承載比試驗(yàn)中最佳含水率試件制作研討

夏揆華

（湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三0一大隊，湖南 長沙 410000）

0 引言

在巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要對施工環(huán)境下的土體承載和受力等進(jìn)行模擬，進(jìn)行CBR試驗(yàn)，而制備最佳含水率試件是CBR試驗(yàn)的難點(diǎn)，制件中受多種因素影響，難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。本文對CBR試驗(yàn)進(jìn)行分析，探討影響最佳含水率試件制作的相關(guān)因素，準(zhǔn)確配制含水率，消除因?qū)嶒?yàn)室環(huán)境、試驗(yàn)人員等造成的系統(tǒng)誤差。

1 背景技術(shù)

最佳含水率是指土體在標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)的情況下，呈現(xiàn)最大干密度狀態(tài)的含水率，是土工試驗(yàn)的研究重點(diǎn)。在CBR試驗(yàn)中，準(zhǔn)確配制目標(biāo)含水率試件是實(shí)驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)可靠的前提條件。當(dāng)前各行業(yè)實(shí)驗(yàn)室一般都是按標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最佳含水率進(jìn)行CBR試件配制，即按標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的含水率配比式計算目標(biāo)含水率土樣所需加水量進(jìn)行制件。

式中：w——所需加水量，g；mi——含水率wi時的土樣質(zhì)量，g；wi——土樣原有含水率，%；w——要求達(dá)到的含水率，%。

但在實(shí)驗(yàn)室，除了土體性質(zhì)外，試驗(yàn)條件也是控制含水率的重要因素。按理論計算加水量配制的試件，目標(biāo)含水率和實(shí)測含水率往往差別較大，土樣含水率配制方法在實(shí)際應(yīng)用中需要改進(jìn)[1]。

2 含水率的影響因素

2.1 標(biāo)準(zhǔn)流程

土體的含水率是土體中水的質(zhì)量與土顆粒質(zhì)量的比值。根據(jù)土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，為了配置一定含水率的試樣，通常是將土樣風(fēng)干，選擇合適的篩子對風(fēng)干土樣進(jìn)行篩分，然后將烘干土樣平鋪在瓷盤里，按式（1）計算所需加水量，用噴霧器噴灑水，并攪拌均勻，再裝入玻璃缸或塑料袋內(nèi)密封，悶料一夜備用。但在實(shí)際應(yīng)用中因會受到各種因素的影響，該方法所配試件含水率難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2.2 影響因素

從土工試驗(yàn)含水率測試來看，影響含水率的主要有以下5個因素。

（1）測試土樣的風(fēng)干含水率。根據(jù)含水率計算公式可知，風(fēng)干含水率對于制備最佳含水率試樣具有決定性影響，因此風(fēng)干含水率的測定一定要精確。如果風(fēng)干含水率的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，將會對后期的加水量產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。因此需要嚴(yán)格控制風(fēng)干含水率的測試方法和測試環(huán)境。

（2）試樣的拌和處理。為了得到目標(biāo)含水率的試樣，需要對試樣進(jìn)行均勻拌和，該過程受到操作人員的影響很大，如果攤鋪時土樣厚度和噴灑水及攪拌不均勻或攪拌速度過慢導(dǎo)致拌和過程的水分蒸發(fā)，會使最終結(jié)果不準(zhǔn)確。因此需要嚴(yán)格控制拌和效率和均勻度。

（3）實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境。配制最佳含水率試件需要控制實(shí)驗(yàn)室的溫度和濕度，在制樣過程中，濕潤土樣會長時間暴露在空氣中，溫度過高將會引起水分蒸發(fā)導(dǎo)致含水率發(fā)生變化，影響含水率計算的準(zhǔn)確性。濕度過高或者過低也會使含水率偏高或偏低。因此需要保持相應(yīng)的濕度和溫度，減少環(huán)境因素的干擾。

（4）樣本浸潤的過程。樣本浸潤過程是將拌和均勻的試樣放置于密封的容器或密封袋中，完成充分浸潤。如果在悶料過程中，選擇的塑料袋密封性能不佳，厚度不夠，容易引發(fā)漏料或水分蒸發(fā)。如果密封不嚴(yán)，也會造成水分流失，導(dǎo)致實(shí)際含水率低于目標(biāo)含水率，影響最終結(jié)果。

（5）擊實(shí)試驗(yàn)的壓實(shí)效果。含水率與土樣的壓實(shí)效果、壓實(shí)方式也有關(guān)。如果壓實(shí)效果偏大，土樣受到壓實(shí)作用，顆粒之間的排列順序有所調(diào)整，導(dǎo)致土樣內(nèi)部密度升高，含水率降低。因此在擊實(shí)試驗(yàn)中，通常根據(jù)項目的需求，選擇輕、重兩種壓實(shí)類型。前者的壓實(shí)度為592.2 kg/m3，可用于堤壩以及水庫等項目土樣分析；后者的壓實(shí)度為2684.9 kg/m3，可用于等級較高的公路、機(jī)場跑道等壓實(shí)度要求較高的土樣中[2]。

3 最佳含水率試件制作優(yōu)化

3.1 試驗(yàn)方法改進(jìn)

結(jié)合上文分析可知，人為、設(shè)備、環(huán)境等因素會影響土工試驗(yàn)試樣制備的最佳含水率。筆者在以往研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合CBR試樣制備方法實(shí)踐，提出一種排除外界干擾，達(dá)到目標(biāo)含水率的制備方法。該方法對目前最佳含水率試件的制備方法和流程進(jìn)行優(yōu)化，以確保最終試件含水率達(dá)到目標(biāo)值。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與樣本準(zhǔn)備

首先按規(guī)范配備試驗(yàn)所用到的儀器設(shè)備，然后稱量代表性土樣，風(fēng)干土樣后，將其碾壓至無土團(tuán)，用圓孔篩對樣本土進(jìn)行篩分，得到滿足設(shè)定直徑的土樣，將土樣放在鐵皮上，混合均勻并靜置待用。

3.1.2 測量風(fēng)干土樣的含水率

稱量上述土樣，采用烘箱法測量土樣的含水率，取算術(shù)平均值。

3.1.3 土樣拌和

根據(jù)式（1）計算目標(biāo)加水量，往噴水裝置中加水。控制實(shí)驗(yàn)室溫度和濕度，將土樣攤鋪于干凈的瓷盆內(nèi)，拌和均勻后在風(fēng)干土樣上均勻噴水，并迅速拌勻，讓水分能夠充分滲透進(jìn)入土樣內(nèi)。保持較快的拌和速度可以減少水分蒸發(fā)，均勻噴水可以避免出現(xiàn)泥團(tuán)或泥塊。然后將拌和均勻的土樣放入準(zhǔn)備好的塑料袋中密封，確保塑料袋無滲漏。為避免泄露，將盛放土樣的塑料袋放入密封玻璃缸內(nèi)，并在玻璃缸外貼上目標(biāo)含水率的標(biāo)簽。

3.1.4 悶料

將裝有土樣的玻璃缸放置在陰涼的地方進(jìn)行悶料，避免溫、濕度發(fā)生劇烈變化。在悶料完成后，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)和工程標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)[3]。

3.1.5 擊實(shí)試驗(yàn)

首先，將悶料后的樣品分成5份，將樣品分層加入擊實(shí)筒中，根據(jù)規(guī)范要求對筒中土樣進(jìn)行擊實(shí)。其次，取出筒上套環(huán)，削掉多余的土，整平樣品進(jìn)行稱重。再次，推出樣品，按標(biāo)準(zhǔn)要求在試件中部取兩份相應(yīng)質(zhì)量樣品，測量其含水率，取算術(shù)平均值。最后，以含水率為橫坐標(biāo)，干密度為縱坐標(biāo)繪制擊實(shí)曲線圖，查圖得到最大干密度和最佳含水率。

3.1.6 最佳含水率試件制作

分別對3種土樣進(jìn)行5組擊實(shí)試驗(yàn)，以實(shí)測含水率為橫坐標(biāo)，目標(biāo)含水率為縱坐標(biāo)繪制曲線圖，利用實(shí)測含水率與目標(biāo)含水率線性相關(guān)性，根據(jù)擊實(shí)最佳含水率查圖即可得到新的目標(biāo)含水率，通過新目標(biāo)含水率計算制件加水量，然后按此加水量制作試件。

3.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

本文以粉土、粉質(zhì)黏土和黏土3種土樣為試驗(yàn)樣本，其塑限分別為15.9%、19.4%、23.0%。取3種土樣各77 kg，經(jīng)過風(fēng)干、碾壓、拌和處理后，按擊實(shí)試驗(yàn)要求，預(yù)估最佳含水率[4]，分別對3種土樣進(jìn)行5種不同含水率梯度（2%~3%）擊實(shí)試驗(yàn)，每種土樣得到5個不同含水率的樣品。從每個試樣中心處取出土樣兩組測含水率，取算術(shù)平均值，并與目標(biāo)含水率進(jìn)行對比。擊實(shí)試驗(yàn)含水率及誤差試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 擊實(shí)試驗(yàn)含水率及誤差試驗(yàn)結(jié)果 單位：%

根據(jù)表1可知，3種土樣平均誤差分別為3.63%、3.21%、2.86%，這表明以目標(biāo)含水率計算的加水量制作的試樣，其實(shí)測含水率與目標(biāo)含水率差距較大，可見試樣在制作過程中，含水率受到多種因素影響，理論計算的加水量應(yīng)用于實(shí)際需要改進(jìn)。

為了能精準(zhǔn)配制最佳含水率試件，以擊實(shí)試驗(yàn)中實(shí)測含水率為橫坐標(biāo)，目標(biāo)含水率為縱坐標(biāo)繪制關(guān)系曲線（圖1），由圖1可以看出目標(biāo)含水率與實(shí)測含水率線性相關(guān)，計算可知相關(guān)系數(shù)均大于0.99。

圖1 3種土樣的目標(biāo)含水率與實(shí)測含水率關(guān)系曲線

把上述擊實(shí)試驗(yàn)所得3個最佳含水率分別作為實(shí)測含水率曲線，查圖得到新的目標(biāo)含水率，以此新的目標(biāo)含水率按式（1）計算加水量，根據(jù)計算得到的加水量噴灑水分到上述備好的風(fēng)干樣土上，拌和、悶料，然后按CBR試驗(yàn)制樣方法分別制作30擊、50擊和98擊的試件，取每個試件中心的兩組土樣測含水率，并取其算數(shù)平均值與目標(biāo)含水率進(jìn)行對比。優(yōu)化方法制件的含水率及誤差如表2所示。通過比較，可知試件實(shí)測含水率和最佳含水率相近，誤差很小。

表2 優(yōu)化方法制件的含水率及誤差

4 結(jié)語

CBR試驗(yàn)是道路工程篩選回填土必做項目，而制備最佳含水率試件是CBR試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。由于影響土中含水率的因素較多，如土風(fēng)干含水率、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、攪拌、浸潤、擊實(shí)效果等因素均對含水率測量產(chǎn)生影響，使實(shí)測含水率和目標(biāo)含水率不一致，誤差較大。本文結(jié)合以往的研究和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對試樣含水率的影響因素進(jìn)行分析，在相對穩(wěn)定的試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行擊實(shí)制樣，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)含水率與實(shí)測含水率相關(guān)特性繪制曲線圖，分析得到最佳含水率，可以消除實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、操作人員、試驗(yàn)所用設(shè)備等因素帶來的系統(tǒng)誤差。經(jīng)過實(shí)例研究表明，通過優(yōu)化后的方法制備最佳含水率試件，其誤差較小，可以精準(zhǔn)制得最佳含水率試件。該方法簡單易操作，具有實(shí)際應(yīng)用價值。