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风积沙工程实践:粉黏粒含量对击实特性的影响

时间:2023-08-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:典型的风积沙中粉黏粒尤其是黏粒的含量少,颗粒集中,主要为憎水的砂粒,与水的作用微弱,较大的孔隙度及较大且又连通的孔隙使其渗透性强,又利于在击实过程中排水而不造成较大的孔隙水压力,故含水量对其压实的影响较低,最佳含水量的问题也几乎不存在。

风积沙工程实践:粉黏粒含量对击实特性的影响

粉黏粒含量对风积沙击实特性的影响有如下特征:

(1)粉黏粒含量<55%时,随粉黏粒含量的增加,击实土样的干密度在总体上增加(无论是含水量为零,还是最佳含水量,只要含水量相同,击实土样的密度都随粉黏粒含量的增加而增加);粉黏粒含量>65%后,则相反,随粉黏粒含量的增加,击实土样的密度在总体上减小。

(2)粉黏粒含量<20%时,击实曲线在总体上看较平缓(最大最小值相差不大)。土样具有很明显的干压实效应且无最佳含水量。土样击实在干燥的状态及饱水的状态这两个极端取得最大的干密度,饱水状态下的干密度略大于干燥状态下的干密度。最小干密度的分布为一个较宽且较平的区间,1%~9.5%。此外,含水量很大时击实曲线距空气体积为零的等值线的距离也很远。

(3)粉黏粒含量25%~35%时,击实曲线总体上已不太平缓,土样仍具有较明显的干压实效应,但最佳含水量的问题已经出现。最佳含水量时的干密度略小于干燥状态下的干密度。在最佳含水量附近干密度变化比较平缓。最小干密度的分布区间从2%~7%到2%~4%,逐步变小。相应地,含水量很大时击实曲线距空气体积为零的等值线间的距离也变近了(虽仍较远)。

(4)粉黏粒含量45%~55%时,击实曲线总体上起伏较大(最大最小值相差较大),土样干压实效应越来越不显著,最佳含水量明显。最佳含水量时的干密度由等于到远大于干燥状态下的干密度。在最佳含水量附近干密度的变化较大(曲线开口较小)。土中含水量略大于最佳含水量后,干密度迅速减小。最小干密度的分布区间从2%~4%到4%左右,进一步变小。相应地,含水量很大时击实曲线距空气体积为零的等值线的距离进一步接近,并已达到距离最小之位置。

(5)粉黏粒含量55%~65%时,击实曲线相近,为前后之过渡区域。击实曲线总体起伏较大,土样干压实效应已不显著,最佳含水量很明显。最佳含水量时的干密度由等于到远大于干燥状态下的干密度。在最佳含水量附近干密度的变化很大。土中含水量略大于最佳含水量后,干密度迅速减小。最小干密度的分布不再在是一个区间,而在4%左右。相应地,含水量很大时击实曲线距空气体积为零的等值线的距离较小,为距离最小之位置。

(6)粉黏粒含量65%~100%时,击实干密度总体上呈明显下降,且含水量较低时也不再有凹形。土样干压实效应已不存在,且随粉黏粒的增加,含水量为零时的击实干密度很快地下降,最佳含水量很明显。最佳含水量时的干密度由等于到远大于干燥状态下的干密度。含水量很大时的击实曲线距空气体积为零的等值线的距离较小,为距离最小之位置。

图6-14 试验样品的击实曲线

从图6-14还可看出,击实曲线可明显地分为三段:土样中粉黏粒含量≤40%时,具有明显的干压实效果,最佳含水量问题不甚显著(含水量为零时的击实干密度等于或略大于最佳含水量时的击实干密度),表现为典型的砂类土性质;粉黏粒含量40%~60%时,干压实效果降低,乃至消失,并在55%时取得最大击实干密度,表现为砂土向细粒土的过渡;粉黏粒含量≥60%则不再有干压实效应,最佳含水量问题明显,表现为典型的细粒土特征。

除密实度外,土样的孔隙度、饱和度、相对密度及饱和含水量等也有与上述相似的变化过程(表6-7~表6-9和图6-15)。

表6-7 风积沙样品击实试验成果表

(续表)

(续表)

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表6-8 风积沙样品最佳含水量条件下击实试验成果表

表6-9 风积沙样品不同比重条件下击实试验成果表

从沉积学的角度看,风积沙的分选性最好,磨圆度最高,易于密实,但密实状态的孔隙率仍很高,为典型的颗粒状散粒结构。典型的风积沙中粉黏粒尤其是黏粒的含量少,颗粒集中,主要为憎水的砂粒,与水的作用微弱,较大的孔隙度及较大且又连通的孔隙使其渗透性强,又利于在击实过程中排水而不造成较大的孔隙水压力,故含水量对其压实的影响较低,最佳含水量的问题也几乎不存在。

上述两点使其在不同含水量下的击实干密度变幅很小,击实曲线缓平。

但含水量对其击实还是有一定影响的,由此导致了击实曲线呈下凹的形式。原因在于:含水量极低时,干燥的砂颗粒易于接近,干密度大,近于最大值;随着含水量增加,一方面砂颗粒表面的薄膜水将产生水连接(虽然由于砂颗粒相对较粗,比表面积小,这种连接力相对很弱),另一方面毛细管水(主要是孔角毛细水)的出现也将产生毛细张力(也较弱),两者的结合不利于砂颗粒的相互接近,故干密度有所下降;含水量的进一步增加,较厚的薄膜水使水连接变弱,但更多的毛细管水使毛细张力在加大,两者相抵的共同作用使干密度的变幅很小,曲线平缓;以后含水量进一步增加,薄膜水加厚,但毛细张力的增加是有限的,它将在一定的含水量时达到最大,其后随含水量的增加,会因毛细管水充填于较粗的毛细管中(毛细水总是先出现于管中较细部分)及数量的减少而减弱,故干密度将有所增加;当含水量饱和后,毛细张力消失,水薄膜也厚,水对砂的连接很弱,而水在砂粒运移时的润滑作用更利于砂颗粒的接近,又没有孔隙水压力的问题,故干密度取得最大值。

图6-15 试验样品击实密度随粉黏粒含量的变化曲线

粉黏粒增加后,土样的级配得到改善,增加的粉黏粒首先用于充填砂颗粒间的孔隙,结果使其总体干密度随粉黏粒含量的增加而提高,孔隙度也随之下降。试验样品在粉黏粒含量较低时(粉黏粒含量<55%)有所表现,原因就在于此。说明粉黏粒含量较低时,级配的改善将对击实干密度产生的影响是主要的。

随着粉黏粒含量的增加,细颗粒物质也将逐渐对土体产生影响,表现在:最佳含水量问题出现且欲发明显;不同含水量下的干密度变幅越来越大;极低含水量下的干密度在达到一定的粉黏粒含量后将随粉黏粒含量增加而增幅变小,以至于很小,从而导致了干压实特性的消失等。

原风积沙孔隙度较大,孔隙也较大,较少增加的粉黏粒将首先充填于原风积沙的孔隙间,在极低含水量时,干燥散状的粉黏粒对干燥的砂粒间的相互接近产生的影响很小,从而对其干压实特性影响不大;但粉黏粒增加到一定程度后,原风积沙砂粒间的孔隙已被填满,“多余的土”将分布于砂颗粒间,使后者原来所起的骨架作用失去,造成粉黏粒本身受压,而表面具有活性的粉黏粒(一般认为小于0.005mm)尤其是黏粒很难在干燥的情况下受压而产生黏聚力达到密实,故干密度随粉黏粒含量的增加而增幅很小,以致干压实特性消失。

粉黏粒的增加一方面使产生相同厚度水膜时的含水量增加,另一方面也使毛细管变细(毛细张力加大)。两者作用的结果造成最小干密度出现时的含水量增大,干燥时的干密度与最小干密度的差幅加大;“多余粉黏粒”出现后情况亦是如此,加大了击实曲线的起伏。

粉黏粒的增加也使较细的毛细管易于饱和,故其最小干密度出现的含水量区间也随之缩小。

随着粉黏粒含量的增加,在较高的含水量下,粉黏粒尤其是黏粒由于其亲水所形成的团聚结构明显影响土体,从而出现越来越明显的最佳含水量及最大干密度。

综上所述,可以认为级配好坏决定了击实曲线的起点位置(含水量为零时的干密度位置),而粉黏粒含量则决定了击实曲线的走势(击实干密度随含水量的变化);粉黏粒含量对风积沙工程特性的影响是随其含量的增加而增加的;当粉黏粒含量较低时,级配的改善首先将对风积沙的工程特性产生明显影响,因此土样的密实度提高,干压实效果也得以存在。单就击实(压实)而言,一定的粉黏粒含量能够提高其路用性能,而且这一粉黏粒含量的区间也是比较宽的,这将更有利于在实际中运用。而对于该项目的主要研究对象0#~1#系列样品来说,可以认为当粉黏粒含量≤40%时,土样表现为较为典型的砂土性质,具有较明显的干压实效应;当粉黏粒含量>60%时,土样的干压实效果已不明显,表现出较为典型的细粒土的特性;而当粉黏粒含量在40%~60%时为过渡区域。

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