強風化石灰巖土石混合料壓實特性研究

摘要 土石混合料可用于路基填筑，受巖性組成、材料強度、顆粒組成等影響較大，該材料差異性較大，行業規范對其質量控制指標要求較為模糊，造成其應用受限。山區修建公路、鐵路，往往存有豐富的土石混合料，就地取材可大幅降低成本，但使用該類型材料前必須通過試驗確定土石混合料各項指標。為此，該文針對魯中丘陵地區強風化石灰巖開展土石混合料壓實特性試驗研究，分析顆粒組成、孔隙率、液塑限、抗壓強度等參數，為其在路基工程中的應用提供科學依據。

關鍵詞 土石混填路基；室內試驗；壓實特性

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0191-04

0 引言

土石混合料由粗顆粒石料和細顆粒土料組成，合理級配的土石混合料具有良好的力學性能和穩定性，能夠提高路基承載力，減少沉降和變形，延長道路使用壽命，同時還可以有效利用當地資源，降低材料及運輸成本。因此開展土石混合料壓實特性試驗研究，分析顆粒組成、孔隙率、液塑限、抗壓強度等參數對后續工程施工以及減少工程事故具有重要意義。

目前，國內外學者對土石混合料的物理力學性質、壓實特性等進行了大量研究。李亞然等[1]分析了不同含石量對土石混合料的結構特性影響；楊忠平等[2]通過進行室內直剪試驗以及離散元模擬試驗，分析研究了石塊強度對土石混合料剪切特性的影響；耿賀祥等[3]進行了平面應變條件下土石混合料的力學特性研究，通過改造后的剛柔混合型大型真三軸儀對土石混合料進行平面應變條件下考慮不同含石量以及固結圍壓下的固結排水剪切試驗和側向卸載試驗，基于試驗所得數據對土石混合料在平面應變條件下的力學特性進行分析研究。土石混合料的整體力學性能在不同條件下差別很大，因此有必要通過室內試驗確定土石混合料在不同含石量的最佳含水率，并對土石混合料的壓實特性進行研究。

該文主要通過顆粒分析試驗將現場取得的大粒徑石塊（dgt;60 mm）剔除后的土石混填料的顆粒級配；根據土、石材料的粒徑劃分標準，進行顆粒試驗分析；通過灌水法現場試驗段內測試不同含石量下的孔隙率；通過巖石的單軸抗壓試驗，獲取現場取材中石塊的抗壓強度；通過輕型擊實試驗和表面振動試驗獲得土石混合料的最大干密度并對其進行比較，計算出最佳含水率，并給出不同含石量下的施工含水率區間。

1 土石混合料的顆粒分析及孔隙率

1.1 土石混合料的顆粒分析

依托臨臨高速四標段K69+485位置處及AK0+300

～AK0+380試驗段的多點取土材料，根據取土位置分別編號為W-1、W-2、W-3、W-4、W-5、W-6、W-7、W-8，將未能通過20 cm篩的塊石剔除后，形成室內試驗試件，材料的級配曲線圖如圖1所示。

由級配曲線，計算各取點位置處的不均勻系數Cu與曲率系數Cc，各位置處級配指標如表1所示。

規范要求級配組成中，不均勻系數大于等于5，曲率系數在1～3之間為良好級配。其中W-7、W-8號取點位置處不滿足上述要求，被認定為不良級配。原因在于取土點位置位于高填方路基旁，土石混合料在填筑過程中大粒徑石料由于重力作用出現滾落的現象，導致現場取樣時，出現試樣的不良級配。

1.2 土石混合料孔隙率測試

孔隙率作為土石混填路基的控制指標之一，對路基路面的壓實程度有著最直觀、真實的反映，現場測試孔隙率使用灌砂法進行，對所有取土點位置處碾壓完成后進行測試，孔隙率測試結果如表2所示。

2 土石混合料的液、塑限

由圖3可知，當圓錐下沉深度為2.94 mm時，含水率值為24.1%；當圓錐的下沉深度為16.9 mm時，含水率值為41%。因此得出土石混合料液限值41%，塑限值為24.1%，液性指數與塑性指數分別為16.9、0.32。其他各位置處，測試過程同理，液性指數與塑性指數的數值如表3所示。

由表3可知，各位置處液性指數分布在16.5～16.9，

塑性指數分布在0.30～0.33。可認為，各位置處的土石混合料的含水率等指標基本相同，可認為土石混合料的一致性。

3 土石混合料石料巖石點荷載試驗

通過采用數顯巖石點荷載試驗儀做巖石點荷載試驗，計算土石混合料中石料的單向抗壓強度[3]。土體中水的存在會影響巖石的力學性質，主要和巖石的空隙性和水理性有關。考慮水對巖石性質的影響，主要考慮5種工況：（a）自然狀態；（b）烘干狀態；（c）浸水24 h；（d）浸水48 h；（e）浸水168 h。

試驗過程中，隨時觀察豎向位移標尺在加載前后的升降數值變化[4]，試樣破壞后，巖石的單向抗壓強度可按照公式計算[5]，5組點荷載試驗在不同強度范圍內石塊的數量分布情況如圖2。

由點荷載試驗結果分析可知，土石混合料中的大粒徑石料單軸抗壓強度主要集中在40～60 MPa，強度較大。通過對比不同浸水時間的C組、D組、E組三組試驗，能夠明顯的表征出石料在浸水24 h、48 h、168 h后巖石的單軸抗壓強度沒有明顯下降，A組、B組、C組、D組、E組試樣的單軸抗壓強度主要集中在40～80 MPa之間，屬于中性巖石。

4 土石混合料的室內擊實試驗

該試驗采用手動輕型擊實法與表面振動擊實儀法兩種方法同步進行，將兩種方法下的擊實試驗所需的土石混合擊實料放置在烘箱中105℃，烘干10h，按照含石量不同進行配置，并按照四分法將每一類準備6個試樣，配置不同的含水率試件，具體配置情況如表4所示。手動輕型擊實法擊實試驗數據繪制最佳含水率曲線圖，如圖3所示。根據表面振動擊實法擊實試驗測試數據繪制最佳含水率曲線圖，如圖4所示。

對照兩種試驗方法擊實后的最大干密度，確定最大干密度下的最佳含水率。測得的最大干密度、最佳含水率，分析結果如圖5所示。

由圖可知，土石混合料的擊實曲線與細粒土（均質土）的曲線較為相似，表現為干密度隨著含水率的增加而增加，隨之到達峰值。土石混合料中最大干密度隨著含石量的增加而增加，但最佳含水率越來越低。誤差方面，最大干密度的相對誤差范圍維持在0.05以下，絕對誤差范圍維持在0.11以下；最佳含水率的相對誤差維持在0.055以下，絕對誤差維持在0.35以下。如圖7所示，含石量小于30%時，土石混合料的最大干密度增長不明顯，主要原因是細粒土在土石混合料中起著主導作用；含石量在30%～70%之間時，土石混合料中隨著粗顆粒含量的增加，逐漸形成以粗集料為主的，細集料為輔的情況，粗顆粒之間的空隙被細料填充，使得最大干密度逐漸增加。

5 結論

該文主要對臨臨高速四標段試驗段及部分主線位置處分布的土石混合料開展基礎的物理力學試驗，探究不同情況下的壓實特性，得出結論如下：

（1）土石混合料中土石比例基本保持在3∶7，小于5 mm粒徑的料所占質量明顯小于大于5 mm粒徑的料。細粒土含量小于土石混合料總質量的5%，除部分特殊位置外，正線取土位置處的不均勻系數Cu均≥5，曲率系數Cc在1～3中間。在各位置處液性指數分布在16.5～16.9，塑性指數分布在0.30～0.33。

（2）通過在5種工況下巖石點荷載試驗，計算土石混合料中石料的單向抗壓強度。巖石在烘干作用和飽和作用下的抗壓強度均大于36 MPa，屬于中硬巖石。巖石在飽和24 h、48 h和168 h工況下，巖石的抗壓強度逐漸降低，但不是無限降低，趨近于某一值。

（3）針對不同含石量下的土石混合料，通過手動輕型擊實法與表面振動擊實法兩種試驗方法，得到最佳含水率下的最佳干密度及孔隙率。兩種方法下的最大干密度的相對誤差范圍維持在0.05以下，絕對誤差范圍維持在0.11以下；最佳含水率的相對誤差維持在0.055以下，絕對誤差維持在0.35以下。對于土石混填路基來說，在含石量較低時，室內擊實試驗中有必要采用破碎+輕型手動擊實的方法測試其最大干密度，計算最佳含水率，這樣能保證更好的準確性。

參考文獻

[1]李亞然，馬麗娜，肖銳，等.土石混合料工程特性試驗研究[J].公路， 2023（12）：53-58.

[2]楊忠平，趙亞龍，胡元鑫，等.塊石強度對土石混合料剪切特性的影響[J].巖石力學與工程學報， 2021（4）：814-827.

[3]耿賀翔.土石混合料的平面應變力學特性的試驗研

究[D].西安：西安理工大學，2023.

[4]王飛.點荷載強度試驗在水電工程中的應用[J].工程與試驗， 2020（1）：68-71．

[5]楊滿倉.炭質頁巖填料路基壓實工藝與質量控制技術研究[J].路基工程， 2022（2）：145-149．

收稿日期：2024-11-28

作者簡介：葛玉寧（1979—）男，本科，工程師，研究方向：道路與橋梁工程。