公路路基粉土工程特性试验研究

武  科¹，马国梁²，马明月³，李树忱¹，李术才¹

 (1. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南，250061；

2. 山东大学 土建与水利学院，山东 济南，250061；

3. 山东现代职业学院 建筑工程系，山东 济南，250100)

摘  要：为研究公路路基粉土的工程力学特性，评价粉土路基的稳定性，通过室内击实试验、渗透试验、三轴试验和微观结构分析，分析粉土作为公路路基填料的工程力学性质，对比分析不同击实功作用下粉土的干密度特性，探讨压实度和孔隙比之间的变化规律以及不同级配粉土的压实性能，研究不同压实度粉土的渗透特性及其力学效应，阐述不同击实度的粉土微观结构排列形式。研究结果表明：在公路路基填土压实过程中，对于粉土，可采用现行重型击实标准，但压实标准偏低；路基填土的渗透系数随着压实度的增大而呈非线性减小；随着压实度增加，粉土填充孔隙的效果较差。

关键词：粉土；击实试验；渗透试验；三轴试验

中图分类号：TU441         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2009)06-1724-08

Experimental study on engineering property of silt soil filled in foundation of highway

WU Ke¹, MA Guo-liang², MA Ming-yue³, LI Shu-chen¹, LI Shu-cai¹

 (1. Research Center of Geotechnical and Structural Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;

2. School of Civil Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;

3. Institute of Architectural Engineering, Shangdong Modern Vocational College, Jinan 250100, China)

Abstract: In order to evaluate and treat the engineering mechanics properties of silt soil filled in foundation of highway, a series of laboratory experiments, such as compaction tests, seepage tests, triaxial tests and microstructure analysis, were studied. The dry density curves of silt soil under different compact efforts were drawn to investigate the compaction property of silt soil filled in foundation of highway. Moreover, the relationship between degree of compaction and porosity ratio under different sized grounds were discussed. Seepage property and mechanical effect of compactness silt soil were studied. Furthermore, the arrange format of soil’s microstructure under different compactness was studied. The results show that the current standard of heavy compaction is applicable to the compaction of silt soil filled in foundation of highway, but it is lower. The permeability coefficient of silt soil filled in foundation of highway appears to be non-linearity reduction with the increase of compaction. The effect of silt soil filling is worse with the increase of compaction.

Key words: silt soil; compaction test; seepage test; triaxial test

近年来，我国公路建设投资数量大，开发项目多。到2007年底，我国公路通车总里程达357.3万km，居世界第3位；其中高速公路5.36万km，总里程居世界第2位。为了实现交通现代化的目标，国家交通部在2008年新建高速公路5 000 km，完成“五纵七横”国道主干线系统^[1-2]。然而，公路工程广泛运用填土，这些填土都要经过压实，以减少沉降量，降低透水性，提高抗剪强度。通过室内击实试验，确定填土可能达到的最佳干密度范围与相应的含水量，为填方设计合理选用填筑含水联合填筑密度提供依据^[3]。因此，为了提高路基的强度和稳定性，必须对路基填土进行充分压实^[4]。目前，对于一般细粒土压实质量的检测与评价，有相关规范和标准，对其压实标准也有明确要求^[5]。然而，针对含粗粒料的粉土，使用细粒土压实质量检测与评价方法，必然存在标准干密度的确定、检测评价指标的适用性、评价标准的合理性等问题；同时，其压实标准、压实质量的检测与评价也只包含一部分方法，无法满足实际的应用要求，需要进一步完善、补充和改进^[6-11]。为此，本文作者针对公路路基填土即粉土，基于室内击实试验、渗流试验、三轴试验和微观结构分析，探讨粉土的压实性能，得到压实度和孔隙比之间的变化规律，探讨不同压实度粉土的渗透特性及其力学效应，阐述不同击实度的粉土微观结构排列形式^[11-14]。

1  土样采集和试验说明

1.1  土样采集

本试验采用具有代表性的黄河冲积平原的粉土进行室内击实试验、渗透试验、三轴试验和微观结构分析，其颗粒组成及性质如表1所示。

表1  粉土颗粒组成及其性质

Table 1  Composition and feature of silt soil samples

1.2    试验说明

依据中华人民共和国行业标准《公路土工试验规程》(JTJ 051—93)^[15]，采用重型击实进行击实试验，击实筒内径为15.2 cm，高为12.0 cm，筒容积为2 177.0 cm³；击实锤锤底直径为5.0 cm，质量为4.5 kg，高为45.0 cm。土样分3层击实。其中，击实试样采用干土法制备(粉土不重复使用)。采用变水头进行渗透特性试验测定粉土压实度分别为93%，94%，96%和100%时土的渗透系数，分析压实后粉土的水稳定性；采用不固结不排水三轴试验分析粉土的力学效应，在施加周围压力和增加轴向压力直至破坏过程中不允许试样排水。

对于粉土试样，采用筛分和密度计联合分析方法，将粉土、砂、砾、砂砾按照预定比例配料，即对粒径大于0.074 mm的颗粒用筛分法分析，对粒径小于0.074 mm的颗粒用比重计法分析。表2所示为试验所用粉土级配状况。

表2  不同配比材料的粉土颗粒分布

Table 2  Distribution of different silt soil grain proportions  质量分数/%

2  压实特性试验分析

2.1    含水量和干密度

依据室内击实试验规程，将粉土进行室内击实试验。图1所示为不同击实功下粉土的含水量与干密度的关系，可见：随着击实功的增加，粉土的含水量与干密度关系曲线远离饱和曲线；且随着击实功的增加，粉土的最大干密度偏离饱和线越远；随着击实功的增加，粉土的最大干密度增大，而最佳含水量减小。

1—粉土(70击)；2—粉土(98击)；3—粉土(130击)；4—粉土(160击)；5—粉土(190击)

图1  粉土含水量与干密度的关系

Fig.1  Relationships between moisture content and dry density of silt soil

2.2    压实度和孔隙比

孔隙比e为土中孔隙的体积与土粒的体积之比，对于砂性土，其反映的是砂性土的密实状态。图2所示为不同击实功作用下粉土的压实度与孔隙比e之间的关系。由图2可见：粉土的孔隙比随着压实度的增大而呈线性降低；当击实功从98击提高到130击时，对于相同的压实度，孔隙比降幅较小。虽然通过提高粉土的压实度可有效降低孔隙比，但是，其作用效果不显著。因此，现行的重型击实标准对于粉土是可行的，但压实标准偏低。

1—粉土(98击)；2—粉土(130击)

图2  粉土压实度与孔隙比的关系

Fig.2  Relationships between compactness and porosity ratio of silt soil

2.3    不同级配粉土压实特性试验分析

将粉土分别与砂、砂砾、砾按照不同级配进行击实试验，探讨不同级配粉土的击实特性。图3所示为粉土与砂、粉土与砂砾、粉土与砾3种材料的击实功与干密度的关系，可见：

(a) 粉土(配砂)；(b) 粉土(配砂砾)；(c) 粉土(配砾)

级配(m(粉土)? m(砾)): 1—100?0；2—85?15；3—70?30；4—55?45

图3  粉土击实功与干密度的关系

Fig.3  Relationships between compaction effort and dry density of silt soil

a. 对于级配(粉土与砾)为100?0的粉土，其干密度随着击实功的增加而增大；当击实功达到3.555 1 MJ/m³(即130击)时，其干密度曲线趋于稳定。

b. 对于级配不为100?0的粉土，即含有粗颗粒的粉土，其干密度除了随着击实功的增加而增大外，也随着级配比值(即粗颗粒含量)的增加而增大；当击实功达到3.555 1 MJ/m³(即130击)时，其干密度曲线趋于稳定。

c. 随着击实功的增大，不同级配粉的最佳含水量减小。

表3所示为不同级配粉土的击实功与干密度之间的关系，可见：粉土在配砂、配砂砾和配砾的情况下，其级配、干密度与击实功的变化规律基本相似；在相同的击实功作用下，干密度随着粗颗粒含量的增加而增大；在粗颗粒含量相同的情况下，当击实功从1.914 3 MJ/m³增加到3.555 1 MJ/m³时，干密度逐渐增大；对于粉土，其最佳击实功为3.555 1 MJ/m³，而最佳击实功对应的最大干密度，其粗颗粒的掺入量分别为：砂15%，砂砾30%，砾30%。

3  渗透特性试验分析

采用室内变水头渗透试验，针对压实度分别为93%，94%，96%和100%时的粉土渗透特性，探讨压实后粉土的水稳定性。图4所示为粉土的压实度与渗透系数之间的关系。可见：

图4  粉土击实度与渗透系数的关系

Fig.4  Relationship between compactness and permeability coefficient of silt soil

a. 粉土的渗透系数随着压实度的增加而减小。当粉土压实度由93%增加到94%时，渗透系数平均降低25.7%；压实度由94%增加到96%时，渗透系数平均降低31.7%；压实度由96%增加到100%时，渗透系数平均降低17.4%。由此可知，粉土的渗透系数随着压实度的增加而减小，压实度越高，渗透系数减小的速率越小。

b. 一般认为，渗透系数达到10^-6 cm/s时则基本不透水，因此，当粉土压实度在96%以上时，即可认为基本不透水。

4  力学效应分析

基于击实试验所得粉土的最佳含水量，采用不固结不排水三轴试验，探讨不同击实度粉土的强度特性。图5~6所示分别为不同击实度粉土在不同围压作用下的主应力差和应变的关系曲线。

表3  不同级配粉土击实功与干密度的关系

Table 3  Relationship between compaction effort and dry density of different sized ground silt soil 最大干密度/(g?cm^-3)

(a) 围压100 kPa，主应力差—应变关系曲线；(b) 围压100 kPa，主应力差—应变关系曲线(直线段)；
(c) 围压200 kPa，主应力差—应变关系曲线；(d) 围压200 kPa，主应力差—应变关系曲线(直线段)；
(e) 围压300 kPa，主应力差—应变关系曲线；(f) 围压300 kPa，主应力差—应变关系曲线(直线段)

图5  压实度为93%的粉土的主应力差与应变关系曲线

Fig.5  Relationships between principal stress difference and strain when compactness of silt soil is 93%

(a) 围压100 kPa，主应力差—应变关系曲线；(b) 围压100 kPa，主应力差—应变关系曲线(直线段)；
(c) 围压200 kPa，主应力差—应变关系曲线；(d) 围压200 kPa，主应力差—应变关系曲线(直线段)；
(e) 围压300 kPa，主应力差—应变关系曲线；(f) 围压300 kPa，主应力差—应变关系曲线(直线段)

图6  压实度为98%的粉土的主应力差与应变关系曲线

Fig.6  Relationships between principal stress difference and strain when compactness of silt soil is 98%

由图5~6可知：

a. 在相同围压下，粉土压实度越高，弹性模量以及弹性阶段所达到的最大大主应力、最大有效主应力比和破坏时的大主应力越大。接近破坏时的应变随着压实度的增加而减小，且弹性阶段的最大应变变化不显著。

b. 在相同压实度下，随着围压(小主应力)的增加，弹性模量、破坏时的最大主应力以及弹性阶段所达到的最大主应力和最大应变、接近破坏时的应变均相应增大，而最大有效主应力减小。这是由于：在相同围压下，压实度越高，颗粒排列越紧密，颗粒之间的相互嵌挤作用越强烈，抗剪能力较强，因此，弹性模量等参数都相应增大。而压实度增加以后，土体容易发生脆性破坏，这与生铁抗压脆断以及水泥混凝土路面超载破裂的性质相似，这些性质就是材料的脆硬性。在相同压实度下，围压变大，据材料力学，围压必然进一步阻止试件的轴向压缩变形，使得弹性模量等增大，同时，因为泊松比小于1，所以，最大有效主应力比下降。

不同压实度粉土的黏聚力与内摩擦角如表4所示。由表4可知：随着粉土压实度的增加，黏聚力减小，内摩擦角增大。这是由于：影响粉土内摩擦角的主要因素是初始孔隙比(或初始干密度)。初始孔隙比越小(即土越紧密)，则内摩擦角越大，反之，初始孔隙比越大(即土越疏松)，则内摩擦角越小。在内摩擦角增大的同时，黏聚力减小。

表4  粉土的强度特性

Table 4  Strength property of silt soil

5  微观结构分析

对土的微观结构进行研究是探索土的工程性质形成与变化机理的有效途径。选取粉土的最佳含水量，采用静压法制取不同压实度的土样，利用XSP-8CA型生物显微镜，通过专用接口与数码照相机连接，在放大倍数为400倍时，分别观测水平、竖直方向土样的微观结构。图7所示为不同压实度的粉土在水平、竖直方向的微观结构。由图7可见：

(a) 压实度为93%，水平方向；(b) 压实度为94%，水平方向；(c) 压实度为96%，水平方向；
(d) 压实度为100%，水平方向；(e) 压实度为93%，竖向；(f) 压实度为94%，竖向；
(g) 压实度为96%，竖向；(h) 压实度为100%，竖向

图7  粉土微观结构

Fig.7  Microstructures of silt soil

a. 对于粉土，随着压实度的增加，其颗粒排列逐渐密实。当压实度为93%时，其颗粒排列比较松散，存在较多较大的孔隙；当压实度为94%时，其颗粒排列大孔隙稍减少；当压实度为96%时，颗粒更加密实，孔隙进一步缩小，但仍存在较大孔隙；当压实度为100%时，土样颗粒排列密实，但仍存在少量大孔隙。这是由于粉土颗粒粒径比黏土的大，并且粒径较均匀，在静压条件下，粉土土样中的颗粒在静压下减小彼此之间的孔隙，部分较大颗粒被压碎，但因为仍存在较大颗粒，且在静压作用下，细小颗粒难以充分移动来填充大颗粒周围的孔隙，所以，仍残留了一些大孔隙，导致土样在静压作用下不易压实，仍较易发生毛细水上升现象。

b. 在相同压实度作用下，粉土比较松散，这是由于粉土粒径大且均匀，在压实过程中，随着压实度的增加，粉土填充孔隙的效果较差。

c. 通过水平向和竖向土样微观结构的对比可知，竖向压实效果较好，土样颗粒排列较密实；水平向压实效果较差，颗粒排列较疏松，孔隙较大。这是由于在有侧限压缩的情况下，竖向压实受力大于水平向压实受力，因此，竖向压实效果比水平向压实效果好。

6  结  论

a. 级配是影响路基填土压实特性的主要因素；在粉土中掺入粗颗粒，并不能改变其压实特性。

b. 在公路路基填土压实过程中，对于粉土，可采用现行重型击实标准，但压实标准偏低。

c. 路基填土的渗透系数随着压实度的增大而呈非线性减小，即压实度越大，渗透系数越小，并且随着压实度的增加，这种变化趋势有所减缓。

d. 随着压实度的增加，粉土的黏聚力降低，内摩擦角增大。

e. 粉土比较松散，这是由于粉土粒径大且均匀。在压实过程中，随着压实度的增加，粉土填充孔隙的效果较差。

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收稿日期：2008-11-15；修回日期：2009-03-10

基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(50539080)；国家自然科学基金资助项目(50574053)；山东省自然科学基金资助项目(2006ZRB02221)

通信作者：武  科(1978-)，男，河北枣强人，博士，从事道路工程、结构工程等研究；电话: 0531-88399319；E-mail: wk4223@163.com