花崗巖殘積土最大干密度影響因素的研究

彭利英，張馨尤，李盛南，劉延狀

（湖南工程學院 建筑工程學院，湘潭 411104）

關鍵字：路基填筑；花崗巖殘積土；最大干密度；改良

0 引言

花崗巖殘積土在我國西南、華南、華中和東南沿海地區分布廣泛.當前，隨著我國交通強國戰略的實施，改良花崗巖殘積土大量用于高等級公路.如何科學地確定改良花崗巖殘積土的最大干密度、準確計算改良花崗巖殘積土路基的壓實度是公路建設急需解決的關鍵問題，對改良花崗巖殘積土路基填筑質量評價和技術推廣具有重要意義.

當前，已有一些學者對改良花崗巖殘積土的擊實特性進行了研究.楊金龍等［1］用生石灰、粉煤灰和水泥改良鹽漬土，分析不同配比下對鹽漬土擊實特性的影響并得出最佳的改良配比；敖登［2］發現塑料廢料與黏土配比形成的復合土的最大干密度與塑料碎屑含量成反比；曹海利等［3］用石灰改良高液限土，研究了不同摻量下改良土的路用性能；王杰等［4］將煤矸石與黃土以不同比例配制成土石混合料，研究其作為高速公路路床土的基本性能；楊德忠等［5］探究橡膠與紅黏土的混合土作為路基填料的性能，并指出混合土的最大干密度與橡膠粉的摻量成一元二次函數關系；劉喜［6］研究了建筑垃圾作為路基填料的性能，分析了建筑垃圾中不同磚混凝土比例對路基填料性能的影響；蔡鑫等［7］研究了鋼渣摻量、鋼渣陳化齡期及鋼渣最大粒徑對摻鋼渣穩定土最大干密度的影響規律；陳中秋等［8］采用振動壓實和重型擊實對砂礫改良弱鹽漬土進行了路用性能試驗；周永軍［9］研究了材料密度、含水率、混合料級配對水泥穩定級配碎石最大干密度的影響；魏建國等［10］研究了不同石灰摻量的含砂低液限黏土的擊實特性；Ye 等［11］將黏土與海泥混合，分析了混合料的最大干密度，確定了最佳質量比為黏土與海泥1∶4 的比例；Bassey 等［12］研究了耕作與未耕作土壤的最大干密度，發現土壤有機質含量和粒徑分布對最大干密度影響較大；Badee［13］研究了砂與高嶺土混合料壓實后最大干密度、細粒含量和比重之間的相關性.以上研究成果均沒有對比改良前后最大干密度對壓實度的影響，也沒有考慮延遲擊實時間對最大干密度的影響.已有研究發現改良土摻入水泥、石灰等膠凝劑后，實驗室測得最大干密度會發生變化，若繼續采用原土的實驗室最大干密度進行壓實度計算，勢必造成較大誤差.而目前鮮有人對改良花崗巖殘積土的最大干密度進行系統研究.

為此，根據改良土路基填筑工藝，開展對水泥和石灰的摻量、初始含水量、延遲擊實時間、擊實次數對改良花崗巖殘積土最大干密度的影響規律研究，其成果將為路基壓實度計算和質量控制提供參考.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

（1）花崗巖殘積土

試驗所用土樣為花崗巖殘積土，取自株洲機場大道（k4+340）-（k4+0920）挖方段，取土深度為3 m，顏色呈棕黃色，其間夾有白色脈狀粉土，土樣的物理性質指標見表1.

表1 花崗巖殘積土基本物理性質指標

（2）水泥

試驗所用水泥為中材株洲水泥有限責任公司生產的復合硅酸鹽水泥，其試驗檢測參數見表2.

表2 水泥試驗檢測參數表

（3）石灰

試驗所用石灰為株洲騰勝石灰有限公司生產的生石灰，生石灰要現用現買，盡量縮短石灰的存放時間，如果發現生石灰結團，須經檢驗達標后才能使用，其檢測主要成分見表3.

表3 石灰有效成分含量

本試驗所用的生石灰為優等生石灰.

1.2 試驗方法

本文以花崗巖殘積土為研究對象，采用單一變量的試驗方法，研究水泥和石灰的摻量、初始含水量、延遲擊實時間、擊實次數對花崗巖殘積土最大干密度的影響規律.

干燥土樣的制備：將花崗巖殘積土土樣進行烘干、碾細、過篩步驟后，所得土顆粒不大于4 mm，隨后放入盛土盆中拌和均勻.在試驗前期，由于所備干燥土樣的制備方法完全一致，因此，在接下來的試驗中將從土樣摻水開始描述各影響因素的試驗方法.

（1）水泥、石灰摻量

將干燥土樣的初始含水量控制在15.36%（素土的最佳含水量，擊實試驗所測得），在充分攪拌后進行悶料，時長為24 h.擊實試驗前將不同含量的水泥、石灰摻入土樣中拌和均勻，水泥、石灰的摻量見表4.

表4 不同水泥、石灰摻量的土樣

（2）初始含水量

根據現場測得結果可知：機場大道路基填料的天然含水量變化范圍為22%～26%.本文選取22%、24%、26%作為制備土樣的初始含水量，參考上述不同水泥、石灰摻量試驗的試驗結果，在此試驗中，將改性材料的摻量定為水泥6%、石灰6%、水泥3%+石灰3%.

根據試驗可得：初始含水量對改良土最大干密度的影響不明顯.為了準確計算改良土的壓實度，在后期試驗中設置素土作為對照組進行試驗，以此研究初始含水量對壓實度的影響，其中，初始含水量與改性材料摻量的組合見表5.

表5 不同初始含水量的土樣

（3）延遲擊實時間

參考不同初始含水量和各類改性材料摻料的試驗結果，將初始含水量控制在24%，改性材料的摻量定為水泥6%、石灰6%、水泥3%+石灰3%，設置延遲時間為0 h、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h 進行擊實試驗，延遲時間與改性材料摻量的組合見表6.

表6 不同延遲擊實時間的土樣

（4）擊實次數

與延遲擊實時間試驗一樣，將初始含水量控制在24%，改性材料的摻量定為水泥6%、石灰6%、水泥3%+石灰3%，控制每層擊實次數為22 次、30次、50 次、80 次、98 次，擊實次數與改性材料摻量的組合如表7 所示.

表7 不同擊實次數的土樣

以上試驗每組制備5 個試樣，擊實試驗具體操作過程參照《公路土工試驗規程》（JTG 3430-2020）.

2 試驗結果及分析

2.1 不同水泥、石灰摻量的擊實試驗

最大干密度隨改性材料摻量變化曲線如圖1所示.

圖1 最大干密度隨改性摻量變化關系

從圖1 可知：僅摻入水泥時，改良土的最大干密度隨水泥摻量的增加先增大后減小，當摻量為4%時最大干密度達到最大值，此時最大干密度為1.745 g/cm3.摻入石灰時，不論是單摻還是與水泥混摻，改良土的最大干密度都隨石灰摻量的增加而減??；僅摻石灰時，當摻量超過5%，最大干密度的減小幅度較大；與水泥混摻時，最大干密度的減小幅度基本不變.圖中三條曲線整體均為下降趨勢，推測原因為：水泥和石灰中基本不含水，可以認為其濕密度和干密度相同，同時小于殘積土的干密度，所以攪拌均勻后，混合料的濕密度會有一定的下降.此外，摻入膠凝材料會使改良土的顆粒級配發生改變，在攪拌的過程中，土的結構會發生變化.改性材料摻量相同時，水泥改良土的最大干密度大于石灰改良土的最大干密度，因為相同質量的水泥和石灰，石灰消耗的水量更多，所以石灰改良土的最大干密度小于水泥改良土.因此，改良后需用改良土的最大干密度計算壓實度，否則會造成計算結果偏小.

2.2 不同初始含水量的擊實試驗

圖2 至圖4 分別表示最大干密度隨初始含水量的變化曲線、最佳含水量隨初始含水量的變化曲線、壓實度隨初始含水量的變化曲線.

圖2 最大干密度隨初始含水量的變化關系

從圖2、圖3 可知，當水泥、石灰摻量一定時，改良土的最大干密度與最佳含水量變化不大，可以認為初始含水量對改良土的最大干密度影響不大.推測是因為當外加劑的摻量一定時，殘積土內被消耗的水量也是一定的，所以最大干密度變化不大.素土的最大干密度大于改良土；對于改良土，在同一初始含水量的情況下，水泥改良土的最大干密度最大，為1.72 g/cm3；水泥摻量3%的石灰改良土次之，為1.718 g/cm3；石灰改良土的最大干密度最小，為1.706 g/cm3，原因是同一初始含水量時，石灰反應水量最多，改良土的含水量更接近最佳含水量，因此石灰改良土的最大干密度最小.

圖3 最佳含水量隨初始含水量的變化關系

從圖4 可知，改良土的壓實度隨含水量的增加而減小，推測是因為含水量增大，與土樣反應后剩余的水變多，土顆粒間的空隙被水填充，但水難以被壓實，所以改良土的壓實度會減??；對于改良土而言，在同一初始含水量的情況下，石灰改良土的壓實度最高，水泥、石灰混摻的改良土次之，水泥改良土最小，因為石灰消耗的水最多，使土樣的壓實度更大；改良土的壓實度均比素土的高，用素土的最大干密度去計算壓實度會使計算結果偏小，建議采用改良后的最大干密度來減小經濟損失.

圖4 壓實度隨初始含水量的變化關系

2.3 不同延遲擊實時間的擊實試驗

最大干密度隨延遲擊實時間的變化曲線如圖5所示.

圖5 最大干密度隨延遲擊實時間的變化關系

從圖5 可知，考慮延遲擊實時間，改良土的最大干密度降低且最大干密度隨延遲擊實時間的增加而減小、延遲時間由0 h 增加到1 h 時，石灰改良土的最大干密度降低幅度較大，超過1 h 后降低幅度較小，與水泥混摻后，當延遲時間由2 h 增加到3 h時最大干密度降低幅度較大，與石灰改良土相比，僅摻水泥時，土樣沒有變化幅度較大的時間.因為石灰消耗的水量比水泥多，同時水化反應比水泥劇烈且快，與水泥混摻會延遲充分反應的時間.在同一延遲擊實時間的情況下，水泥改良土的最大干密度最大，水泥、石灰混摻的改良土次之，石灰改良土的最大干密度最小，這是因為改性材料與土樣中的水反應后土顆粒變大，使土顆粒之間的空隙變大，石灰消耗的水量最多，填充在空隙間的水最少，同時石灰的容重小于水泥，所以石灰改良土的最大干密度最小.考慮到現場施工工藝限制，建議改良土在3h 內完成碾壓.

2.4 不同擊實次數的擊實試驗

最大干密度隨擊實次數的變化曲線如圖6所示.

圖6 最大干密度隨擊實次數的變化關系

從圖6 可知：改良土的最大干密度隨擊實次數的增加而增大，當擊實次數達到50 擊后，最大干密度的增大變緩，因為隨著擊實能量的增加，改良土的干密度變大，顆粒變得密實，需要克服的顆粒間摩擦阻力變大.因此，當改良土的密度達到一定程度后，要消耗大量的擊實功干密度才能增加.在同一擊實能量下，石灰改良土的最大干密度最大，水泥＋石灰的改良土其次，水泥改良土的最大干密度最小，石灰與花崗巖殘積土拌合后，反應的水量較多，使土體的含水量更接近最佳含水量，從而能得到較高的壓實度.當擊實次數達到98 擊后，最大干密度有減小的趨勢，因為當擊實能量過大時，試樣表面起皮，導致試樣難以壓實.考慮到經濟效益，建議擊實次數控制在50 擊以內.

3 結語

以株洲機場大道的花崗巖殘積土為研究對象開展擊實試驗，研究水泥和石灰摻量、初始含水量、延遲擊實時間、擊實次數對改良花崗巖殘積土最大干密度的影響，得到如下結論：

（1）水泥、石灰改良的花崗巖殘積土其最大干密度會發生變化.改良的花崗巖殘積土的最大干密度隨水泥摻量增加，先增大后減小，而石灰摻量增加而增大.因此，采用改良后的實驗室最大干密度進行路基壓實度計算更為合理.

（2）初始含水量并不影響改良花崗巖殘積土的最大干密度，這與實驗室最大干密度測試方法有關.因此，改良土的最大干密度不考慮初始含水量的影響.

（3）改良花崗巖殘積土的最大干密度隨擊實次數的增加而增大，但每層改良土擊實次數達到50 次后，改良土的最大干密度增長變緩.所以，現場改良土路基碾壓的機械和碾壓工藝要合理選擇，避免造成經濟損失.

（4）隨延遲擊實時間增加，改良花崗巖殘積土的最大干密度減小.延遲時間超過3 h 后，改良花崗巖殘積土的最大干密度變化較小.因此，建議改良花崗巖殘積土路基碾壓應在3 h 內施工完成.