土料的擊實(shí)特性及其擊實(shí)后的力學(xué)性質(zhì)

沈英朋，陸海玉，劉 猛，田桂莉，侯玉松，蔣偉春

(1. 招遠(yuǎn)市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 煙臺(tái) 265400；2. 山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250013；3. 濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；4. 中天昊建設(shè)管理集團(tuán)股份有限公司，山東 東營(yíng) 257091)

土料是工程建設(shè)中的重要材料。在我國(guó)水利水電、道路橋梁等建設(shè)工程的不斷發(fā)展中，多采用室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定土料的物理力學(xué)指標(biāo)，而擊實(shí)作為一種普遍的施工方法，被廣泛應(yīng)用于回填和筑堤土料的工程質(zhì)量控制[1]。

通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)得到土料的擊實(shí)試驗(yàn)曲線是獲得土料最大干密度的經(jīng)濟(jì)、有效手段。壓實(shí)度是野外實(shí)際達(dá)到的干密度與室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)所得最大干密度的比值。工程上通過控制一定的壓實(shí)度保證土體的密實(shí)程度。通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)制備符合一定壓實(shí)度的擊實(shí)后土樣后進(jìn)行壓縮和剪切等力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)[2-4]，可以掌握土料在達(dá)到某壓實(shí)度后的力學(xué)性質(zhì)。土料的擊實(shí)試驗(yàn)曲線會(huì)受到土料的類型、土料的顆粒級(jí)配、擊實(shí)功、余土高度、尺寸效應(yīng)、試驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)等諸多因素的影響，因此不同土料表現(xiàn)出不同的擊實(shí)效果[5-10]。已有研究中雖然較多地對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果的影響因素進(jìn)行了分析，但是對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果的分析不夠系統(tǒng)，并且對(duì)土料擊實(shí)后的力學(xué)性質(zhì)的研究較少。為了完善試驗(yàn)規(guī)范中擊實(shí)試驗(yàn)操作規(guī)程，幫助土工試驗(yàn)從業(yè)人員更深入地理解擊實(shí)試驗(yàn)原理，進(jìn)而提高理論水平，并指導(dǎo)野外填土工程施工，本文中針對(duì)某水利工程勘察范圍內(nèi)不同類型的土料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，獲得土料的最大干密度和最優(yōu)含水率指標(biāo)，然后按壓實(shí)度進(jìn)行擊實(shí)后土樣的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，探索土料擊實(shí)后的力學(xué)性質(zhì)，從而為實(shí)際工程諸如利用土料筑堤、回填地基等提供相應(yīng)的參數(shù)，作為野外填土工程設(shè)計(jì)和施工等的參考。

1 土樣的基本特性

本文中6種土樣取自某水利工程沿線深度3.0 m范圍內(nèi)的淺層土，6種土樣的顆粒組成如表1所示。

表1 土樣的顆粒組成

2 試驗(yàn)

2.1 土樣與擊實(shí)后土樣的制備

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]中有關(guān)規(guī)定，制備擊實(shí)試驗(yàn)所用土樣和壓縮試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)所用擊實(shí)后土樣。本文中采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)，利用干法制備擊實(shí)試驗(yàn)所用土樣。取代表性土樣風(fēng)干到一定含水率，避免烘干土樣時(shí)因黏粒含量差異而對(duì)最大干密度產(chǎn)生影響。將利用四分法所得土樣風(fēng)干后，過孔徑為5 mm的篩，稱取拌合均勻后的風(fēng)干土樣，質(zhì)量為2 200 g。配制不同含水率的土樣后，密封于不透氣的塑料袋中12 h以上，以備進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。

在擊實(shí)試驗(yàn)中，由每種土樣制得一組擊實(shí)土柱。根據(jù)每組擊實(shí)土柱的干密度和對(duì)應(yīng)的含水率，繪制對(duì)應(yīng)土樣的擊實(shí)曲線。利用擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果得到每種土樣的最大干密度后，每種土樣均按照壓實(shí)度為0.95計(jì)算控制干密度，并在所得擊實(shí)曲線中查找對(duì)應(yīng)的控制含水率，計(jì)算制備擊實(shí)后土樣所需加水量，加至與該種土樣對(duì)應(yīng)的留土中，同樣密封12 h以上后，在每種用于制備擊實(shí)后土樣的3個(gè)代表性位置處復(fù)測(cè)實(shí)際含水率。當(dāng)實(shí)測(cè)含水率等于計(jì)算含水率時(shí)，按擊實(shí)試驗(yàn)方法進(jìn)行擊實(shí)，制得符合壓實(shí)度的擊實(shí)后土樣。

制備擊實(shí)后土樣時(shí)，土樣內(nèi)所需加水量計(jì)算公式[11]為

(1)

式中：mw為制備擊實(shí)后土樣時(shí)所需加水質(zhì)量，g；m0為風(fēng)干后土樣質(zhì)量，g；w0為風(fēng)干土樣含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；w′為擊實(shí)后土樣所需達(dá)到的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

2.2 試驗(yàn)方法

首先進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到每種土樣的一組擊實(shí)土柱。所用擊實(shí)儀的內(nèi)徑為102 mm，筒高為116 mm，容積為947.4 cm3，護(hù)筒高度為50 mm。在對(duì)每種土樣的每個(gè)擊實(shí)土柱進(jìn)行擊實(shí)前，都在擊實(shí)筒內(nèi)壁涂抹一薄層潤(rùn)滑油，原因是在擊實(shí)筒的底板涂抹潤(rùn)滑油有時(shí)會(huì)因含水率及土類的不同而導(dǎo)致?lián)魧?shí)后有較多余土殘留在底板上，因此為了保證擊實(shí)土柱底部的完整性，本次擊實(shí)試驗(yàn)中只在擊實(shí)筒內(nèi)壁涂抹潤(rùn)滑油。為了保證擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)穩(wěn)定性，每種土樣的每個(gè)擊實(shí)土柱由固定試驗(yàn)人員分3層進(jìn)行擊實(shí)，層與層的交界處作刨毛處理，控制每層的高度，使擊實(shí)第3層后的余土高度不超過6 mm。擊實(shí)完成后，沿?fù)魧?shí)筒的邊沿修平擊實(shí)土柱兩端，擦凈筒外壁后稱量，然后利用推土器將擊實(shí)土柱推出。切去每個(gè)擊實(shí)土柱周圍及上下兩端的余土，然后在擊實(shí)土柱中心的不同位置處取有代表性的3份進(jìn)行含水率測(cè)定，繪制干密度與含水率的關(guān)系曲線，即擊實(shí)曲線。在根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果制得的擊實(shí)后土樣上切取環(huán)刀樣和三軸土柱，分別利用北京華勘科技有限責(zé)任公司研發(fā)的全自動(dòng)三軸壓縮試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)，并結(jié)合該公司研發(fā)的KTG軟件中三軸壓縮試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)所得6種土樣的擊實(shí)曲線如圖1所示。從圖中可以看出，6種土樣的干密度均先隨著含水率的增大而增大，當(dāng)干密度增至一定值時(shí)，隨著含水率的增大，干密度開始減小。根據(jù)每種土樣擊實(shí)曲線的峰值點(diǎn)，可以得到該種土樣的最大干密度以及相應(yīng)的最優(yōu)含水率。6種土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率如表2所示。

圖1 土樣的擊實(shí)曲線

表2 土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率

從圖1中可以看出，根據(jù)6種土樣的擊實(shí)曲線，可將6種土樣分為2組：土樣1、2、3為第1組，土樣4、5、6為第2組。從表2中可以看出，相對(duì)于第2組土樣，第1組土樣的最大干密度較小，同時(shí)第1組土樣對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率較大。從表1中可以看出，第1組土樣中黏粒含量較多，黏性較強(qiáng)，而第2組土樣中黏粒含量較少，黏性較弱。當(dāng)黏粒含量在同一范圍內(nèi)時(shí)，擊實(shí)曲線較相似。從圖1中還可以看出，6種土樣的擊實(shí)曲線基本呈順滑的下凹趨勢(shì)，但是土樣5的擊實(shí)曲線左側(cè)有平緩下凸趨勢(shì)。研究[7]表明，當(dāng)?shù)玫饺珘簩?shí)曲線時(shí)，在最優(yōu)含水率的左側(cè)干側(cè)區(qū)域內(nèi)，擊實(shí)曲線隨含水率的減小而變得平緩，干密度趨于常數(shù)，即干側(cè)區(qū)域的干密度界限值。土樣5擊實(shí)曲線的左側(cè)呈平緩趨勢(shì)，說明土樣5的最干點(diǎn)較接近干側(cè)的干密度界限值。雖然可以將擊實(shí)曲線分為2組；但是即使是顆粒組成相近的土樣，擊實(shí)曲線的離散性也較大，因此在對(duì)土料的擊實(shí)特性進(jìn)行研究時(shí)，不能只根據(jù)土樣的單一的黏粒含量或顆粒組成相同就認(rèn)為土料的擊實(shí)特性相同。顆粒組成會(huì)影響擊實(shí)曲線及擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，但是存在一定的離散性，即使是定名相同的土料或黏粒含量接近的土料，最大干密度也會(huì)有所不同。根據(jù)1節(jié)中制備符合壓實(shí)度的擊實(shí)后土樣的方法，所制得擊實(shí)后土樣的基本物理指標(biāo)如表3所示。

表3 擊實(shí)后土樣的基本物理指標(biāo)

3.2 壓縮試驗(yàn)

對(duì)擊實(shí)后土樣取環(huán)刀樣后進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。利用全自動(dòng)固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)采集各級(jí)壓力時(shí)的變形量，分別計(jì)算初始孔隙比e0和第i(i=1, 2, 3, 4, 5，對(duì)應(yīng)壓力為50、100、200、300、400 kPa)級(jí)壓力時(shí)固結(jié)穩(wěn)定后的孔隙比ei，計(jì)算公式[11]為

(2)

(3)

式中：ρw為水的密度，g/cm3；Gs為土粒比重，即土粒與等體積4 ℃純水的質(zhì)量比；wc為擊實(shí)后土樣的控制含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ρ為擊實(shí)后土樣的密度，g/cm3；∑Δhi為第i級(jí)壓力時(shí)擊實(shí)后土樣的高度總變形量，cm；h0為擊實(shí)后土樣的初始高度，cm。

圖2所示為擊實(shí)后土樣的孔隙比-壓力曲線。從圖中可以看出，黏粒含量較多的第1組擊實(shí)后土樣的壓縮曲線位于黏粒含量較少的第2組擊實(shí)后土樣的壓縮曲線上方，說明第1組擊實(shí)后土樣的初始孔隙比以及在同一級(jí)壓力時(shí)的各孔隙比都大于第2組擊實(shí)后土樣的。主要原因是由擊實(shí)試驗(yàn)及壓實(shí)度確定的第1組擊實(shí)后土樣的初始干密度更小，黏粒含量更多，顆粒表面附著的結(jié)合水更多，固體顆粒所占的空間相對(duì)更少。

圖2 擊實(shí)后土樣的孔隙比-壓力曲線

由圖2可得單位壓力增量所引起的孔隙比的變化，即反映土料壓縮性的壓縮系數(shù)。工程中常利用壓力區(qū)間100～200 kPa對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)評(píng)價(jià)土料的壓縮性，計(jì)算公式[11]為

(4)

式中：a1-2為壓力區(qū)間100～200 kPa對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)，MPa-1；p1、p2分別為100、200 kPa這2級(jí)壓力；e1、e2分別為壓力為100、200 kPa時(shí)的孔隙比。

擊實(shí)后土樣的壓縮系數(shù)如表4所示。從表中可以看出，黏粒含量較多的第1組擊實(shí)后土樣的壓縮性比黏粒含量較少的第2組擊實(shí)后土樣的強(qiáng)。主要原因是第1組擊實(shí)后土樣的初始孔隙比較大，初始密實(shí)度較小，同時(shí)由表3可知，第1組擊實(shí)后土樣的初始含水率較大，因此在相同的壓力增量時(shí)，孔隙中的水排出更多，土樣更易被壓縮，即壓縮性較強(qiáng)。

表4 擊實(shí)后土樣的壓縮系數(shù)

3.3 三軸剪切試驗(yàn)

土料的抗剪強(qiáng)度受到多重因素的影響，如顆粒組成、黏粒含量、密度、含水率、土的結(jié)構(gòu)等。利用全自動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)擊實(shí)后土樣進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，根據(jù)所得三軸剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用KTG軟件繪制莫爾圓，得到擊實(shí)后土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角。圖3所示為擊實(shí)后土樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角與土樣最大干密度的關(guān)系。

從圖3(a)中可以看出，隨著最大干密度的增大，總黏聚力和有效黏聚力可能增大也可能減小，規(guī)律性不明顯，但是總體來說，黏聚力隨最大干密度的增大有減小的趨勢(shì)。原因是當(dāng)壓實(shí)度相同時(shí)，最大干密度越大，則擊實(shí)后土樣的干密度越大，而干密度較大時(shí)，含水率較小，導(dǎo)致黏聚力減小。同時(shí)，黏粒含量有所不同，水和黏粒含量的聯(lián)合效應(yīng)對(duì)黏聚力的影響大于干密度對(duì)黏聚力的影響。影響?zhàn)ぞ哿Φ囊蛩剌^多，顆粒級(jí)配、干密度等都會(huì)對(duì)黏聚力產(chǎn)生影響。各因素相互作用，當(dāng)某種因素占主導(dǎo)地位時(shí)，擊實(shí)后土樣的黏聚力則主要由該因素決定。從圖3(b)中可以看出，隨著最大干密度的增大，各擊實(shí)后土樣的總內(nèi)摩擦角和有效內(nèi)摩擦角表現(xiàn)出較好的規(guī)律性，總體趨勢(shì)是隨著干密度的增大，內(nèi)摩擦角逐漸增大。這是因?yàn)槊軐?shí)度是影響內(nèi)摩擦角的主要因素[10]，當(dāng)干密度增大時(shí)，土顆粒形成的骨架結(jié)構(gòu)更致密，土樣更密實(shí)，所以決定內(nèi)摩擦角的土顆粒間的摩阻力及咬合力[10]更大。

(a)黏聚力

(b)內(nèi)摩擦角圖3 擊實(shí)后土樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角與土樣最大干密度的關(guān)系

4 結(jié)論

本文中選取6種土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)及擊實(shí)后的壓縮和三軸剪切試驗(yàn)，探討擊實(shí)試驗(yàn)原理，并分析擊實(shí)后土樣的力學(xué)性質(zhì)，得到以下主要結(jié)論：

1)土樣的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明，土樣的擊實(shí)曲線可以分為黏粒含量較多的土樣和黏粒含量較少的土樣2組，黏粒含量相近的土樣的擊實(shí)曲線特性較接近，說明黏粒含量對(duì)擊實(shí)曲線有一定影響，但是即使顆粒組成接近的土樣的擊實(shí)曲線也是有差異的，說明擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果不完全由顆粒組成決定。

2)擊實(shí)后土樣的壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于黏粒含量較少的擊實(shí)后土樣，黏粒含量較多的擊實(shí)后土樣的初始孔隙比和各級(jí)壓力時(shí)的孔隙比都較大，并且壓縮性較強(qiáng)。

3)擊實(shí)后土樣的三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果表明，最大干密度對(duì)黏聚力的影響規(guī)律性較差，最大干密度與內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系有較好的規(guī)律性，說明干密度對(duì)黏聚力的影響受到其他因素的綜合作用較大，但是在對(duì)內(nèi)摩擦角的影響因素中起主導(dǎo)作用。