但彼此又不脫離的特定狀態.

2.2.2無粘性土結構與壓實性的關系

關于土的結構對壓實性影響，文獻[10,12]等研究成果有所涉及，但是由于相關分析對于土的結構類型劃分僅以含石量為依據，并未仔細考慮土的顆粒級配特征，因此得到的規律具有一定局限性.而基于前述無粘性土結構類型的劃分，及其與顆粒級配之間的相關性分析，即可詮釋表2中試驗數據所反映出的不同顆粒級配巨粒土的壓實特性差異.

基于前述分析可知，土具有良好壓實性的關鍵在于顆粒級配不均勻且連續，即通過不同大小顆粒的相互填充效應，使大顆粒之間的孔隙由小顆粒予以填充，并且這種填充效應的連續程度越高，土的壓實性越好.見圖1a),b)，同為骨架孔隙結構，圖1b)所示的顆粒填充效應為四級，其填充效果明顯優于圖1a)所示的兩級顆粒填充效應.當顆粒級配不連續時，則土的壓實性首先由構成土骨架顆粒的相互填充效應決定，而大顆粒的懸浮效應和小顆粒的虛填效應均在此基礎上有利于進一步提高壓實性.由此可知，土的壓實性是上述3種效應共同作用的綜合表現.

對于試驗級配條件下的巨粒土，巨粒相對于粗粒，巨粒為大，粗粒為?。粔K石相對于碎石，塊石為大，碎石為小；粗礫相對于中細礫，粗礫為大，中細礫為??；總體比較，則塊石為大，碎石和粗礫為中，中細礫為小.就顆粒級配的第一層次分類而言，巨粒夾土以巨粒為主而粗粒也較多，既存在以碎石和粗礫為基礎的顆粒相互填充效應，又存在塊石的懸浮效應和中細礫的虛填效應，因此最大干密度的平均值最大，其結構類型總體應為骨架虛填結構.巨粒質土以粗粒為主而巨粒也較多，主要存在以粗礫和中細礫為基礎的顆粒相互填充效應，以及塊石和碎石的懸浮效應，虛填效應較弱，因此最大干密度的平均值居中，其結構類型總體應為懸浮骨架結構.純巨粒土以巨粒占絕對優勢而粗粒較少，主要存在以塊石和碎石為基礎的顆粒相互填充效應，虛填效應較弱，且不存在懸浮效應，因此最大干密度的平均值最小，其結構類型總體應為骨架孔隙結構.

就顆粒級配的第二層次分類而言，當巨粒組含量確定時，如果巨粒以塊石為主而粗粒以中細礫為主，意味著顆粒級配最不均勻，有利于上述3種效應的發揮，因此這種級配特征的巨粒土的最大干密度均最大.與之相反，如果巨粒以碎石為主而粗粒以粗礫為主，意味著顆粒級配最均勻，不利于上述三種效應的發揮，因此這種級配特征的巨粒土的最大干密度均最小.

此外，對于巨粒夾土或巨粒質土，當巨粒組含量確定時，無論巨粒的大小如何，粗粒以中細礫為主較以粗礫為主時，最大干密度相對更大，說明顆粒相互填充效應和小顆粒的虛填效應在起主要作用，而大顆粒的懸浮效應較弱；即便如此，塊石的懸浮效應優于碎石仍然在巨粒夾土或巨粒質土的最大干密度數據中得以體現，當粗粒組的顆粒構成確定時，巨粒以塊石為主較以碎石為主具有相對更大的最大干密度.而對于純巨粒土，當巨粒組含量確定時，無論粗粒的大小如何，巨粒以塊石為主較以碎石為主時，最大干密度相對更大，說明顆粒相互填充效應和大顆粒的懸浮效應在起主要作用，而小顆粒的虛填效應較弱；即便如此，中細礫的虛填效應優于粗礫仍然在純巨粒土的最大干密度數據中得以體現，當巨粒組的顆粒構成確定時，粗粒以中細礫為主較以粗礫為主具有相對更大的最大干密度.

2.3壓實質量控制標準

采用虹吸筒法測定試驗土樣的土顆粒相對密度(2.66)，換算得到了試驗級配條件下土樣壓實度分別為94%和93%時所對應的孔隙率，見表3.

由表3可見，對于以硬質石料為主的純巨粒土，就通常按照94%壓實度控制的上路堤而言，試驗級配條件下的孔隙率均達不到控制標準，表明≤23%的控制標準可能偏高；就通常按照93%壓實度控制的下路堤而言，巨粒以塊石為主時孔隙率均達到控制標準，而巨粒以碎石為主時孔隙率均達不到控制標準，考慮到純巨粒土填料通常以塊石為主，可以認為≤25%的控制標準較為合適.

表3　孔隙率

注：孔隙率單位為%.

對于以中硬石料為主的巨粒夾土，就上路堤而言，粗粒以中細礫為主時孔隙率均達到控制標準，表明≤22%的控制標準較為合適，而粗粒以粗礫為主時孔隙率均達不到控制標準，表明≤22%的控制標準可能偏高；就下路堤而言，除了巨粒以碎石為主且粗粒以粗礫為主的情況以外，其他三種級配條件下的孔隙率均達到控制標準，表明≤24%的控制標準較為合適.但是值得注意的是，當巨粒以塊石為主且粗粒以中細礫為主時，其孔隙率均遠小于對應的控制標準，表明現行控制標準對于這種類型的巨粒夾土又可能偏低，這種現象對于軟硬巖混雜的巨粒土填料應予以重視.

對于以軟質石料為主的巨粒質土，就上路堤而言，試驗級配條件下的孔隙率均達不到控制標準，表明≤20%的控制標準可能偏高；就下路堤而言，試驗級配條件下的孔隙率同樣均達不到控制標準，表明≤22%的控制標準也可能偏高.

基于上述比較分析可知，文獻[2]關于填石路堤壓實質量控制標準的規定，相當于僅粗略考慮了母巖性質對巨粒土填料顆粒級配的影響，并分別采用了不同的控制標準，但是對于變異性顯著的巨粒土填料可能適用，也可能偏高或者偏低，因此其適用性與合理性有待進一步驗證.由于試驗級配忽略了砂以下顆粒，因此對于上述孔隙率的比較可能會帶來一定影響，但是可以確定的是，更為合理的控制標準應充分考慮顆粒級配對無粘性土壓實性的顯著影響，而以統一孔隙率作為無粘性土路基壓實質量控制標準具有理論意義上的明顯不足.

3結論

1) 顆粒級配對無粘性土壓實性的影響規律較為明顯，但比較復雜.就巨粒土而言，如果以最大干密度作為評價指標，顆粒級配不均勻的巨粒夾土或巨粒質土的壓實性總體較好.

2) 無粘性土結構可細分為骨架孔隙結構、骨架虛填結構和懸浮骨架結構3種類型.顆粒級配的連續性主要影響結構類型，不均勻性主要影響孔隙尺寸相對大顆粒的大小，土顆?？傮w粒徑大小主要影響孔隙尺寸的絕對大小.

3) 顆粒級配對無粘性土壓實性的影響機制可以概括為不同大小顆粒的相互填充效應，大顆粒的懸浮效應和小顆粒的虛填效應，這三種效應均有利于提高無粘性土的最大干密度，土的壓實性是上述效應共同作用的綜合表現.

4) 無粘性土路基可以采用孔隙率作為壓實質量控制指標，但是控制標準應充分考慮顆粒級配對無粘性土壓實性的顯著影響，不宜采用統一的孔隙率.

最后有必要指出，試驗結果是試驗用粗粒土樣壓實特性的真實反映，因此相關分析更適用于粗粒土；但是由于采用相似級配法進行縮尺未改變顆粒級配中不同大小顆粒的相對含量，因此并不影響基于試驗數據定性分析顆粒級配對巨粒土壓實性的影響規律和機制.鑒于巨粒土的顆粒級配極其復雜，相關分析和結論以有限試驗為基礎，因此尚需進一步驗證或完善.

參 考 文 獻

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Effect of Grain Size Distribution on Compaction Property of Cohesionless Soil

GAO Chenglei1)YAN Zhanyou1)LI Jianjun2)WANG Bingxing3)ZHANG Mengqiang4)

(KeyLaboratoryofRoadandRailwayEngineeringSafetyControlofMinistryofEducation,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,China)1)

(ZhangchengExpresswayManagementDepartmentofHebeiProvince,Zhangjiakou076350,China)2)(XingfenExpresswayManagementDepartmentofHebeiProvince,Xingtai054001,China)3)

(ChengzhangExpresswayConstructionDepartmentofHebeiProvince,Chengde067000,China)4)

Abstract：To reveal the principle and mechanism of grain size distribution on compaction property of cohesionless soil, a series of surface vibration compaction tests are carried out for cohesionless soils with various grain size distributions, and the structure types of cohesionless soil are analyzed. With similar grading method, the grain size distributions applied for tests are determined by scaling the over-coarse-grained soils used as mountain highway subgrade materials. The original grain size distributions of over-coarse-grained soils reflect the differences among proportional relationships of grain size groups composed of block stones, crushed stones, coarse gravels and medium-to-fine gravels. The test results indicate that the inhomogeneous over-coarse-grained soils in which the content of over coarse grains is less than 75% are generally of favorable compaction property. The structures of cohesionless soil mainly depend on the continuity of grain size distribution, and can be divided into three types such as skeleton-void structure, skeleton-filling structure and suspending-skeleton structure. The mechanism of grain size distribution on compaction property of cohesionless soil can be summarized as the mutually-filling effect of soil grains with various sizes, the suspending effect of large grains and the filling effect of small grains. These effects all can raise the maximum dry density of cohesionless soil. The compaction control criterion of cohesionless soil subgrade should consider the effect of grain size distribution on compaction property and should not adopt a uniform porosity. The research findings deepen the knowledge on cohesionless soil structure, and provide the technical foundation for compaction control of cohesionless soil subgrade.

Key words：road engineering; compaction property; laboratory test; cohesionless soil; grain size distribution; soil structure

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.006

中圖法分類號：U416

收稿日期：2016-02-14

高成雷(1973- )：男，工學博士，教授，主要研究領域為道路工程與巖土工程

*交通運輸部建設科技項目(2013318J07210)、河北省交通運輸廳科技計劃項目(Y-2010025-2)、河北省重點學科巖土工程建設項目資助