泥质红砂岩压实性能的试验研究

　　摘要：路基施工质量以压实度为主要控制指标，通过对红砂岩击实试验的研究分析，对红砂岩的击实曲线进行拟合，得出压实度与干密度之间的重要关系，为进一步研究及为工程设计或现场施工时配置含水率提供可供参考的数据。
　　关键词：红砂岩；最大干密度；最佳含水量；击实试验
　　
　　0引言
　　长沙市广泛分布着泥质红砂岩土质，此种岩土为不良的路基材料。而由于其分布的广泛性，在城市道路建设中用其修筑路基和边坡的情况不可避免，而单纯采用换填地基土等措施进行处理，不仅造成造价增加，而且对开挖运出的泥质红砂岩需要专门场地进行堆弃和处理，容易造成对环境的影响。如若能把此类岩土进行相关的技术处理，使其变废为宝，作为道路建设中的路基填料，既能解决城市中借土困难的现状，节省工程费用，也在一定程度减少了对环境的影响。
　　目前，在国内关于建筑废渣和泥质红砂岩在路基工程中的应用技术的研究较少，特别是泥质红砂岩路基和边坡，目前没有较为成熟和有效的应用和处理技术，公路工程技术标准中也没有做出过以此种材料填筑路基的详细规定。
　　本文依托“长沙市泥质红砂岩路基工程应用技术研究”课题，采用分组重型击实实验的方法，对红砂岩的击实曲线进行拟合，得到填料含水率与干密度之间的关系曲线，从而得到最优含水率及相应的最大干密度，为工程设计或现场施工时配置含水率提供可供参考的数据。本课题的研究及应用将使长沙的城市道路建设达到因地制宜、就地取材、节约资源、保护环境的目的。并对深入贯彻市政府提出的在市政工程中杜绝“开山、填湖”的精神，对促进长沙市资源节约型、环境友好型的两型社会的建设具有重要的作用。
　　1红砂岩的矿物特性、化学成分及矿物分析
　　泥质红砂岩是一种在长沙地区分布非常广泛的土质，大气环境或干湿循环作用下，岩块表面出现裂纹，逐渐形成碎块，颗粒软化、强度降低，是一种不良的路基材料，很难满足雨量充沛的南方地区道路建设的需要。对于在泥质红砂岩为主的土质地段修筑的路堑边坡，同样具有强度低、塑性变形大，易受降雨、气温等外界风化因素的影响等特点。
　　红砂岩的试验样品取自“长沙环保工业园施工工地”，根据工程地质,试验样品特征为：棕红色；碎颗粒小于0.5mm，属细砂状结构；厚层状（采取岩样的这一层厚约4m），层理极发育；碎屑中石英居多，长石次之，层面上常见少量白云母，其它则为深褐色岩屑；基底式胶结，胶结物遇盐酸剧烈起泡，遇水变软松散。其成分见表1。
　　表1红砂岩的主要化学成分及其含量

　　2试验设计及步骤
　　室内土工击实试验分为轻型和重型两大类，土的最大粒径要求、分层与击数、仪器设备的规格与尺寸随着试验方法与标准的不同而不同，并较大地影响着试验的结果。
　　根据试验条件，将混合料按照粒径不同分为三个等级，各等级最大粒径分别为dmax=20、10、5mm，同时为保证室内试验与施工现场环境相同，根据各等级颗粒所占百分含量，每组试验采用类似级配法进行配料，并采用重型击实。
　　2.1仪器设备
　　标准击实仪（见表1），天平（感量0.01g），台秤（感量5g），标准筛（孔径20mm，10mm，5mm），试样推出器,喷雾器,盛土容器,修土刀及碎石设备。
　　表1重型击实仪标准表

　　
　　2.2试样制备
　　目前，击实试验制样的方法有烘干法、风干法、湿法3种，常采用的3种土工试验标准GB/T50123—1999《土工试验方法标准》、JTGE40—2007《公路土工试验规程》及DL/T5355—2006《水电水利工程土工试验规程》中均没有对制样方法进行明确限定。
　　本试验进行5组，采用干土法制备试样,用四分法取代表性土样风干碾碎，根据颗粒的百分含量和相对应含水量，分别加入不同水分（按2％～3％含水率递增），充分拌匀后装入盛水器内盖紧，闷料一夜备用。
　　2.3试验步骤
　　（1）将击实筒放在坚硬的地面上，在筒壁上均匀涂一薄层凡士林，并在筒底放置滤纸，与底座联结好,安装好护筒，将拌和均匀的试样分5层装入击实仪中击实，每层击实27次。击实完成后超出筒顶高度不小于1cm。
　　（2）卸下击实筒，称量筒和试件的质量，并计算试样的密度。
　　（3）用脱模器取出试样，并测定含水率。
　　（4）其他4组按（1）～（3）步骤进行。
　　3击实试验结果与分析
　　3.1击实试验结果
　　表3击实试验结果数据

　　根据试验结果数据，以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，绘制出含水率与干密度的关系曲线图（如图3），该关系曲线呈抛物线型，称为击实试验曲线。曲线峰值即是土的干密度最大点，该点的干密度就是最大干密度，相应含水量为最佳含水量。（如图2，图3）
　　图1标准击实试验曲线图
　　
　　
　　从击实曲线图中可以得知，随着含水量的不断增加，红砂岩干密度经历了逐渐上升和逐渐减小的两个阶段。所用试样经室内击实以后，通过对数据进行三角函数拟合，该填料的最佳含水量为9.5%，其所对应的最大干密度为2.02g/cm3。
　　图2击实前后通过率百分比曲线
　　
　　3.2颗粒分析与研究
　　根据击实前的颗粒分析，试料中含有大量的大于2mm的大颗粒，尤其是含有砾石、石英等强度较高、亲水性较差的颗粒，它们在击实过程中起到骨架支撑的作用，并与细颗粒间形成较大空隙，击实后，颗粒通过率百分比有上抬趋势，表明粗颗粒被击碎，各含水量试件小于5mm的颗粒占整个击实试样的50％以上。.
　　通过图3可以看出：
　　（1）当含水量为6.8%，含水量较少时，由于土粒间的引力，使土保持疏松状态，土中孔隙大都相互连通，水少而气多，在一定的压实功能作用下，虽然土孔隙中气体易被排出，密度可以增大，但是由于水膜润滑作用不明显，以及外部功能也不足以克服粒间引力，土粒相对移动便不明显，因此压实效果比较差；
　　（2）当含水量为8.6%，含水量逐渐加大时，水膜变厚，土块变软，引力也减弱，施以外部压实功能则土粒移动而挤密，压实效果渐佳；
　　（3）当含水量为9.2%，在最佳含水量附近时，虽然土中孔隙更少连通，或不连通，孔隙中的水和气处于封闭状态而不能排出，以及击实时土内产生的孔隙水压力和孔隙气压力虽也降低了击实功的作用，但试验结果证明这时土中的含水量最有利于土粒受击实时发生相对移动，使土变密，能被击实至最大干容重；
　　（4）当含水量再增加到偏湿状态时，孔隙中出现了自由水，击实时不可能使土中气体排出，而孔隙压力却更为明显，抵消了部分击实功，所以击实功效反而下降。
　　图3各含水量击实后试件
　　
　　4结论
　　（1）试验研究和分析得出实验取用的“长沙环保工业园施工工地”的红砂岩的试验样品压实效果最佳时对应的最佳含水量为9.5%，其所对应的最大干密度为2.02bg/cm3,这对进一步进行该地区红砂岩的工程性能以及路用可行性研究提供依据。
　　（2）此实验取用的红砂岩样品可作为长沙市南部区域红砂岩的代表，但对于其他实际工程，需另行进行工程土壤取样及压实实验，有针对性的指导工程实际。该文所采用的实验手段和研究分析方法，对其他地区的红砂岩工程性质的确定具有重要的参考作用。
　　
　　参考文献： 
　　[1]JTG/TE40-2007,公路土工试验规程[S].北京：人民交通出版社,2007
　　[2]黄雄,林荃,陈静,土工击实试验中预估最优含水率的方法[J],水运工程，157-158
　　[3]GB/T50123-1999土工试验方法标准[S].
　　[4]JTGE40-2007公路土工试验规程[S].
　　[5]DL/T5355-2006水电水利工程土工试验规程[S].