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集團有限責任公司黃河西岸土地整治分公司，陜西 西安 710001；2.西北農林科技大學，陜西楊凌 712100）

土作為修筑堤壩地基及基礎回填最重要的材料，因此土的物理力學性質是直接影響壩體的主要物理力學性質，在工程上常把干密度作為評定土體緊密程度的標準，以控制填土工程的施工質量，土的最優含水率是指土的最大干密度所對應的含水率。目前國內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得到現場壓實中最大干密度和最優含水率[1-4]，但對室內土工擊實試驗研究相對較少，對室內土工擊實試驗中預估最優含水率方法的研究則更少。

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

1 研究區概況

志丹縣地處陜西省北部延安市西北部，屬大陸性季風氣候。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。楊凌區位于陜西省關中平原中部，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候；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。當試樣中粒徑大于5 mm土的質量小于試樣總質量的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；當試樣中粒徑大于5 mm土的質量大于試樣總質量的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壤土和志丹中粉質壤土都為細粒土，而且本次試驗用做壩體建筑的基礎數據，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格按照《水利水電工程地質勘測規范》（GB 50287-99）（中華人民共和國水利部1999）的要求進行操作。土料的采樣、運輸、保存等工作嚴格按照《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》（SL 251 2000）的有關規定執行[5-9]。土樣采集前先要進行取樣點的清表工作，將取樣點地表的附著物及腐殖質土等清除掉，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格按照《原狀土取樣技術標準》（JGJ89-92）的有關要求執行。

3.2 土樣制備方法

將采集好的楊凌重粉質壤土和志丹中粉質壤土進行風干，過5 mm的篩，然后測其風干含水率。楊凌重粉質壤土的風干含水率為2.1%，志丹中粉質壤土的風干含水率為1.2%。并根據兩種土的塑限預估最優含水率。其中楊凌重粉質壤土的塑限經測定為16.0%，志丹中粉質壤土的塑限經測定為18.5%，因此楊凌重粉質壤土的最優含水率在16.0%左右，志丹中粉質壤土的最優含水率在18.0%左右，并按預估最優含水率，在其兩側依次等階差2%的含水率制備一組（5個）試樣，每組試樣需風干土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為風干時土樣的質量，g；ω0為風干含水率，%；ω為土樣配制的含水率，%。

每組做3個平行試驗，把每組7500 g風干土平鋪在不吸水盛土盤中，按提前預定含水率用噴水設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，分層裝入筒內進行擊實，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。擊錘應垂直下落，擊實錘在桶內順時針轉動，均勻分布于土面上，擊實成型后試樣超高控制小于6 mm。

③沿擊實筒頂部用切土刀細心修平試樣，拆除底板，試樣底面如果超出筒外，應用切土刀修平。稱量土體加套環的總重量，稱量準確至0.01 g。

④測定含水率，用推土器推出筒內試樣，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 數據處理與計算方法

根據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，將含水率作為橫坐標，繪制干密度與含水率的關系曲線，進而求得兩種土的最大干密度和最優含水率。

4 數據處理

4.1 楊凌重粉質壤土壤土的數據處理

通過不同含水率楊凌重粉質壤土的擊實試驗，得出楊凌重粉質壤土平均干密度和平均含水率數據表2以及平均干密度和平均含水率關系曲線圖1。

圖1 楊凌重粉質壤平均土干密度與平均含水率關系曲線

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

4.2 志丹中粉質壤土的數據處理

通過不同含水率志丹中粉質壤土的擊實試驗，得出志丹中粉質壤土平均干密度和平均含水率數據表3以及平均干密度和平均含水率關系曲線圖2。

圖2 志丹中粉質壤土干密度與含水率關系曲線

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

表2 楊凌重粉質壤土干密度和含水率數據表

表3 志丹中粉質壤土平均干密度和平均含水率表

4.3 結果與分析

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

圖3 楊凌重粉質壤土和志丹中粉質壤土平均干密度與平均含水率對比圖

5 結論與討論

5.1 結論

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

土料含水率在最優含水率前后時，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含水率前后時，含水率對壓實質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的地方：

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

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