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承載比試驗(yàn)中最佳含水率試件制作研討

2022-06-30 06:30:38夏揆華
低碳世界 2022年4期

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。

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