一种测定路基土石混合料最大干密度的试验方法与流程

【技术领域】

本发明应用于道路工程领域，涉及一种模拟重型压路机现场振碾特性的土石混合料最佳含水率与最大干密度的测定方法，具体是一种测定路基土石混合料最大干密度的试验方法。

背景技术：

我国东部及中西部地区多山地丘陵，在这些地区修筑公路经常会遇到土石挖方，本着因地制宜、就地取材的原则，土石混合料在路基修筑过程中被大量利用。为控制土石混合料路基的压实质量，需要在室内测定其最大干密度与最佳含水率。土石混填路基由土石混合料修筑而成，颗粒组成变化很大、材料本身极其不均匀且难以控制，导致土石混填路基的工程力学特性非常复杂，不仅随含水率及土石性质变化，而且与含石量及最大粒径等密切相关。《公路土工试验规程》(jtge40-2007)仍采用击实方法、振动台法或表面振动压实法获取最大干密度和成型试件，这些方法适用于粒径小于40mm或60mm、粗颗粒含量不大于40％的土；而且其击实功及击实方式与现代重型振碾压实设备严重不符，以致室内击实功过低、最大干密度偏小，由此所确定的现场压实度容易出现超百现象，无法真正发挥现代重型振碾压实设备的功效。

重型击实方法是最为常见的确定路基土最大干密度的试验方法，该方法分3层击实、每层击实98次。击实锤往往会将粒径较大粒径的土砸碎，改变了试验材料的颗粒分布特性，导致测试结果失真；与现场振碾相比，击实过程缓慢，导致试验前后材料水分变化大；最为严重的是，重型击实过程中，由于土石混合料中每层都有很多大粒径碎砾石的存在，试件表面难以削平，试件高度难以准确测定。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的对土石混合料最大干密度难以测定、以及现有方法与现代重型振碾设备不符的状况，本发明的目的在于提供一种测定路基土石混合料最大干密度的试验方法，以解决上述问题，提高路基的压实质量。

为了达到上述目的，本发明拟采用以下技术方案予以实现，具体过程如下:

一种测定路基土石混合料最大干密度的试验方法，包括如下步骤：

步骤一，将土石混填料试样烘干至恒重；

步骤二，将烘干至恒重的土石混填料试样冷却至室温；

步骤三，配制若干份土石混合料试样，以间隔一定含水率向试样加入水，拌合至均匀状态，再将土石混合料试样密闭闷料，然后再将每份闷湿土石混合料均分为2份；

步骤四，取步骤三中均分后1份的土样装入试模中；

步骤五，再将试样进行第一次振动击实；

步骤六，再将步骤三中均分后的另一份土样装入试模中，进行第二次振动击实；

步骤七，将步骤六振动击实后的试样进行脱模并量取试样高度、直径和质量，从试样上取土石混合料，并测试其含水率，并计算干密度；

步骤八，重复步骤四至步骤七，得到若干份试样含水率与干密度；

步骤九，根据步骤八得到的若干份试样含水率与干密度结果，绘制干密度—含水率关系曲线，其中横坐标为含水率，纵坐标为干密度，曲线峰值所对应的干密度为最大干密度ρdmax、所对应的含水量为最佳含水率ω0。

所述步骤一中，烘干过程中，温度为105±5℃，时间不少于6小时。

所述步骤三中，通过四分法配制若干份土石混合料试样，以间隔2～3％含水率向试样加入水，拌合至均匀状态，装入塑料袋中封闭闷料24h；再采用四分法将每份试样的闷湿土石混合料均分为2份。

所述步骤四中，所述试模的规格为：直径×高度＝150mm×230mm；将土样装模时，在试模底部放置一直径×高度＝150mm×50mm的垫块，垫块上放置一直径150mm的滤纸。

所述步骤五中，在将试样进行第一次振动击实前，向试模中的土石混合料顶面放置滤纸；第一次振动击实时间为50s，振动击实仪参数设置为：振动频率25hz、激振力5.5kn、名义振幅1.4mm、上车质量110±2kg、下车质量170±2kg、偏心块夹角0°、静面压力109kpa。

所述步骤六中，第二次振动击实前，先清除掉表面滤纸、并进行拉毛，将步骤三中均分后的另一份土样装入试模中后进行刮平，并在试样上表面放置滤纸，再进行第二次振动击实，参数与第一次振动击实相同。

所述步骤七中，测试试样含水率时，从试样上取的土石混合料的烘干的温度为105±5℃、时间不小于6小时。

所述步骤七中，从试样上取土时，将试件破碎从试件中部取土。

所述试样的干密度的计算方式为：

其中，ω为试样以百分数计的含水率，单位为％；ρd为试样的干密度，单位为g/cm³；h为试样的高度，单位为mm；d为试样的直径，单位为mm；m为试样的质量，单位为g。

所述步骤八中，重复步骤四至步骤七至少五次，得到至少五份试样含水率与干密度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的测定路基土石混合料最大干密度的试验方法通过先将将土石混填料试样烘干至恒重，以保证水分全部去除；配制若干份土石混合料试样，以间隔一定含水率向试样加入水，以使得试样之间具有不同含水率，能够模拟实际试样含水率的不同；将每份试样的闷湿土石混合料均分为2份，再先将均分后1份的土样装入试模中进行第一次振动击实，再将均分后的另一份土样装入试模中，进行第二次振动击实，两次振动击实保证了击实效果，使得整个试样的整体击实差异较小；将第二次振动击实后的试样进行脱模并量取试样高度、直径和质量，从试样中部取土石混合料、并测试其含水率，进一步计算干密度；通过重复前面试验步骤得到若干份试样的含水率与干密度，绘制干密度—含水率关系曲线，其中横坐标为含水率，纵坐标为干密度，曲线峰值所对应的干密度为最大干密度ρdmax、所对应的含水率为最佳含水率ω0。因此，本发明操作简便、结果可靠、变异性小，且对原材料的破坏小；由本发明所确定的路基土石混合料的最大干密度比重型击实方法提高4％左右，提高了室内标准密度、提高了施工现场的压实要求，能充分发挥现代重型振碾压实设备的功效，对提高土石混填路基的压实质量具有实际意义。

【附图说明】

图1是通过本发明方法测定的路基土石混合料(土石比＝60:40)的干密度—含水率曲线。

图2是通过重型击实法测定的路基土石混合料(土石比＝60:40)的干密度—含水率曲线。

图3是通过本发明方法测定的路基土石混合料(土石比＝50:50)的干密度—含水率曲线。

图4是通过重型击实法测定的路基土石混合料(土石比＝50:50)的干密度—含水率曲线。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例来对本发明作进一步的说明。

本发明的测定路基土石混合料最大干密度的试验方法，包括如下步骤：

步骤一，先取若干土石混填料试样置于烘箱中烘干至恒重；温度为105±5℃，时间不少于6小时；

步骤二，再将试样从烘箱中取出，放置于室温中冷却；

步骤三，再通过四分法配制若干份土石混合料试样，以间隔2～3％含水率(水的质量与土石混合料干重质量之比)向试样中加入水，拌合至均匀状态，装入塑料袋中封闭闷料24h；采用四分法将每份试样的闷湿土石混合料均分为2份；

步骤四，再取均分后土样(占每份试样总质量的50％)装入直径×高度＝150mm×230mm的试模中，试模底部放置一直径×高度＝150mm×50mm的垫块，垫块上分放置一直径150mm的滤纸；

步骤五，再向试模中的土石混合料顶面放置滤纸，并将试模固定到振动击实仪上，启动振动开关进行第一层压实，振动击实50s；振动击实仪参数设置为：振动频率25hz，激振力5.5kn、名义振幅1.4mm、上车质量110±2kg、下车质量170±2kg、偏心块夹角0°、静面压力109kpa；

步骤六，再将试模从振动击实仪中取出，用刮刀清除掉表面滤纸、并进行拉毛，将剩下的土石混合料装入试模中并刮平，放置滤纸，进行第二次振动击实试验，振动击实参数与步骤五相同，振动击实50s；

步骤七，再用电动脱模机将试件从试模中完整脱出，揭掉表面滤纸，用游标卡尺量取量试件高度h1和直径d1，称量试件质量m1；将试件破碎从试件中部取550g土石混合料放入小铁盒中，然后置于105±5℃烘箱中烘干约6小时，测试含水率ω1(以百分数计)，计算试样的干密度式中，ω1为第1份试样的含水率，％；ρd(1)为第1份试样的干密度，g/cm³。

步骤八，重复步骤四～步骤七，共得到至少5份试验的含水率wi与干密度ρd(i)，i＝1，2，3，4，5……，i为正整数；

步骤九，绘制干密度—含水率关系曲线，其中横坐标为含水率，纵坐标为干密度，曲线峰值所对应的干密度为最大干密度ρdmax、所对应的含水率为最佳含水率ω0。

实施例1(土石比为60:40)

本实施例的测定路基土石混合料最大干密度的试验方法通过如下步骤进行：

步骤一，先从施工现场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铁盘中摊开，然后置于烘箱中进行加热烘干，烘箱的温度设定为105℃，烘干6小时；

步骤二，再从烘箱中取出装有已烘干试验用料的铁盒，放在实验室内空地进行冷却降温30min；将土石混合料倒入由0～60mm各档筛孔对应的盛料筛中，待加入适宜量的土石料后，盖上筛盖，将其置于摇筛机上进行筛分；振筛约10～15min后，从摇筛机上取下筛，剔除40mm以上的粒径，只保留0～2mm、2～5mm、5～10mm、10～20mm、20～40mm五档料，将各档筛上的料分别倒入对应粒径范围的铁盒中并密封储藏；重复上述步骤多次，得到足够多的试验用料；

步骤三，再按照振动击实法测土石混合料最佳含水率与最大干密度试验的要求，从各档料中用感量1g的天平称取相应质量的料倒入大铁盘中并将其均匀摊散开，如要测土石比为60:40的土石混合料的最佳含水率及最大干密度，每份试样需用料4800g，其中0～2mm、2～5mm、5～10mm、10～20mm、20～40mm的各档料分别对应称量1440g、1440g、960g、480g、480g；称好后倒入一大铁盒中铺散开来，用容积为1升的喷壶向混合料均匀喷水，一人喷洒，另一人戴橡胶手套进行均匀拌和，边喷洒边对喷壶称重，直至达到所需的加水率为止；共得到5份加水配好的固定土石比的混合料试样；

步骤四，再均匀拌和试样，在大铁盒上方覆盖一尺寸足够大的塑料编织袋，待闷料24h后，开始进行振动击实试验；试验前，将振动击实仪的工作参数调整为：振动频率25hz、激振力5.5kn、名义振幅1.4mm、上车质量110±2kg、下车质量170±2kg、偏心块夹角0°、静面压力109kpa；

步骤五，再从振动击实仪底座上取下试模及嵌套在其底部的垫块，用刮刀及毛刷将其内部清理干净，重新将垫块套入试模中，在垫块上方放一张直径为150mm×150mm的普通滤纸；取第一份均匀拌和好的试样，用四分法将其大致分为相等的两半，先取50％的用料，缓缓装入到试模中，将料的顶部刮平，再放上第二张滤纸，将试模固定于振动击实仪，打开电源，启动压实仪液压开关，升降压实仪压头让压头能恰好与试样表面恰好接触，夹紧试模，开始第一层材料振动击实50s；

步骤六，待第一层振动击实结束后，从压实仪上取下试模，用刮刀清除掉试样顶部的滤纸，对其表面进行拉毛处理，再重复上述步骤，把剩余的50％的料加入到试模中，进行第二次振动击实试验；待振动结束后，用电动脱模机将试样从试模中分离出来，揭下试样顶部及底部的滤纸，即得到试验用所需试件；

步骤七，再从360°四个方向量测试件的高度，得到一高度平均值h，并测量试件的底面直径d，进一步计算试件体积v；称量试件重量m；将试件破碎，从破碎样中部取约550g试样放入已知质量的干燥小铁盒中，置于烘箱中烘干6小时至恒重，取出称量，计算试件含水率；根据已测试件质量m(g)、体积v(cm3)以及含水率ω(％)计算该含水率条件下的干密度ρd：

含水率计算公式：式中，m盒为测定含水率所用的装土小铁盒的质量，单位为g，m盒+湿土为试样烘干测含水率前从破碎样中部取土及装土的铁盒的总质量，单位为g，m盒+干土为测定含水率烘干后干土及装土小铁盒的总质量，单位为g，ω为试件的含水率，通常表示为ω％；

干密度计算公式：式中，ρd为试样干密度，单位为g/cm³,m为已测定试样的质量，单位为g，d为试件的底面直径，单位为mm，h为试件的平均高度，单位为mm；ω为试件的含水率，单位为％。

步骤八，采用上述步骤对剩余4组试样进行试验，获取含水率ω与干密度ρd；如表1所示，表1为土石混合料含水率与干密度结果：

表1

步骤九，如图1所示，以含水率ω为横坐标，干密度ρd为纵坐标绘制干密度—含水率关系曲线图，确定该实验条件下的最佳含水率ω0＝9.3％、最大干密度ρdmax＝2.14g/cm³。

参照《公路土工试验规程》(jtge40-2007)，对上述土样进行重型击实试验，得到干密度与含水量曲线(图2)，确定最佳含水率为8.1％、最大干密度为2.09g/cm³。

由上述结果可知，由本发明所确定的路基土石混合料的最大干密度比重型击实提高2.3％。

实施例2(土石比为50:50)

本实施例的测定路基土石混合料最大干密度的试验方法通过如下步骤进行：

步骤一，先从施工现场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铁盘中摊开，然后置于烘箱中进行加热烘干，烘箱的温度设定为105℃，烘干6小时；

步骤二，再从烘箱中取出装有已烘干试验用料的铁盒，放在实验室内空地进行冷却降温30min；将土石混合料倒入由0～60mm各档筛孔对应的盛料筛中，待加入适宜量的土石料后，盖上筛盖，将其置于摇筛机上进行筛分；振筛约10～15min后，从摇筛机上取下筛，剔除40mm以上的粒径，只保留0～2mm、2～5mm、5～10mm、10～20mm、20～40mm五档料，将各档筛上的料分别倒入对应粒径范围的铁盒中并密封储藏；重复上述步骤多次，得到足够多的试验用料；

步骤三，再按照振动击实法测土石混合料最佳含水率与最大干密度试验的要求，从各档料中用感量1g的天平称取相应质量的料倒入大铁盘中并将其均匀摊散开，如要测土石比为60:40的土石混合料的最佳含水率及最大干密度，每份试样需用料4800g，其中0～2mm、2～5mm、5～10mm、10～20mm、20～40mm的各档料分别对应称量1200g、1200g、720g、720g、960g；称好后倒入一大铁盒中铺散开来，用容积为1升的喷壶向混合料均匀喷水，一人喷洒，另一人戴橡胶手套进行均匀拌和，边喷洒边对喷壶称重，直至达到所需的加水率为止；共得到5份加水配好的固定土石比的混合料试样；

步骤四，再均匀拌和试样，在大铁盒上方覆盖一尺寸足够大的塑料编织袋，待闷料24h后，开始进行振动击实试验；试验前，将振动击实仪的工作参数调整为：振动频率25hz、激振力5.5kn、名义振幅1.4mm、上车质量110±2kg、下车质量170±2kg、偏心块夹角0°、静面压力109kpa；

步骤五，再从振动击实仪底座上取下试模及嵌套在其底部的垫块，用刮刀及毛刷将其内部清理干净，重新将垫块套入试模中，在垫块上方放一张直径为150mm×150mm的普通滤纸；取第一份均匀拌和好的试样，用四分法将其大致分为相等的两半，先取50％的用料，缓缓装入到试模中，将料的顶部刮平，再放上第二张滤纸，将试模固定于振动击实仪，打开电源，启动压实仪液压开关，升降压实仪压头让压头能恰好与试样表面恰好接触，夹紧试模，开始第一层材料振动击实50s；

步骤六，待第一层振动击实结束后，从压实仪上取下试模，用刮刀清除掉试样顶部的滤纸，对其表面进行拉毛处理，再重复上述步骤，把剩余的50％的料加入到试模中，进行第二次振动击实试验；待振动结束后，用电动脱模机将试样从试模中分离出来，揭下试样顶部及底部的滤纸，即得到试验用所需试件；

步骤七，再从360°四个方向量测试件的高度，得到一高度平均值h，并测量试件的底面直径d，进一步计算试件体积v；称量试件重量m；将试件破碎，从破碎样中部取约550g试样放入已知质量的干燥小铁盒中，置于烘箱中烘干6小时至恒重，取出称量，计算试件含水率；根据已测试件质量m(g)、体积v(cm³)以及含水率ω(％)计算该含水率条件下的干密度ρd；

步骤八，采用上述步骤对剩余4组试样进行试验，获取含水率ω与干密度ρd；如表2所示，表2为土石混合料含水率与干密度结果：

表2

步骤九，如图3所示，以含水率ω为横坐标，干密度ρd为纵坐标绘制干密度—含水率关系曲线图，确定该实验条件下的最佳含水率ω0＝9.1％、最大干密度ρdmax＝2.11g/cm³。

参照《公路土工试验规程》(jtge40-2007)，对上述土样进行重型击实试验，得到干密度与含水量曲线(图4)，确定最佳含水率为7.2％、最大干密度为2.03g/cm³。

由上述结果可知，由本发明所确定的路基土石混合料的最大干密度比重型击实提高3.94％，由本发明所确定的路基土石混合料的最大干密度比重型击实方法提高4％左右，能充分发挥现代重型振碾压实设备的功效，对提高土石混填路基的压实质量具有实际意义。