一種測定路基土石混合料最大干密度的試驗方法與流程

【技術領域】

本發明應用于道路工程領域，涉及一種模擬重型壓路機現場振碾特性的土石混合料最佳含水率與最大干密度的測定方法，具體是一種測定路基土石混合料最大干密度的試驗方法。

背景技術：

我國東部及中西部地區多山地丘陵，在這些地區修筑公路經常會遇到土石挖方，本著因地制宜、就地取材的原則，土石混合料在路基修筑過程中被大量利用。為控制土石混合料路基的壓實質量，需要在室內測定其最大干密度與最佳含水率。土石混填路基由土石混合料修筑而成，顆粒組成變化很大、材料本身極其不均勻且難以控制，導致土石混填路基的工程力學特性非常復雜，不僅隨含水率及土石性質變化，而且與含石量及最大粒徑等密切相關。《公路土工試驗規程》(jtge40-2007)仍采用擊實方法、振動臺法或表面振動壓實法獲取最大干密度和成型試件，這些方法適用于粒徑小于40mm或60mm、粗顆粒含量不大于40％的土；而且其擊實功及擊實方式與現代重型振碾壓實設備嚴重不符，以致室內擊實功過低、最大干密度偏小，由此所確定的現場壓實度容易出現超百現象，無法真正發揮現代重型振碾壓實設備的功效。

重型擊實方法是最為常見的確定路基土最大干密度的試驗方法，該方法分3層擊實、每層擊實98次。擊實錘往往會將粒徑較大粒徑的土砸碎，改變了試驗材料的顆粒分布特性，導致測試結果失真；與現場振碾相比，擊實過程緩慢，導致試驗前后材料水分變化大；最為嚴重的是，重型擊實過程中，由于土石混合料中每層都有很多大粒徑碎礫石的存在，試件表面難以削平，試件高度難以準確測定。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的對土石混合料最大干密度難以測定、以及現有方法與現代重型振碾設備不符的狀況，本發明的目的在于提供一種測定路基土石混合料最大干密度的試驗方法，以解決上述問題，提高路基的壓實質量。

為了達到上述目的，本發明擬采用以下技術方案予以實現，具體過程如下:

一種測定路基土石混合料最大干密度的試驗方法，包括如下步驟：

步驟一，將土石混填料試樣烘干至恒重；

步驟二，將烘干至恒重的土石混填料試樣冷卻至室溫；

步驟三，配制若干份土石混合料試樣，以間隔一定含水率向試樣加入水，拌合至均勻狀態，再將土石混合料試樣密閉悶料，然后再將每份悶濕土石混合料均分為2份；

步驟四，取步驟三中均分后1份的土樣裝入試模中；

步驟五，再將試樣進行第一次振動擊實；

步驟六，再將步驟三中均分后的另一份土樣裝入試模中，進行第二次振動擊實；

步驟七，將步驟六振動擊實后的試樣進行脫模并量取試樣高度、直徑和質量，從試樣上取土石混合料，并測試其含水率，并計算干密度；

步驟八，重復步驟四至步驟七，得到若干份試樣含水率與干密度；

步驟九，根據步驟八得到的若干份試樣含水率與干密度結果，繪制干密度—含水率關系曲線，其中橫坐標為含水率，縱坐標為干密度，曲線峰值所對應的干密度為最大干密度ρdmax、所對應的含水量為最佳含水率ω0。

所述步驟一中，烘干過程中，溫度為105±5℃，時間不少于6小時。

所述步驟三中，通過四分法配制若干份土石混合料試樣，以間隔2～3％含水率向試樣加入水，拌合至均勻狀態，裝入塑料袋中封閉悶料24h；再采用四分法將每份試樣的悶濕土石混合料均分為2份。

所述步驟四中，所述試模的規格為：直徑×高度＝150mm×230mm；將土樣裝模時，在試模底部放置一直徑×高度＝150mm×50mm的墊塊，墊塊上放置一直徑150mm的濾紙。

所述步驟五中，在將試樣進行第一次振動擊實前，向試模中的土石混合料頂面放置濾紙；第一次振動擊實時間為50s，振動擊實儀參數設置為：振動頻率25hz、激振力5.5kn、名義振幅1.4mm、上車質量110±2kg、下車質量170±2kg、偏心塊夾角0°、靜面壓力109kpa。

所述步驟六中，第二次振動擊實前，先清除掉表面濾紙、并進行拉毛，將步驟三中均分后的另一份土樣裝入試模中后進行刮平，并在試樣上表面放置濾紙，再進行第二次振動擊實，參數與第一次振動擊實相同。

所述步驟七中，測試試樣含水率時，從試樣上取的土石混合料的烘干的溫度為105±5℃、時間不小于6小時。

所述步驟七中，從試樣上取土時，將試件破碎從試件中部取土。

所述試樣的干密度的計算方式為：

其中，ω為試樣以百分數計的含水率，單位為％；ρd為試樣的干密度，單位為g/cm³；h為試樣的高度，單位為mm；d為試樣的直徑，單位為mm；m為試樣的質量，單位為g。

所述步驟八中，重復步驟四至步驟七至少五次，得到至少五份試樣含水率與干密度。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

本發明的測定路基土石混合料最大干密度的試驗方法通過先將將土石混填料試樣烘干至恒重，以保證水分全部去除；配制若干份土石混合料試樣，以間隔一定含水率向試樣加入水，以使得試樣之間具有不同含水率，能夠模擬實際試樣含水率的不同；將每份試樣的悶濕土石混合料均分為2份，再先將均分后1份的土樣裝入試模中進行第一次振動擊實，再將均分后的另一份土樣裝入試模中，進行第二次振動擊實，兩次振動擊實保證了擊實效果，使得整個試樣的整體擊實差異較小；將第二次振動擊實后的試樣進行脫模并量取試樣高度、直徑和質量，從試樣中部取土石混合料、并測試其含水率，進一步計算干密度；通過重復前面試驗步驟得到若干份試樣的含水率與干密度，繪制干密度—含水率關系曲線，其中橫坐標為含水率，縱坐標為干密度，曲線峰值所對應的干密度為最大干密度ρdmax、所對應的含水率為最佳含水率ω0。因此，本發明操作簡便、結果可靠、變異性小，且對原材料的破壞小；由本發明所確定的路基土石混合料的最大干密度比重型擊實方法提高4％左右，提高了室內標準密度、提高了施工現場的壓實要求，能充分發揮現代重型振碾壓實設備的功效，對提高土石混填路基的壓實質量具有實際意義。

【附圖說明】

圖1是通過本發明方法測定的路基土石混合料(土石比＝60:40)的干密度—含水率曲線。

圖2是通過重型擊實法測定的路基土石混合料(土石比＝60:40)的干密度—含水率曲線。

圖3是通過本發明方法測定的路基土石混合料(土石比＝50:50)的干密度—含水率曲線。

圖4是通過重型擊實法測定的路基土石混合料(土石比＝50:50)的干密度—含水率曲線。

【具體實施方式】

下面結合附圖和實施例來對本發明作進一步的說明。

本發明的測定路基土石混合料最大干密度的試驗方法，包括如下步驟：

步驟一，先取若干土石混填料試樣置于烘箱中烘干至恒重；溫度為105±5℃，時間不少于6小時；

步驟二，再將試樣從烘箱中取出，放置于室溫中冷卻；

步驟三，再通過四分法配制若干份土石混合料試樣，以間隔2～3％含水率(水的質量與土石混合料干重質量之比)向試樣中加入水，拌合至均勻狀態，裝入塑料袋中封閉悶料24h；采用四分法將每份試樣的悶濕土石混合料均分為2份；

步驟四，再取均分后土樣(占每份試樣總質量的50％)裝入直徑×高度＝150mm×230mm的試模中，試模底部放置一直徑×高度＝150mm×50mm的墊塊，墊塊上分放置一直徑150mm的濾紙；

步驟五，再向試模中的土石混合料頂面放置濾紙，并將試模固定到振動擊實儀上，啟動振動開關進行第一層壓實，振動擊實50s；振動擊實儀參數設置為：振動頻率25hz，激振力5.5kn、名義振幅1.4mm、上車質量110±2kg、下車質量170±2kg、偏心塊夾角0°、靜面壓力109kpa；

步驟六，再將試模從振動擊實儀中取出，用刮刀清除掉表面濾紙、并進行拉毛，將剩下的土石混合料裝入試模中并刮平，放置濾紙，進行第二次振動擊實試驗，振動擊實參數與步驟五相同，振動擊實50s；

步驟七，再用電動脫模機將試件從試模中完整脫出，揭掉表面濾紙，用游標卡尺量取量試件高度h1和直徑d1，稱量試件質量m1；將試件破碎從試件中部取550g土石混合料放入小鐵盒中，然后置于105±5℃烘箱中烘干約6小時，測試含水率ω1(以百分數計)，計算試樣的干密度式中，ω1為第1份試樣的含水率，％；ρd(1)為第1份試樣的干密度，g/cm³。

步驟八，重復步驟四～步驟七，共得到至少5份試驗的含水率wi與干密度ρd(i)，i＝1，2，3，4，5……，i為正整數；

步驟九，繪制干密度—含水率關系曲線，其中橫坐標為含水率，縱坐標為干密度，曲線峰值所對應的干密度為最大干密度ρdmax、所對應的含水率為最佳含水率ω0。

實施例1(土石比為60:40)

本實施例的測定路基土石混合料最大干密度的試驗方法通過如下步驟進行：

步驟一，先從施工現場拉回的料堆中取出足量的土石混合料，放置于若干中型尺寸的鐵盤中攤開，然后置于烘箱中進行加熱烘干，烘箱的溫度設定為105℃，烘干6小時；

步驟二，再從烘箱中取出裝有已烘干試驗用料的鐵盒，放在實驗室內空地進行冷卻降溫30min；將土石混合料倒入由0～60mm各檔篩孔對應的盛料篩中，待加入適宜量的土石料后，蓋上篩蓋，將其置于搖篩機上進行篩分；振篩約10～15min后，從搖篩機上取下篩，剔除40mm以上的粒徑，只保留0～2mm、2～5mm、5～10mm、10～20mm、20～40mm五檔料，將各檔篩上的料分別倒入對應粒徑范圍的鐵盒中并密封儲藏；重復上述步驟多次，得到足夠多的試驗用料；

步驟三，再按照振動擊實法測土石混合料最佳含水率與最大干密度試驗的要求，從各檔料中用感量1g的天平稱取相應質量的料倒入大鐵盤中并將其均勻攤散開，如要測土石比為60:40的土石混合料的最佳含水率及最大干密度，每份試樣需用料4800g，其中0～2mm、2～5mm、5～10mm、10～20mm、20～40mm的各檔料分別對應稱量1440g、1440g、960g、480g、480g；稱好后倒入一大鐵盒中鋪散開來，用容積為1升的噴壺向混合料均勻噴水，一人噴灑，另一人戴橡膠手套進行均勻拌和，邊噴灑邊對噴壺稱重，直至達到所需的加水率為止；共得到5份加水配好的固定土石比的混合料試樣；

步驟四，再均勻拌和試樣，在大鐵盒上方覆蓋一尺寸足夠大的塑料編織袋，待悶料24h后，開始進行振動擊實試驗；試驗前，將振動擊實儀的工作參數調整為：振動頻率25hz、激振力5.5kn、名義振幅1.4mm、上車質量110±2kg、下車質量170±2kg、偏心塊夾角0°、靜面壓力109kpa；

步驟五，再從振動擊實儀底座上取下試模及嵌套在其底部的墊塊，用刮刀及毛刷將其內部清理干凈，重新將墊塊套入試模中，在墊塊上方放一張直徑為150mm×150mm的普通濾紙；取第一份均勻拌和好的試樣，用四分法將其大致分為相等的兩半，先取50％的用料，緩緩裝入到試模中，將料的頂部刮平，再放上第二張濾紙，將試模固定于振動擊實儀，打開電源，啟動壓實儀液壓開關，升降壓實儀壓頭讓壓頭能恰好與試樣表面恰好接觸，夾緊試模，開始第一層材料振動擊實50s；

步驟六，待第一層振動擊實結束后，從壓實儀上取下試模，用刮刀清除掉試樣頂部的濾紙，對其表面進行拉毛處理，再重復上述步驟，把剩余的50％的料加入到試模中，進行第二次振動擊實試驗；待振動結束后，用電動脫模機將試樣從試模中分離出來，揭下試樣頂部及底部的濾紙，即得到試驗用所需試件；

步驟七，再從360°四個方向量測試件的高度，得到一高度平均值h，并測量試件的底面直徑d，進一步計算試件體積v；稱量試件重量m；將試件破碎，從破碎樣中部取約550g試樣放入已知質量的干燥小鐵盒中，置于烘箱中烘干6小時至恒重，取出稱量，計算試件含水率；根據已測試件質量m(g)、體積v(cm3)以及含水率ω(％)計算該含水率條件下的干密度ρd：

含水率計算公式：式中，m盒為測定含水率所用的裝土小鐵盒的質量，單位為g，m盒+濕土為試樣烘干測含水率前從破碎樣中部取土及裝土的鐵盒的總質量，單位為g，m盒+干土為測定含水率烘干后干土及裝土小鐵盒的總質量，單位為g，ω為試件的含水率，通常表示為ω％；

干密度計算公式：式中，ρd為試樣干密度，單位為g/cm³,m為已測定試樣的質量，單位為g，d為試件的底面直徑，單位為mm，h為試件的平均高度，單位為mm；ω為試件的含水率，單位為％。

步驟八，采用上述步驟對剩余4組試樣進行試驗，獲取含水率ω與干密度ρd；如表1所示，表1為土石混合料含水率與干密度結果：

表1

步驟九，如圖1所示，以含水率ω為橫坐標，干密度ρd為縱坐標繪制干密度—含水率關系曲線圖，確定該實驗條件下的最佳含水率ω0＝9.3％、最大干密度ρdmax＝2.14g/cm³。

參照《公路土工試驗規程》(jtge40-2007)，對上述土樣進行重型擊實試驗，得到干密度與含水量曲線(圖2)，確定最佳含水率為8.1％、最大干密度為2.09g/cm³。

由上述結果可知，由本發明所確定的路基土石混合料的最大干密度比重型擊實提高2.3％。

實施例2(土石比為50:50)

本實施例的測定路基土石混合料最大干密度的試驗方法通過如下步驟進行：

步驟一，先從施工現場拉回的料堆中取出足量的土石混合料，放置于若干中型尺寸的鐵盤中攤開，然后置于烘箱中進行加熱烘干，烘箱的溫度設定為105℃，烘干6小時；

步驟二，再從烘箱中取出裝有已烘干試驗用料的鐵盒，放在實驗室內空地進行冷卻降溫30min；將土石混合料倒入由0～60mm各檔篩孔對應的盛料篩中，待加入適宜量的土石料后，蓋上篩蓋，將其置于搖篩機上進行篩分；振篩約10～15min后，從搖篩機上取下篩，剔除40mm以上的粒徑，只保留0～2mm、2～5mm、5～10mm、10～20mm、20～40mm五檔料，將各檔篩上的料分別倒入對應粒徑范圍的鐵盒中并密封儲藏；重復上述步驟多次，得到足夠多的試驗用料；

步驟三，再按照振動擊實法測土石混合料最佳含水率與最大干密度試驗的要求，從各檔料中用感量1g的天平稱取相應質量的料倒入大鐵盤中并將其均勻攤散開，如要測土石比為60:40的土石混合料的最佳含水率及最大干密度，每份試樣需用料4800g，其中0～2mm、2～5mm、5～10mm、10～20mm、20～40mm的各檔料分別對應稱量1200g、1200g、720g、720g、960g；稱好后倒入一大鐵盒中鋪散開來，用容積為1升的噴壺向混合料均勻噴水，一人噴灑，另一人戴橡膠手套進行均勻拌和，邊噴灑邊對噴壺稱重，直至達到所需的加水率為止；共得到5份加水配好的固定土石比的混合料試樣；

步驟四，再均勻拌和試樣，在大鐵盒上方覆蓋一尺寸足夠大的塑料編織袋，待悶料24h后，開始進行振動擊實試驗；試驗前，將振動擊實儀的工作參數調整為：振動頻率25hz、激振力5.5kn、名義振幅1.4mm、上車質量110±2kg、下車質量170±2kg、偏心塊夾角0°、靜面壓力109kpa；

步驟五，再從振動擊實儀底座上取下試模及嵌套在其底部的墊塊，用刮刀及毛刷將其內部清理干凈，重新將墊塊套入試模中，在墊塊上方放一張直徑為150mm×150mm的普通濾紙；取第一份均勻拌和好的試樣，用四分法將其大致分為相等的兩半，先取50％的用料，緩緩裝入到試模中，將料的頂部刮平，再放上第二張濾紙，將試模固定于振動擊實儀，打開電源，啟動壓實儀液壓開關，升降壓實儀壓頭讓壓頭能恰好與試樣表面恰好接觸，夾緊試模，開始第一層材料振動擊實50s；

步驟六，待第一層振動擊實結束后，從壓實儀上取下試模，用刮刀清除掉試樣頂部的濾紙，對其表面進行拉毛處理，再重復上述步驟，把剩余的50％的料加入到試模中，進行第二次振動擊實試驗；待振動結束后，用電動脫模機將試樣從試模中分離出來，揭下試樣頂部及底部的濾紙，即得到試驗用所需試件；

步驟七，再從360°四個方向量測試件的高度，得到一高度平均值h，并測量試件的底面直徑d，進一步計算試件體積v；稱量試件重量m；將試件破碎，從破碎樣中部取約550g試樣放入已知質量的干燥小鐵盒中，置于烘箱中烘干6小時至恒重，取出稱量，計算試件含水率；根據已測試件質量m(g)、體積v(cm³)以及含水率ω(％)計算該含水率條件下的干密度ρd；

步驟八，采用上述步驟對剩余4組試樣進行試驗，獲取含水率ω與干密度ρd；如表2所示，表2為土石混合料含水率與干密度結果：

表2

步驟九，如圖3所示，以含水率ω為橫坐標，干密度ρd為縱坐標繪制干密度—含水率關系曲線圖，確定該實驗條件下的最佳含水率ω0＝9.1％、最大干密度ρdmax＝2.11g/cm³。

參照《公路土工試驗規程》(jtge40-2007)，對上述土樣進行重型擊實試驗，得到干密度與含水量曲線(圖4)，確定最佳含水率為7.2％、最大干密度為2.03g/cm³。

由上述結果可知，由本發明所確定的路基土石混合料的最大干密度比重型擊實提高3.94％，由本發明所確定的路基土石混合料的最大干密度比重型擊實方法提高4％左右，能充分發揮現代重型振碾壓實設備的功效，對提高土石混填路基的壓實質量具有實際意義。