人工配制不同含砂率粉土性质研究

白兰兰，马文宁

（1.苏交科集团股份有限公司，南京 215000；2.泰州市城市基础设施建设发展有限公司，江苏泰州 225000）

1 研究背景

粉土的主要颗粒是粉粒或粉砂，黏粒含量少，颗粒黏结性差。这种土液限低，塑性指数小（IP＜10），粉粒含量较高（一般＞50%），黏粒含量低（一般＜15%）。该类土含水率稍大则进入流塑状态，易产生橡皮土现象，压实困难，CBR值极低（一般≤5）。

多年来中外相关学者对粉土基本性质进行了大量研究。刘连喜［1］通过研究武汉地区粉土的工程特性，用统计的方法分析了武汉地区粉土的物理力学性质指标，求得粉土承载力基本值f与室内物性指标e，w之间的相关关系，给出相应的承载力表，以及粉土的物理、力学指标统计值。于永志等［2］通过对胶东滨海含沙粉土的研究，认为粉土根据粒度构成可划分为砂质粉土和粉土质土，其中，前者砂粒组含量较高，后者粉粒组为主要含量。马为民［3］通过进行室内和现场试验，研究了沙漠地区粉土的工程特性。研究结果表明沙漠地区的粉土具有湿陷变形特性。这些研究表明，不同地域的粉土会有不同的塑性和颗粒级配，且其物理力学性质差异较为显著。同时，相关学者还对粉土的压实特性进行了研究，武科等［4］针对我国公路路基填土压实特性，采用室内击实试验，确定了不同击实功下压实度与孔隙比、空气体积分数、饱和度之间的关系。肖军华等［3］通过室内试验，分析了粉土作为路基填料的基本物理力学性质，对比研究了不同密实度、含水率下粉土的强度与变形性状。研究表明［5－8］，粉土的颗粒级配不良，难于压实，压实后空气体积率较大。

以往的研究中，主要集中对特定地区粉土的相关性质进行研究。然而，砂粒作为粉土的重要组成成分，其含量对粉土的性质有很大的影响，因此，比较研究不同含砂率粉土的性质显得尤为重要。

2 研究方案及方法

2.1 研究方案

人工配制不同级配砂质粉土（含砂率为10%，20%，30%，40%，50%），在室内通过标准重型击实试验研究含砂率对粉土击实性能的影响，同时通过击实后试样的微观结构分析研究砂质粉土的压实机理。并在不同含水率条件下研究不同含砂率粉土的压缩特性，分别在最优含水率条件下采用静压法制备CBR试样和无侧限抗压强度试样，比较含砂率对CBR和无侧限抗压强度的影响。

2.2 研究方法

（1）通过颗粒分析试验得到2种粉土的粗颗粒含量（含砂率分别＜10%，＞50%），通过计算配制出含砂率为10%，20%，30%，40%，50%的粉土。

（2）通过标准重型击实试验得到5种粉土的最大干密度和最优含水率。将击实后试样放在电镜扫描仪上进行扫描。

（3）分别在最优含水率不同压实度（93%，94%，96%）条件下采用静压法制备CBR试样（直径为156 mm，高为120 mm）、无侧限抗压强度试样（直径为50 mm，高为50 mm）和96%压实度下的环刀试样（直径为61.8 mm，高为20 mm）。将CBR试样浸水4 d后进行CBR试验，将无侧限抗压强度试样直接放在万能试验机上进行无侧限抗压强度试验，将环刀试样置于固结仪上进行3种含水率（最优含水率、饱和含水率、最优含水率到饱和含水率之间）下的压缩试验。在进行最优含水率和最优含水率到饱和含水率之间的压缩试验时用湿布放在试验盒上部减少试样水分散失。

3 试验成果

3.1 不同含砂率粉土压实特性

对5种含砂率粉土分别通过室内重型击实试验研究了压实性，试验结果见表1和图1。

表1 不同含砂率击实试验结果Table1 Results of compaction test on silt with different sand content

图1 不同含砂率粉土击实曲线Fig.1 Compaction curves of silt with different sand content

从表1和图1可以看到，随着含砂率的增大，粉土的最大干密度先增大后随之逐渐减小。这是因为，随着含砂率的增加粉土中粗颗粒含量增多，从而改变粉土级配使细颗粒能够更多进入粗颗粒形成的孔隙中，使压实度不断增大。增大到一定程度后随着含砂率的继续增加孔隙变多，细颗粒不足以填充增加的孔隙，最大干密度反而减小。于是出现最大干密度随含砂率增加先增大后减小的规律。图1中击实曲线峰值右侧坡度比峰值左侧坡度大，随着含水率的增大最大干密度降低较快，且随着含砂率的增加这种趋势越明显，这说明粉土的含砂率越高，压实时对含水率的敏感性越大。

分别对不同含砂率下不同含水率的击实样进行电镜扫描，对扫描图片进行二值化处理后得到孔隙面积占比如表2所示（试样1—试样5分别表示含水率由低到高的重型击实试样）。

表2 不同含砂率粉土击实试样的孔隙面积占比Table2 Percentage of pore areas of compacted samples with different sand content

分析不同含水率下击实试样的孔隙面积可以发现，随着含水率的增加，孔隙面积都是先减小后增大，这是因为，随着含水率的增加，越接近最优含水率粉土越易压实，孔隙面积变小，随着含水率的继续增加，粉土越来越难于压实，导致孔隙面积逐渐变大。通过试样的截面和截面照片也可以发现，随着含水率增加，照片反光越来越明显。同时，随着含砂率的增大，相近含水率时压实试样的孔隙面积随含砂率的增加先减小后增加，这是因为含砂率的增加改变了粉土的颗粒组成，导致粉土压实性发生变化，这一现象刚好与重型击实试验得到的最大干密度随含砂率增加先增大后减小的结果一致。

3.2 不同含砂率粉土的压缩试验

在96%压实度条件下对5种含砂率粉土进行不同含水率条件下的压缩试验，试验结果如表3所示。

表3 不同含砂率粉土压缩试验结果Table3 Results of compression test on silt with different sand content

从表3中数据可以看出，不同含砂率粉土的压缩系数随含砂率的变化不大，在误差允许的情况下可以认为含砂率对粉土的压缩系数影响不大。

3.3 不同含砂率粉土的CBR试验

分别对5种含砂率粉土在室内进行了压实度为93%，94%，96%的CBR试验，CBR试验制样采用静压法，制样时土料的含水率为最优含水率。试验结果见图2。

图2 在不同压实度下CBR随含砂率变化的曲线Fig.2 Curves of CBR vs.sand ratio under different compaction degrees

从图2可以看出，随着含砂率的增加，CBR值逐渐增大，当含砂率相同时CBR值随着压实度的增加而增大。这是因为，含砂率的不同直接影响粉土的级配，而且，随着含砂率的增加，粗颗粒含量增加，当粗颗粒较少时，粗颗粒之间基本不会相互接触，当粗颗粒增加到一定程度时，粗颗粒开始相互接触，相互接触的粗颗粒在给细颗粒提供孔隙的同时起着骨架的作用，因此，粗颗粒越多这种作用越明显，粉土的强度越高，致使粉土的CBR值增大。

3.4 不同含砂率粉土无侧限抗压强度试验

分别在93%，94%，96%压实度下对5种含砂率粉土进行无侧限抗压强度试验，试样采用静压法制备，不泡水情况下直接进行无侧限抗压强度试验（粉土水稳定性差，泡水会立刻崩解），试验结果见图3。

图3 无侧限抗压强度随含砂率变化的曲线Fig.3 Curves of unconfined compressive strength vs.sand content

从无侧限抗压强度随含砂率变化的曲线可以看出，相同压实度条件下粉土的无侧限抗压强度随着含砂率的增加不断降低，而对相同含砂率的粉土而言，无侧限抗压强度均随压实度增加而变大。究其原因，随着压实度的增加，粉土越来越密实，在无侧限条件下施加压力时产生的抗滑作用越大导致无侧限抗压强度随压实度增加而增大。但是，随着含砂率的增加，粗颗粒含量增多，在无侧限情况下更难于成型，成型后无侧限抗压强度也很低，含砂率越大这种现象越明显。因此出现无侧限抗压强度随含砂率增加而逐渐变低的规律。

4 结 论

（1）相同含砂率的粉土击实试样的孔隙面积随着含水率的增加先减小后增大，相同含水率附近试样的孔隙面积随含砂率增加先减小后变大，这刚好与粉土的最大干密度随着含砂率的增大先变大后减小的结果一致。

（2）随着含砂率的变大，粗颗粒含量增加，粗颗粒在给细颗粒提供孔隙的同时起着骨架的作用，使粉土的CBR值增大，即CBR值随着含砂率的增加而增大。

（3）对相同含砂率的粉土而言，无侧限抗压强度随着粉土压实度增加而增大。但相同压实度粉土的无侧限抗压强度随着含砂率的增加越来越小。

［1］ 刘连喜.武汉地区粉土的工程特性的探讨［J］.土工基础，1996，（1）：17－20.

［2］ 于永志，姜振泉.胶东滨海特殊土的工程特性及液化评价［J］.勘察科学技术，1996，（4）：23－27.

［3］ 马为民.腾格里沙漠粉土地基的工程特性［J］.中国农村水利水电，2004，（11）：74－77.

［4］ 武 科，马明月，马国梁.不同级配路基填土压实性能试验［J］.江苏大学学报（自然科学版），2011，32（1）：107－110.

［5］ 秦鹏飞，谢晓杰，马玉林.不同应力路径下饱和粉土强度与变形特性试验研究［J］.长江科学院院报，2016，33（4）：78－80.

［6］ 张芳枝，黄丽娟.广东粉土质砂的力学特性试验研究［J］.长江科学院院报，2012，29（7）：67－72.

［7］ 武 科，马国梁，马明月，等.公路路基粉土工程特性试验研究［J］.中南大学学报（自然科学版），2009，40（6）：1724－1731.

［8］ 肖军华，刘建坤.循环荷载下粉土路基土的变形性状研究［J］.中国铁道科学，2010，31（1）：1－8.