低液限粉土壓實特性及施工技術(shù)摘要：針對靖安高速公路含砂低液限粉土作為路基填料時的問題，分析了其特點，繪制了粉土的擊實曲線和級配曲線，并得出了粉土的擊實特性。利用沖擊振動復(fù)合壓路機模型，通過試驗分析了粉土的沖擊振動壓實特性和壓實機理，得出了粉土的壓實工藝，并就靖安高速公路現(xiàn)場的粉土進行了水泥改良試驗，為粉土路基設(shè)計、施工規(guī)程規(guī)范等的制定提供了科學(xué)依據(jù)，同時為粉土路基施工、養(yǎng)護、設(shè)計等方面提供了技術(shù)指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：機械工程；粉土；壓實機理；沖擊振動0引言近年來，高速公路建設(shè)的不斷發(fā)展，使得高速公路對路基填方量的需求也越來越大。然而在靖安高速公路靖邊段的土壤大部分為粉土［1］，其工程性質(zhì)極差。當(dāng)使用這種粉土作為路基填料時，由于路基主要承受路面?zhèn)鱽淼妮d荷，因此要求路基必須具有足夠的強度、穩(wěn)定性和耐久性，否則路面在行車載荷作用下會產(chǎn)生永久變形，直接影響道路的養(yǎng)護質(zhì)量和服務(wù)水平，而路基填筑時的壓實度是路基強度與穩(wěn)定性的關(guān)鍵。如果換填，不僅會花費巨大的運輸費用，提高工程造價，而且會延誤工期。因而全面、系統(tǒng)的對粉土的物理力學(xué)特性及可壓實特性等方面進行試驗研究及理論分析，揭示其本構(gòu)關(guān)系、動態(tài)形變特性，探索其正確的壓實方法和壓實機理，并對壓實設(shè)備本身工作參數(shù)進行合理地匹配是非常必要的。其研究內(nèi)容能對粉土路基設(shè)計、施工規(guī)程規(guī)范等的制定提供科學(xué)依據(jù)，也可為粉土路基施工、養(yǎng)護、設(shè)計等方面提供技術(shù)指導(dǎo)。從目前和長遠來看，它產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和社會效益都是十分顯著。1試驗用粉土的特性試驗用粉土機械物理性質(zhì)(1)粉土的定義及試驗用粉土的來源粉土是工程中最常見的土類之一，有著獨特的工程特性，它既不同于粘土，又有別于砂土?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007--2002)中對粉土的定義為：粉土是介于砂土和粘土之間，塑性指數(shù)Ip小于等于10,且粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過總量的50%。此次試驗所用的粉土土樣取自陜北靖安高速公路靖邊段LK0+700處，為黃河沖積所形成的，又有自身的特殊性。粉土顆粒中含有大量的粉粒和極細(xì)砂粒，粒徑主要集中在0.074mm以下，粉粒的含量很高，粘粒的含量很小。粉土的物理特性由于粉土顆粒中含有大量的粉粒和極細(xì)砂粒，所以表面積不大，但是它們的毛細(xì)現(xiàn)象卻很顯著，使得土顆粒之間因毛細(xì)壓力而相互連接，表現(xiàn)出很弱的內(nèi)聚力。同時，粉土的內(nèi)摩擦角很小，毛細(xì)作用很大，毛細(xì)水上升很高。因此在寒冷地區(qū)，冬季的時候容易發(fā)生凍漲。到春季的時候又容易翻漿，極易造成公路的早期破壞。不利于道路使用性能的提高和使用壽命的延長。粉土的雙重性質(zhì)由于粉土的組成成分中既有砂粒又含有粘粒，使得粉土具有接近砂土和粘土的雙重特性［2］。當(dāng)粉土中砂粒成分含量較高時，它的特性與砂土的特性相似；當(dāng)粘粒的成分較高時，粉土的特性與粘土的特性相似。因此，可依據(jù)粉土中顆粒的級配情況將其分為砂質(zhì)粉土和粘質(zhì)粉土。粒徑小于0.002mm的顆粒含量不超過全重的10％為砂質(zhì)粉土，反之則為粘質(zhì)粉土，本次試驗所取靖安高速粉土經(jīng)試驗確定為砂質(zhì)粘土。粉土的天然含水量粉土表面的水分極易散失，干燥后凝結(jié)成塊，極易破碎，破碎后的粉土變成粉塵狀，但5cm以下的土體天然含水量一般在5%?7%之間。粉土的天然干密度一般在1.55?1.58g/cm3之間。粉土的低飽和含水性粉土的飽和含水量主要取決于孔隙比的大小，而粉土孔隙比在0.60?0.75之間，相對較小。因此，粉土的飽和含水量一般在20%?30%之間，屬于低飽和含水量。粉土的低強度特性土顆粒之間的連接力與土的含水量有直接的關(guān)系，當(dāng)土中的結(jié)合水逐漸蒸發(fā)而減少小時，粘粒變會干燥凝結(jié)，從而內(nèi)聚力很弱。外在表現(xiàn)就是干燥的粉土易于破碎；然而當(dāng)粉土的含水量過大時，土顆粒間的結(jié)合水的連接力會減弱，從而強度也會降低。粉土的穩(wěn)定性低液限粉土是工程中常見的一種土。其粉粒含量高,粒徑比較均勻,粘土顆粒含量極少,塑性指數(shù)低,毛細(xì)管發(fā)育,水穩(wěn)定性差，常規(guī)的壓實方法和工藝難以壓實。而且粉土往往不存在一定的穩(wěn)定界限，不同的初始孔隙比有不同的穩(wěn)定界限，其穩(wěn)定性非常復(fù)雜。當(dāng)以粉土作為路堤填料時，由于粘粒含量少。與水膠結(jié)作用能力差，土體滲透系數(shù)較高，粘聚力低，因此抗沖刷性低。如遇強降雨，雨滴連續(xù)的沖擊會破壞顆粒之間的連結(jié)，且坡面上水流的沖刷會帶走粉砂土顆粒，在路面、坡面上形成溝槽［3］。因此，為了增強粉土路基的穩(wěn)定性，通常需要對粉土路基摻入水泥、石灰等材料進行改良。試驗用粉土的粒徑組成及級配分析試驗所采用的粉土取樣地點為靖安高速公路LK0+700路段。表1為該段粉土的顆粒分析。圖1為相應(yīng)的級配曲線。表1和圖1，均給出了該段粉土的具體顆粒組成。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTJ051—93)［4］可知，當(dāng)粒組范圍在2?0.5mm為粗沙；0.5?0.25mm為中沙；0.25?0.074mm為細(xì)沙；0.074?0.002mm為粉粒，0.002mm以下為粘粒。從以上圖表可以看出，試驗用粉土主要是由細(xì)沙和粉粒兩種組成。表1試驗用粉土的物理性質(zhì)粒徑分析液塑限粒徑范圍(mm)2—0.50.5?0.250.25?0.0740.074?0.002<0.002名稱液限(%)塑限(%)塑性指數(shù)含量(％)0.61.736.457.14.2數(shù)值26.5179.510.10.010.001土粒粒徑10.10.010.001土粒粒徑(mm)〈％〉咽如<RKn￡4q^黛帳十十圖1試驗用粉土級配曲線從圖1可知：試驗所用的粉土的不均勻系數(shù)為C=23.3，曲率系數(shù)為C=0.69。所卩 S以靖安高速公路現(xiàn)場粉土屬于不良級配土。1.3粉土的壓實標(biāo)準(zhǔn)壓實度是評價路基質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一,其標(biāo)準(zhǔn)對于保證路基的強度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性具有舉足輕重的作用，同時也會對路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生一定的影響［5］。目前我國通常用K來表示被壓材料的密實程度，即壓實度：PK二場Pmax式中，P為現(xiàn)場壓實土的干密度；P為擊實試驗所得的土的最大干密度。因此，為了現(xiàn)場 max得到本粉土的壓實度，必須知道本粉土的擊實試驗所得的土的最大干密度。1.4粉土的擊實試驗所得最大干密度和特性分析當(dāng)用粉土填筑路基時，需要在模擬現(xiàn)場施工條件下，確定該粉土的最佳壓實密度以及相擊實過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)含水量較小時,粉土易從擊實筒擠出,試件松散,當(dāng)含水量超過17%左右時,底部已有水溢出,出現(xiàn)彈簧現(xiàn)象,難以擊實。當(dāng)含水量在最佳含水量的左側(cè)時，曲線比較平緩。而在右側(cè)時則比較陡，表明當(dāng)含水量超過最佳含水量時，粉土對水非常敏感。因此擊實試驗表明：該粉土土樣的最佳含水量為13.1%，最大干密度為1.78g/cm3。2試驗用粉土的室內(nèi)壓實研究此次試驗通過2種工況：(1)沖擊+靜碾工況；(2)振動+沖擊+靜碾工況；來分別研究振動和沖擊作用對粉土壓實度的影響規(guī)律。在粉土含水量基本相同的情況下，本試驗對每一工況碾壓12遍，并測量其上、中、下3層的壓實度。［2］2.1試驗用壓路機振動頻率的確定同時參考有關(guān)資料的粉土共振響應(yīng)頻率的特征和在路基土施工壓實時所用的振動壓路機的頻率范圍，在試驗中除了做頻率響應(yīng)試驗以外，一般采用30Hz固定振動頻率。而又從經(jīng)濟性和實用性考慮，現(xiàn)在市場上用于路基壓實的單鋼輪壓路機工作頻率大多在33Hz以下，我們可以直接對其進行改造，加入沖擊機構(gòu)成為沖擊振動復(fù)合壓路機［7］，所以在這次粉土的沖擊壓實試驗中以30Hz作為沖擊振動復(fù)合壓路機模型工作頻率進行試驗研究。沖擊+靜碾壓實工況試驗表2為在沖擊+靜碾工況下，進行碾壓12遍后所得到的各層的平均壓實度值。表2沖擊+靜碾工況下各層的壓實度分層 各測量點的壓實度(％) 平均壓實度(％)上層測量點位置123492.6測量點壓實度93.9892.6391.3892.41中層測量點位置123491.1測量點壓實度90.3590.7791.7791.82下層測量點位置123488.2測量點壓實度87.3088.2589.4288.09從表2中的壓實度數(shù)據(jù)可以看出：沖擊+靜碾作用下，各層的平均壓實度隨深度的增加而降低在沖擊的作用下，粉土的壓實度逐漸提高，但當(dāng)粉土達到一定的密實度以后，沖擊不能增大粉土的壓實度，這是因為沖擊作用不能破壞粉土顆粒之間的粘聚力，粉土不能克服粘聚力發(fā)生重新排列、移動，從而壓實。分析其原因，沖擊作用減少粉土顆粒之間空隙的體積，降低孔隙氣體體積，提高密實度。但在整個碾壓過程中，隨著沖擊次數(shù)的增加，粉土的孔隙體積在減小，又因為空氣體積在增大，所以孔隙體積減小是由于水體積減小的緣故，從而也引起了飽和度的減小。對于粘性土和其他級配較好的土，隨著沖擊次數(shù)的增加，土中顆粒嵌擠充填，氣體被排除，孔隙率減小，空氣體積減小，從而飽和度增加，土變得更密實和穩(wěn)定。而粉土的孔隙率減小是因為水體積減小的緣故，空氣體積增大，飽和度減小，說明這類型的土沖擊只能排除空氣中的部分水，而不能減小空氣率，提高飽和度，不能改變毛細(xì)管徑［8］。因而經(jīng)過碾壓的土，孔隙發(fā)育，水穩(wěn)定性很差。在行車的振動作用下還可以引起顆粒的錯位和排列，表現(xiàn)出變形的不均勻性和強度的不穩(wěn)定性。沖擊+振動+靜碾壓實工況試驗表3為在沖擊+振動+靜碾工況下，振動頻率為30Hz時，進行碾壓12遍后所得到的各層的平均壓實度值。表3沖擊+振動+靜碾工況下各層的壓實度分層各測量點的壓實度(％)上層測量點位置1234測量點壓實度95.0694.77測量點壓實度95.0694.7795.0495.29測量點位置1234測量點壓實度94.1994.5493.5794.50測量點位置1234測量點壓實度92.7992.9692.3092.43下層92.6從表3中的壓實度數(shù)據(jù)可以看出：沖擊+振動+靜碾作用下，粉土各層的平均壓實度依舊隨深度的增加而降低，但數(shù)值明顯提高。兩種壓實工況試驗結(jié)果比較面層的平均壓實度由92.6％提高到95.1％，提高了2.7％。中層的平均壓實度由91.1％提升到94.2％，提高了3.4％。下層的平均壓實度由88.1％，提升至92.6％,提高了5.1％。從上面的比較可以看出，隨著深度的增加，沖擊+振動+靜碾工況下的壓實度提升的幅度較沖擊+靜碾工況增大，說明在沖擊+振動的情況下，粉土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力減弱，更易產(chǎn)生顆粒間的移動，因而能更好地吸收能量，使得整體的壓實度都有很大的提高。沖擊振動壓實機理分析沖擊作用可以對被壓材料施加比靜壓力、振動力大得多的瞬間作用力，從表面?zhèn)髦镣翆觾?nèi)部的壓力波也比振動波更深、更強。振動則為壓實創(chuàng)造了較好工作條件，振動作用使土顆粒從靜止的初始狀態(tài)進入運動狀態(tài)，土顆粒之間的摩擦力也由初始的靜摩擦力轉(zhuǎn)變成動摩擦力，顆粒之間的摩擦力變小，聯(lián)結(jié)力減弱。從而使被壓材料更好地吸收沖擊作用所施加的巨大能量，二者的復(fù)合作用極大地強化了壓實過程［9］。(1)沖擊振動對剪切應(yīng)力T的影響剪切壓力主要由壓路機本身決定，與被壓材料無關(guān)。壓路機在壓實過程中，作用于風(fēng)積沙上的總壓力P為靜壓力P、激振力P與沖擊力P之和，即：P=P+P+P，因為激jfcjfc振力為一簡諧力，沖擊力為一脈沖力，所以總壓力存在最大值和最小值：maxminj fmaxmaxminPfmax總的壓應(yīng)力增加，則施加于粉土上的剪切應(yīng)力增加，可以通過增加壓路機重量、激振力和沖擊質(zhì)量來提高剪切應(yīng)力。沖擊力為動作用力，增加很小的質(zhì)量就可以得到較大的沖擊力，得到較好的壓實效果。(2)沖擊振動對粉土的壓實機理在沖擊振動情況下，粉土顆粒在這種復(fù)合作用下，由靜止的初始狀態(tài)過渡到運動狀態(tài)，另外粉塵顆粒之間的摩擦力也由初始的靜摩擦力轉(zhuǎn)變成動摩擦力，顆粒之間的摩擦力變小。同時，由于材料顆粒的外層包圍了一層水膜，形成了粉土顆粒運動的潤滑劑，為粉土顆粒的運動提供了有利的條件。當(dāng)壓路機振動頻率達到粉土顆粒的共振頻率附近時，粉土顆粒之間的粘聚力就會被破壞，粉土的抗剪強度也隨之降低，粉土顆粒能最大限度的吸收能量，從而更好的吸收沖擊的能量，單純的振動作用對于壓路機的剪切應(yīng)力的提高不大，沖擊的能量比振動的能量大很多，能很大的提高壓路機的剪切應(yīng)力，并能將能量傳遞到更深的深度，從而使粉塵顆粒繼續(xù)移動和重新排列，達到密實［10］。在沖擊振動作用下，粉塵顆粒的位置出現(xiàn)變化，出現(xiàn)了相互填充的現(xiàn)象，即較大的顆粒形成的空隙由較小的顆粒來填充，粉塵顆粒的也在振動沖擊過程中減少，粉塵顆粒之間空隙的減小，意味著壓實度的提高；而粉塵顆粒之間空隙的減小是的顆粒之間的接觸面積增大，從而使材料的內(nèi)摩擦力增大，承載能力提高。3粉土的現(xiàn)場壓實研究3.1粉土壓實的現(xiàn)場施工工藝3.1粉土的施工工藝可分為3個部分，如圖3粉土壓實施工流程圖所示在碾壓路段上振動平板夯壓實6遍，隨機選取2點測壓實度。采用沖擊振動壓路機進行壓實，振動+靜碾1遍，沖擊+振動靜碾5遍。在同樣深度下所得試驗結(jié)果見表4所示。表4粉土現(xiàn)場壓實對比表沖擊振動壓實測量點位置123

壓實度(％)96.195.596.194.493.3平均壓實度(％)95993.9從表4可以看出，沖擊振動符合壓路機的壓實效果明顯高于振動平板夯的壓實效果，可以滿足現(xiàn)行施工規(guī)范的要求，并符合公路路基施工標(biāo)準(zhǔn)。3.3粉土現(xiàn)場的改良試驗(1)粉土的改良的原因由于低液限粉土粘粒含量少，塑性指數(shù)低，穩(wěn)定性差。但粉土往往不存在一定的穩(wěn)定界限，不同的初始孔隙比將會有不同的穩(wěn)定界限，其穩(wěn)定性非常復(fù)雜，當(dāng)以粉土作為路填材料時，由于低塑性粉土中蒙脫石、伊利石等粘粒含量少，與水膠結(jié)作用能力差，顆粒間聯(lián)合強度低，土體滲透系數(shù)較高，粘聚力低，抗沖刷性低。當(dāng)降雨強度達到一定值時，首先雨滴連續(xù)沖擊破壞粉土顆粒之間脆弱的聯(lián)結(jié)，當(dāng)降雨在坡面上形成水流時，又因水流沖擊并帶走粉砂土顆粒，在路面、坡面上形成溝槽。因此，為了增強粉土路基的穩(wěn)定性，需要對粉土路基進行改良。同時粉土也表現(xiàn)出低強度的特性，當(dāng)土中結(jié)合水由于蒸發(fā)漸漸減少時，粘粒產(chǎn)生干燥凝結(jié)現(xiàn)象，但是粉土的粘粒很少，這種由于失水而產(chǎn)生的內(nèi)聚力很弱，表現(xiàn)出來就是干燥的粉土很容易破碎，破碎后呈粉塵狀［11；］當(dāng)粉土中的含水量過大的時候，顆粒間的結(jié)合水連接力減弱，連接力減弱，其強度也大大降低，在封層時若采用粉土素土強度過低，需要對其進行改良。對粉土進行改良，采用添加劑是一種可行的辦法，一般采用的添加劑有石灰、水泥、粉煤灰等，也有采用幾種添料按照不同配合比同時添加。(2)常用的改良材料①石灰:采用石灰進行粉土的改良，其主要優(yōu)缺點見表5所示。表5使用石灰改良粉土的優(yōu)缺點缺點優(yōu)點缺點改良后的土壤具有較高的抗壓強度和一定的抗拉強度,具有板體作用和較好的水穩(wěn)定性；可以用來改良不適宜用其他結(jié)合料穩(wěn)定的塑性指數(shù)高的粘性土；改良后的土壤具有較高的抗壓強度和一定的抗拉強度,具有板體作用和較好的水穩(wěn)定性；可以用來改良不適宜用其他結(jié)合料穩(wěn)定的塑性指數(shù)高的粘性土；便于施工，既可以使用就地拌和法施工，也可以采用集中拌和法施工，還可以用人工拌和；在缺少優(yōu)質(zhì)粒料的地區(qū)，采用石灰比較經(jīng)濟就一般的土而言，強度有的一定的限度，強度的可調(diào)節(jié)范圍不大，特別是抗拉強度較低；塑性指數(shù)小的土，采用石灰改良也達不到較高的強度；收縮系數(shù)大，裂紋比較嚴(yán)重；石灰土的早期強度低。②水泥：采用水泥進行粉土的改良，其主要優(yōu)缺點見表6所示。表6使用水泥改良粉土的優(yōu)缺點缺點優(yōu)點缺點強度高，穩(wěn)定性好，且強度受水分變化的影響不大，強(1)容易產(chǎn)生收縮裂紋;

度越高，穩(wěn)定性越好；強度可以調(diào)整，以適應(yīng)不同交通量的需要；除高塑性粘土和有機質(zhì)含量大的土外的絕大多數(shù)土類都可以用水泥改良，適應(yīng)各種不同氣候條件和水文地質(zhì)條件；在缺乏優(yōu)質(zhì)粒料的地區(qū)，比較經(jīng)濟；便于機械化施工，質(zhì)量容易保證。粉土的現(xiàn)場改良由于水泥的水化和結(jié)硬作用進行的比較快，因此對施工要求比較嚴(yán)格；不適宜在雨季施工，或在雨季施工比較困難;施工和養(yǎng)護用水較多，因此在干旱地段或缺水路段，使用困難較大。靖安高速公路施工現(xiàn)場試驗采用的是水泥改良。所采用的水泥型號為青銅峽由于水泥的水化和結(jié)硬作用進行的比較快，因此對施工要求比較嚴(yán)格；不適宜在雨季施工，或在雨季施工比較困難;施工和養(yǎng)護用水較多，因此在干旱地段或缺水路段，使用困難較大。為了比較粉土在各種水泥含量下抗壓強度的變化，添加的水泥含量分為1%，2%，3%，4%四種情況，每種情況下制備6個試樣，試樣的規(guī)格為50mmx50mm的圓柱形，所有試樣均在最佳含水量下按照最大干容重的95%靜力成型。經(jīng)檢測四種情況下的無側(cè)限抗壓強度值，如圖5所示。圖5無側(cè)限抗壓強度值與水泥含量的關(guān)系由圖5表明：隨著水泥量的增加，土樣的抗壓強度有了大幅度的提高，改善了粉土的低強度的特性，很大幅度的提高了它的抗壓強度。當(dāng)水泥用量高過4%時，經(jīng)濟性下降，且由于水泥的凝固將很容易產(chǎn)生收縮裂縫，這一點是很不利的，所以4%的水泥用量最為合適，效果最好。4結(jié)語靖安高速公路LK0+770段粉土的顆粒粒徑主要集中于0.074mm?0.002mm內(nèi)，顆粒的不均勻系數(shù)C=23.3，曲率系數(shù)為C=0.69，說明靖安高速公路現(xiàn)場粉土為不良級配卩 s土。該粉土具有低強度、低穩(wěn)定性等特性，冬季的時候容易凍漲，到春季的時候易翻漿極易造成公路的早期破壞，是一種工程性質(zhì)極差的土，常規(guī)的壓實設(shè)備很難對其進行處理該段粉土土樣的最佳含水量為13.1％，最大干密度為1.78g/cm3。單純提高壓實功不能經(jīng)濟有效地提高土的密實度和改善水穩(wěn)定性。沖擊振動的復(fù)合作用對于粉土的壓實效果很明顯，比單純一種的壓實效果要好。沖擊作用的能量能達到更深的深度，而振動作用使粉土顆粒之間的內(nèi)摩擦力降低，從而更好的吸收能量。用水泥對現(xiàn)場的粉土進行改良，可以明顯地提高土樣的抗壓強度。當(dāng)水泥的含量為4%時為最佳。當(dāng)超過4%時，不但經(jīng)濟性下降，而且由于水泥的凝固將容易產(chǎn)生收縮裂縫。參考文獻：References：[1]洪毓康.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)(第二版)[M].北京:人民交通出版社，2003.235-244.[2]曹衛(wèi)東，商慶森，宋修廣.低液限粉土路基壓實機理及性能的研究J]?華東公路，2003(3)：55—57CAOWei-dong，SHANGQing-seng，SONGXiu-guang.Lowliquidlimitpowdersoilsubgradecompactionmechanismandperformancesofresearch[J].EastChinaHighway,2003(3)：55—57[3]Rollins,KyleM.OptimumMoistureContentforDynamicCompactionofCollapsibleSoils[J].JournalofGeotechnicalEnvironmentEngineering,1998.124(8)[4]JTGE40—007公路土工試驗規(guī)程[S].[5]孫祖望.壓實技術(shù)與壓實機械的發(fā)展與展望[J].筑路機械與施工機械化，2004(4)SUNZu-wang.Developingandprospectiveofcompactiontechnologyandmachinery[J].RoadMachinery&ConstructionMechanization，2004(4)[6]鄧學(xué)均?路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2002.46-48.[7]楊人鳳.沖擊振動復(fù)合壓實技術(shù)與設(shè)備[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2003.[8]申愛琴，鄭