承載比試驗中最佳含水率試件制作研討

夏揆華

（湖南省核工業地質局三0一大隊，湖南 長沙 410000）

0 引言

在巖土力學實驗中，需要對施工環境下的土體承載和受力等進行模擬，進行CBR試驗，而制備最佳含水率試件是CBR試驗的難點，制件中受多種因素影響，難以達到預期目標。本文對CBR試驗進行分析，探討影響最佳含水率試件制作的相關因素，準確配制含水率，消除因實驗室環境、試驗人員等造成的系統誤差。

1 背景技術

最佳含水率是指土體在標準擊實的情況下，呈現最大干密度狀態的含水率，是土工試驗的研究重點。在CBR試驗中，準確配制目標含水率試件是實驗結果精準可靠的前提條件。當前各行業實驗室一般都是按標準擊實試驗得到的最佳含水率進行CBR試件配制，即按標準中規定的含水率配比式計算目標含水率土樣所需加水量進行制件。

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

但在實驗室，除了土體性質外，試驗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，目標含水率和實測含水率往往差別較大，土樣含水率配制方法在實際應用中需要改進[1]。

2 含水率的影響因素

2.1 標準流程

土體的含水率是土體中水的質量與土顆粒質量的比值。根據土工試驗標準，為了配置一定含水率的試樣，通常是將土樣風干，選擇合適的篩子對風干土樣進行篩分，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密封，悶料一夜備用。但在實際應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到預期目標。

2.2 影響因素

從土工試驗含水率測試來看，影響含水率的主要有以下5個因素。

（1）測試土樣的風干含水率。根據含水率計算公式可知，風干含水率對于制備最佳含水率試樣具有決定性影響，因此風干含水率的測定一定要精確。如果風干含水率的數據不準確，將會對后期的加水量產生嚴重干擾。因此需要嚴格控制風干含水率的測試方法和測試環境。

（2）試樣的拌和處理。為了得到目標含水率的試樣，需要對試樣進行均勻拌和，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致拌和過程的水分蒸發，會使最終結果不準確。因此需要嚴格控制拌和效率和均勻度。

（3）實驗室的環境。配制最佳含水率試件需要控制實驗室的溫度和濕度，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導致含水率發生變化，影響含水率計算的準確性。濕度過高或者過低也會使含水率偏高或偏低。因此需要保持相應的濕度和溫度，減少環境因素的干擾。

（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，容易引發漏料或水分蒸發。如果密封不嚴，也會造成水分流失，導致實際含水率低于目標含水率，影響最終結果。

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

3 最佳含水率試件制作優化

3.1 試驗方法改進

結合上文分析可知，人為、設備、環境等因素會影響土工試驗試樣制備的最佳含水率。筆者在以往研究的基礎上，結合CBR試樣制備方法實踐，提出一種排除外界干擾，達到目標含水率的制備方法。該方法對目前最佳含水率試件的制備方法和流程進行優化，以確保最終試件含水率達到目標值。

3.1.1 實驗儀器與樣本準備

首先按規范配備試驗所用到的儀器設備，然后稱量代表性土樣，風干土樣后，將其碾壓至無土團，用圓孔篩對樣本土進行篩分，得到滿足設定直徑的土樣，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，取算術平均值。

3.1.3 土樣拌和

根據式（1）計算目標加水量，往噴水裝置中加水。控制實驗室溫度和濕度，將土樣攤鋪于干凈的瓷盆內，拌和均勻后在風干土樣上均勻噴水，并迅速拌勻，讓水分能夠充分滲透進入土樣內。保持較快的拌和速度可以減少水分蒸發，均勻噴水可以避免出現泥團或泥塊。然后將拌和均勻的土樣放入準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，并在玻璃缸外貼上目標含水率的標簽。

3.1.4 悶料

將裝有土樣的玻璃缸放置在陰涼的地方進行悶料，避免溫、濕度發生劇烈變化。在悶料完成后，根據相關試驗和工程標準，進行擊實試驗[3]。

3.1.5 擊實試驗

首先，將悶料后的樣品分成5份，將樣品分層加入擊實筒中，根據規范要求對筒中土樣進行擊實。其次，取出筒上套環，削掉多余的土，整平樣品進行稱重。再次，推出樣品，按標準要求在試件中部取兩份相應質量樣品，測量其含水率，取算術平均值。最后，以含水率為橫坐標，干密度為縱坐標繪制擊實曲線圖，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種土樣進行5組擊實試驗，以實測含水率為橫坐標，目標含水率為縱坐標繪制曲線圖，利用實測含水率與目標含水率線性相關性，根據擊實最佳含水率查圖即可得到新的目標含水率，通過新目標含水率計算制件加水量，然后按此加水量制作試件。

3.2 試驗過程及結果分析

本文以粉土、粉質黏土和黏土3種土樣為試驗樣本，其塑限分別為15.9%、19.4%、23.0%。取3種土樣各77 kg，經過風干、碾壓、拌和處理后，按擊實試驗要求，預估最佳含水率[4]，分別對3種土樣進行5種不同含水率梯度（2%~3%）擊實試驗，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，取算術平均值，并與目標含水率進行對比。擊實試驗含水率及誤差試驗結果如表1所示。

表1 擊實試驗含水率及誤差試驗結果 單位：%

根據表1可知，3種土樣平均誤差分別為3.63%、3.21%、2.86%，這表明以目標含水率計算的加水量制作的試樣，其實測含水率與目標含水率差距較大，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用于實際需要改進。

為了能精準配制最佳含水率試件，以擊實試驗中實測含水率為橫坐標，目標含水率為縱坐標繪制關系曲線（圖1），由圖1可以看出目標含水率與實測含水率線性相關，計算可知相關系數均大于0.99。

圖1 3種土樣的目標含水率與實測含水率關系曲線

把上述擊實試驗所得3個最佳含水率分別作為實測含水率曲線，查圖得到新的目標含水率，以此新的目標含水率按式（1）計算加水量，根據計算得到的加水量噴灑水分到上述備好的風干樣土上，拌和、悶料，然后按CBR試驗制樣方法分別制作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，并取其算數平均值與目標含水率進行對比。優化方法制件的含水率及誤差如表2所示。通過比較，可知試件實測含水率和最佳含水率相近，誤差很小。

表2 優化方法制件的含水率及誤差

4 結語

CBR試驗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試驗成敗的關鍵。由于影響土中含水率的因素較多，如土風干含水率、實驗環境、攪拌、浸潤、擊實效果等因素均對含水率測量產生影響，使實測含水率和目標含水率不一致，誤差較大。本文結合以往的研究和試驗經驗，對試樣含水率的影響因素進行分析，在相對穩定的試驗環境中進行擊實制樣，根據擊實試驗目標含水率與實測含水率相關特性繪制曲線圖，分析得到最佳含水率，可以消除實驗室環境、操作人員、試驗所用設備等因素帶來的系統誤差。經過實例研究表明，通過優化后的方法制備最佳含水率試件，其誤差較小，可以精準制得最佳含水率試件。該方法簡單易操作，具有實際應用價值。