不同土料擊實試驗研究

劉振明 ，朱首軍 ，魏 磊

（1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司黃河西岸土地整治分公司，陜西 西安 710001；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西楊凌 712100）

土作為修筑堤壩地基及基礎(chǔ)回填最重要的材料，因此土的物理力學(xué)性質(zhì)是直接影響壩體的主要物理力學(xué)性質(zhì)，在工程上常把干密度作為評定土體緊密程度的標(biāo)準(zhǔn)，以控制填土工程的施工質(zhì)量，土的最優(yōu)含水率是指土的最大干密度所對應(yīng)的含水率。目前國內(nèi)外對土工擊實試驗研究的主要目的是直接由土體物性指標(biāo)得到現(xiàn)場壓實中最大干密度和最優(yōu)含水率[1-4]，但對室內(nèi)土工擊實試驗研究相對較少，對室內(nèi)土工擊實試驗中預(yù)估最優(yōu)含水率方法的研究則更少。

本文利用預(yù)估最優(yōu)含水率方法對志丹縣中粉質(zhì)壤土和楊凌重粉質(zhì)壤土進(jìn)行擊實試驗研究，得出兩種土的最大干密度和最優(yōu)含水率，以及分析兩種土類最優(yōu)含水率與最大干密度的相似性與不同點，以便為壩體工程設(shè)計及安全驗收提供參考的數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

志丹縣地處陜西省北部延安市西北部，屬大陸性季風(fēng)氣候。多年平均氣溫7.8℃，年極端最高氣溫37.4℃，年極端最低氣溫-25.4℃，多年平均降水量511.8 mm。楊凌區(qū)位于陜西省關(guān)中平原中部，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候；年平均溫度9.0℃～13.2℃，年極端最低氣溫-18.6℃，年極端最高氣溫41.2℃；年平均相對濕度70%左右。

2 試驗方法與材料

擊實試驗主要類型有輕型和重型擊實試驗（見表1）。輕型擊實試驗主要適用于粒徑小于5 mm的土，輕型擊實試驗單位體積擊實功約為592.2 kJ/m3；重型擊實試驗主要適用于粒徑小于20 mm的土，重型擊實試驗單位體積擊實功約為2684.9 kJ/m3。當(dāng)試樣中粒徑大于5 mm土的質(zhì)量小于試樣總質(zhì)量的30%時，且最大粒徑不大于25 mm，宜選擇輕型擊實Ⅰ法或重型擊實Ⅰ法；當(dāng)試樣中粒徑大于5 mm土的質(zhì)量大于試樣總質(zhì)量的30%時，且最大粒徑不大于38 mm，宜選擇輕型擊實Ⅱ法或重型擊實Ⅱ法。輕型擊實試驗主要適用于堤防、水庫基礎(chǔ)等填土工程；重型擊實試驗主要適用于機場跑道、高速公路、強夯地基等夯擊能量較大的填土工程。本次試驗選取的楊凌重粉質(zhì)壤土和志丹中粉質(zhì)壤土都為細(xì)粒土，而且本次試驗用做壩體建筑的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所以選取輕Ⅰ型擊實試驗法。

表1 擊實試驗分類表

3 試驗方案

3.1 土樣采集

土料場選址勘查工作嚴(yán)格按照《水利水電工程地質(zhì)勘測規(guī)范》（GB 50287-99）（中華人民共和國水利部1999）的要求進(jìn)行操作。土料的采樣、運輸、保存等工作嚴(yán)格按照《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》（SL 251 2000）的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行[5-9]。土樣采集前先要進(jìn)行取樣點的清表工作，將取樣點地表的附著物及腐殖質(zhì)土等清除掉，清表厚度約1 m，每一個探坑分兩層取樣（Xij表示 i號探坑的 j層，i=1，2，3，…，5；j=1，2。），每層之間的間距為2 m并且所有實驗操作流程嚴(yán)格按照《原狀土取樣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ89-92）的有關(guān)要求執(zhí)行。

3.2 土樣制備方法

將采集好的楊凌重粉質(zhì)壤土和志丹中粉質(zhì)壤土進(jìn)行風(fēng)干，過5 mm的篩，然后測其風(fēng)干含水率。楊凌重粉質(zhì)壤土的風(fēng)干含水率為2.1%，志丹中粉質(zhì)壤土的風(fēng)干含水率為1.2%。并根據(jù)兩種土的塑限預(yù)估最優(yōu)含水率。其中楊凌重粉質(zhì)壤土的塑限經(jīng)測定為16.0%，志丹中粉質(zhì)壤土的塑限經(jīng)測定為18.5%，因此楊凌重粉質(zhì)壤土的最優(yōu)含水率在16.0%左右，志丹中粉質(zhì)壤土的最優(yōu)含水率在18.0%左右，并按預(yù)估最優(yōu)含水率，在其兩側(cè)依次等階差2%的含水率制備一組（5個）試樣，每組試樣需風(fēng)干土2500g，其中有2個試樣含水率會小于塑限，有2個試樣含水率會大于塑限，中間一個含水率相對接近塑限。所以配置楊凌重粉質(zhì)壤土的5個試樣的含水率依次為12%、14%、16%、18%、20%，配置志丹中粉質(zhì)壤土的5試樣含水率依次為14%、16%、18%、20%、22%。

試樣按下來計算所需加水量：

式中：mω為土壤所需加水量，g；m為風(fēng)干時土樣的質(zhì)量，g；ω0為風(fēng)干含水率，%；ω為土樣配制的含水率，%。

每組做3個平行試驗，把每組7500 g風(fēng)干土平鋪在不吸水盛土盤中，按提前預(yù)定含水率用噴水設(shè)備往土樣上均勻的噴灑所需加水量，然后密封覆蓋，靜止24 h，以備擊實使用。

3.3 試樣的擊實過程

①將擊實儀放在地面上，擊實筒內(nèi)壁和底板連接時要涂一層凡士林。

②分三層擊實，取制備好的土樣700 g，分層裝入筒內(nèi)進(jìn)行擊實，擊實過程中要保證每層均勻擊實27次，而且每一次擊實錘的落距為30 cm。擊實后的每層試樣高度要大致相同，每層的交接面要刨毛。擊錘應(yīng)垂直下落，擊實錘在桶內(nèi)順時針轉(zhuǎn)動，均勻分布于土面上，擊實成型后試樣超高控制小于6 mm。

③沿?fù)魧嵧岔敳坑们型恋都?xì)心修平試樣，拆除底板，試樣底面如果超出筒外，應(yīng)用切土刀修平。稱量土體加套環(huán)的總重量，稱量準(zhǔn)確至0.01 g。

④測定含水率，用推土器推出筒內(nèi)試樣，在土樣中心處取三個約20 g～30 g的土樣，平行測定其含水率。

3.4 數(shù)據(jù)處理與計算方法

根據(jù)下式計算擊實后各點干密度和含水率：

式中：pd為干密度，g/cm3；P 為密度，g/cm3；Ω 為含水率，%。

將干密度作為縱坐標(biāo)，將含水率作為橫坐標(biāo)，繪制干密度與含水率的關(guān)系曲線，進(jìn)而求得兩種土的最大干密度和最優(yōu)含水率。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 楊凌重粉質(zhì)壤土壤土的數(shù)據(jù)處理

通過不同含水率楊凌重粉質(zhì)壤土的擊實試驗，得出楊凌重粉質(zhì)壤土平均干密度和平均含水率數(shù)據(jù)表2以及平均干密度和平均含水率關(guān)系曲線圖1。

圖1 楊凌重粉質(zhì)壤平均土干密度與平均含水率關(guān)系曲線

由圖1可知，楊凌重粉質(zhì)壤土最大干密度為1.740 g/cm3，最優(yōu)含水率為17.2%。

4.2 志丹中粉質(zhì)壤土的數(shù)據(jù)處理

通過不同含水率志丹中粉質(zhì)壤土的擊實試驗，得出志丹中粉質(zhì)壤土平均干密度和平均含水率數(shù)據(jù)表3以及平均干密度和平均含水率關(guān)系曲線圖2。

圖2 志丹中粉質(zhì)壤土干密度與含水率關(guān)系曲線

由圖2可知，志丹中粉質(zhì)壤土最大干密度為1.689 g/cm3，最優(yōu)含水率為15.2%。

表2 楊凌重粉質(zhì)壤土干密度和含水率數(shù)據(jù)表

表3 志丹中粉質(zhì)壤土平均干密度和平均含水率表

4.3 結(jié)果與分析

對比兩種土的擊實曲線（圖3）可以看出志丹中粉質(zhì)壤土的最大干密度和最優(yōu)含水率均小于楊凌重粉質(zhì)壤土的。由于相同體積的兩種土，志丹中粉質(zhì)壤土顆粒數(shù)明顯比楊凌重粉質(zhì)壤土的多，所以土粒間的孔隙數(shù)量也比楊凌重粉質(zhì)壤土的多，所以楊凌重粉質(zhì)壤土的最大干密度大于志丹中粉質(zhì)壤土的最大干密度。而在最優(yōu)含水率的情況下，土粒周圍結(jié)合水膜的厚度相近，楊凌重粉質(zhì)壤土比志丹中粉質(zhì)壤土土粒較多，所以最優(yōu)水率較高。

圖3 楊凌重粉質(zhì)壤土和志丹中粉質(zhì)壤土平均干密度與平均含水率對比圖

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

土壤的干密度，隨含水率的增加而增加，但是當(dāng)達(dá)到一個峰值時，土壤的干密度就隨含水率的增加而減小了。楊凌重粉質(zhì)壤土的最大干密度為1.740 g/cm3，最優(yōu)含水率為17.2%；志丹中粉質(zhì)壤土的最大干密度為1.689 g/cm3，最優(yōu)含水率為15.2%。

土料含水率在最優(yōu)含水率前后時，含水率對干密度的影響具有相似性，說明土料含水率在最優(yōu)含水率前后時，含水率對壓實質(zhì)量的影響具有相似的敏感性。

5.2 討論

由于時間和其他各種客觀因素的限制，本研究存在不少需要改進(jìn)的地方：

（1）本試驗的目的是求得最大干密度和最優(yōu)含水率，這兩個指標(biāo)在壩體建筑和檢驗中十分重要，但是單純由這兩個指標(biāo)來判斷壩體的好壞，有些牽強，應(yīng)該與其他指標(biāo)，如滲透系數(shù)、固結(jié)系數(shù)等結(jié)合起來進(jìn)行綜合的比較。

（2）本次擊實試驗中，雖然盡最大可能避免了人為的誤差，但是最優(yōu)含水率的預(yù)估失誤，繪出的曲線圖為偏態(tài)，所以進(jìn)行了補點，在一定程度上造成了誤差。