公路土工試驗擬定最佳含水量初探

陳德浦

作為指導和控制路基施工壓實質量標準的最佳干密度和最佳含水量，土工擊實試驗最佳含水量的擬定準確與否，直接關系到工程的質量。曾有人以天然含水量作為擬定最佳含水量的參照依據，而天然含水量隨自然環境天氣的變化而不同，同一土質、同一取土場的土會因天然含水量的不同得出不一樣的、甚至相差甚遠的標準干密度和最佳含水量，是不準確的。各類土有其本質特性，標準干密度和最佳含水量應順應土的內在特性，才能真正做到標準，確保路基工程質量。文章在分析最佳含水量特點的基礎上，提出精確測定土的塑性指標和土粒比重，以土的塑限含水量和路基設計常規或施工時應達到的稠度為參照和判別，并以最佳最大干密度和土粒比重按飽和度公式驗算擊實曲線峰值點的飽和度，可優化最佳含水量的擬定。

1 最佳含水量特點分析

對同一土質、同一固定擊實功在擊實曲線峰值點的最佳含水量狀態時的土體，有如下特點：（1）干密度ρd最大；（2）孔隙比e最小；（3）飽和需水量Wset最小；（4）含水量W最趨近于1/ρdmax-1/Gs，即W≈1/ρdmax-1/Gs。[注：由Sr=W* Gs/e，e=（Gs-ρd/）/ρd，當Sr=100%時，W=1/ρdmax-1/ Gs，式中：ρdmax——最大干密度；Gs——土粒真密度，Sr——飽和度]。

正是由于擊實曲線峰值點的土體有此“四最”，其對應的含水量才被稱之為“最佳含水量”。同樣的土質、同樣的擊實功能，僅含水量不同，在峰值點的含水量的土體擁有“四最”，顯然水在其中起了至關重要的作用——對土的易壓縮性產生了“催化”作用。這時候的土顆粒被一層足夠厚的與土質本身特性有關的水膜包裹著，水膜使土顆粒間引力變小，水膜的潤滑作用使土粒在外部擊實功的作用下比較容易移動、擠緊，土的內摩阻力、粘聚力、抗變形能力、抗剪強度提高，從而使路基水穩性和強度增強。

當所擬定的含水量使固定的擊實功能最大限度地使土顆粒擠緊并使土體飽和度達到100%，同時土顆粒間無自由水存在時峰值就會出現。這是我們理想中的土體最佳壓實狀態。然而，由于試驗操作人員對含水量預估的偏差、固定擊實功能的所限等諸多因素的影響，我們往往得到的最佳含水量和最大干密度狀態的土其飽和度只是一個近似值，約為90%左右。那么如何擬定符合要求，使土體出現“四最”的最佳含水量呢？

2 最佳含水量的擬定

土工擊實試驗前，首先可從土的液塑限值及篩分試驗中估算最佳含水量和最大干密度。一般來說，土中含粉粒和黏粒愈多，塑性指數愈大，最優含水量愈大。因此，一般砂性土壤的最優含水量小于黏性土，最大干密度大于黏粒土。細粒土的最優含水率一般在塑限附近，約為液限的0.55～0.65倍，而砂土的情況有些不同，視其含水狀態而定。此外輕型擊實試驗中，最優含水量接近土的塑限；重型擊實試驗最優含水量則小于土的塑限。確定材料的路基強度和穩定性，與水含量和壓實度有關，公路建設實踐經驗表明，處于干燥或中濕狀態的路基，其強度和水穩性得到了有效的保持。基于這個事實，路基設計一般要求路基處于干燥或中濕狀態，而路基干濕類型由土的稠度值劃分。由“自然區劃分界稠度表”（引見JTJ014-97，P106，表6），各類型的土組的干燥或中濕狀態時的稠度大都大于1。當土的含水量W=Wp時，WC=1.0，土質處于半固體與硬塑狀態；W=WL時，WC=0，土質處于流塑與流動狀態；WP

為了準確擬定最佳含水量，除了準確測定土的塑性指標外，土粒比重的準確測定，是又一個有效手段，它關系到土在壓實后飽和度是否合理的問題。如前所述，擊實曲線峰值點含水量最趨近于1/ρdmax-1/Gs，飽和度合理的土在不利季節和施工后期吸收自然界的水份少，可避免土體膨脹失穩。在精確測定土的塑性指標和土粒比重的前提下，以塑限為參照擬定最佳含水量W0并由擊實試驗得出ρdmax后，把得到的ρdmax代入該式，計算出在ρdmax時土的飽和含水量Wmax，由飽和度公式Sr=（W/Wmax）×100計算含W0時土的飽和度。

[例1]經測定粘質土的塑性指標WL=36.7，WP=18.3；土粒比重Gs=2.644，天然含水量W=22.6%。某試驗人員據此試驗得出最大干密度ρdmax=1.88g/cm3，最佳含水量W0=13.2%，請判別該標干是否準確。

[解]（1）驗算W0時稠度是否符合要求。

W0時土的稠度值WC，0=（WL-W0）/（WL-WP）=（36.7-13.2）/（36.7-18.3）=1.28，且W01.10的規定。

（2）驗算W0、ρdmax時土體的飽和度

由Sr=W*Gs/e，e=（Gs-ρd）/ρd，得e=（2.644-1.88）/1.88=0.41；Sr=13.2×2.644/0.41=85.1%，Sr在90%附近，飽和度較高，是可信的。

（3）驗算天然含水量條件下，該土是否適宜施工

天然稠度WC=（WL-W）/（WL-WP）=0.77，由JTJ033—95知在天然含水量時，該土宜采取措施方能使用。

如果由天然含水量擬定最佳含水量，將得出不同的、有可能自相矛盾的結果。

如果Sr值在90%左右，那么說明W0是合適的，可信的；如果Sr過小（<75%），則W0不準確，需重新擬定W0，調整方向是縮小W0與WP的差值。如Sr>100%，說明土體過飽和，土粒間出現了自由水，此時W0作為土的最佳含水量顯然壓實效果不理想。以這時的W0和其相應干密度制作的CBR試件在泡脹試驗中不會有吸水，曾有一些試驗單位在以往的土工資料中，在此類試件泡脹試驗時有不小的吸水，這樣的結果是自相矛盾的，除非前面的試驗不準確。同樣也重擬W0，調整方向是增大W0與WP的差值。

[例2]土的塑性指標、ρdmax土粒比重、天然含水量同[例1]，現有人試驗得到ρdmax=1.81g/cm3，W0=11.5%，請評價該標干是否準確？

[解]（1）按例1驗算稠度符合要求。

（2）驗算W0、ρdmax時土體飽和度

e=0.46；Sr=65%<75%，所以Sr過小，應重擬W0，W0適當調大。

（3）驗算天然含水量條件下，該土是否適宜施工。算法同[例1]，略。

泡脹試驗是模仿路基土體在不利季節吸水飽和，引起含水量、密度改變的情況下，以CBR試驗測定土體的承載強度是否符合要求的一個重要的驗證性試驗。具有最大干密度和最佳含水量的試件，泡脹試驗前的飽和度越高，飽和吸水量越小，密度改變就小，有利保持原有的最佳壓實狀態下的路基強度和穩定性。

3 擊實試驗注意事項

3.1 土的均勻性

取樣時樣品的均勻性不好控制，如果取樣不準，即使其他方面控制的多么準確，最終的擊實數據也是不可靠的。所以取樣一定要認真細致，確保試樣能夠代表母體。對于中粗粒土，必須嚴格用四分法將試樣縮分至需要的總數量，然后再分成5個試樣，每個試樣6kg左右。這5個試樣要代表原土樣的實際級配，不能因粗細顆粒離析而影響試樣的均勻性。否則，由此引起的試驗結果數據變異大，無規律，擊實曲線無峰值或呈波浪線等。

3.2 重型和輕型的選擇

輕型和重型的核心區別是輕型擊實的單位體積擊實功小，重型大約為輕型的4.5倍。因此，在相同含水量下，由于重型的單位體積擊實功大，對土體結構破壞力強，土體被壓得更密實，濕密度大，相應干密度也更大。由于曲線上5個試驗點存在同樣原因，重型試驗得出的最大干密度大于輕型。因此檢測單位接受委托時，應根據客戶意愿和現場土樣綜合確定采用何種擊實方法。土工壓實度報告在引用擊實報告干密度和最優含水量數據時應注明擊實報告編號或明確何種擊實，以便于對結果的判讀與理解。

3.3 干法和濕法

《公路規范》條文說明中注明，大量試驗證明：干法和濕法求得的結果有很大差別，對于最大干密度，前者大后者小；對于最優含水量，前者小后者大。既然兩者有很大差別，在擊實報告中應明確注明是干法還是濕法，以利于對報告的判讀和應用。對于高含水量的土采用濕法比較符合實際，如仍按干法做擊實試驗，無形中增加了對地基壓實難度，甚至根本達不到規范要求的壓實度。

4 結語

（1）在固定擊實功能和相同土質的前提下，最佳含水量時的土體所含的水份是使土體獲得最佳壓實狀態的“催壓劑”。土體在該含水量下的壓實，呈現干密度最大；孔隙比最小；飽和需水量最小；含水量最趨近于土體在最大干密度下飽和時含水量的特點。

（2）精確測定土的塑性指標和土粒比重，針對路基常規設計要求的綜合了土的塑性特性的稠度值，采用塑限含水量作為擬定最佳含水量的參照依據，并以土粒比重和最大干密度按飽和度公式驗算，能夠優化最佳含水量的擬定，獲得更為準確的最佳含量。