如何準(zhǔn)確預(yù)估室內(nèi)土工擊實(shí)試驗(yàn)中的最佳含水率

李麗英

(廈門(mén)市交通建設(shè)工程檢測(cè)有限公司,福建 廈門(mén) 361000)

在公路建設(shè)工程中,土作為路基填筑加固及基礎(chǔ)回填的主要材料,其夯實(shí)與壓密性能,對(duì)工程的安全性與穩(wěn)定性有著重要的影響。故需要通過(guò)室內(nèi)土工擊實(shí)試驗(yàn),得到土樣含水率與干密度的關(guān)系曲線,從而確定最大干密度及其相應(yīng)的最佳含水率,作為工程設(shè)計(jì)或現(xiàn)場(chǎng)施工控制時(shí)配置含水率提供可靠的參考數(shù)據(jù)。而在土工擊實(shí)試驗(yàn)過(guò)程中,如何準(zhǔn)確預(yù)估土樣的最佳含水率,從而能一次性配置合理的土樣含水率與干密度的關(guān)系曲線,是整個(gè)試驗(yàn)中最難把握的部分,也是提高試驗(yàn)效率的關(guān)鍵部分。

1 研究現(xiàn)狀

目前《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB∕T 50123-1999中預(yù)估最佳含水率的方法為“根據(jù)土的塑限預(yù)估最優(yōu)含水率”,而《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40-2007中表示“最佳含水率約等于或略大于塑限”。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可得知,依據(jù)土的塑限預(yù)估最佳含水率往往與實(shí)測(cè)出來(lái)的值相差甚遠(yuǎn),究其原因有以下3點(diǎn)：

(1)擊實(shí)試驗(yàn)除重型法與輕型法的擊實(shí)功不同外,制樣方法、儀器設(shè)備規(guī)格與尺寸、分層與擊數(shù)等試驗(yàn)條件的不同,也將對(duì)測(cè)出來(lái)的最大干密度及最佳含水率有一定影響,這也導(dǎo)致了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性,從而無(wú)法明確最佳含水率與土的物理性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)規(guī)程中液塑限的測(cè)定均是取通過(guò)0.5mm篩的顆粒進(jìn)行試驗(yàn),而實(shí)際公路工程中使用的土往往含有較多大于0.5mm的顆粒,如此測(cè)得的塑限直接用來(lái)預(yù)估最佳含水率,必然偏離土樣真實(shí)的最佳含水率。

(3)對(duì)于細(xì)粒土,其塑限即使相同,由于黏粒含量的不同,對(duì)水的滲透性也有明顯的差別,這也將影響土的最佳含水率。

通過(guò)以上分析可以看出：僅通過(guò)塑限預(yù)估最佳含水率并不具有可操作性,對(duì)其作進(jìn)一步研究具有較大的實(shí)踐意義。

2 最佳含水率的預(yù)估方法

以下所述內(nèi)容與引用數(shù)據(jù)均限定于《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中的干土法(土不重復(fù)使用)標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)(Ⅱ-1型,筒體積997cm3,27擊,5層),液塑限由聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定(錐質(zhì)量為100g,錐入深度為20mm對(duì)應(yīng)含水率為液限),土的工程分類(lèi)依據(jù)規(guī)程中以下粒組劃分、土的塑性指標(biāo)及土中有機(jī)質(zhì)存在情況來(lái)確定。

(1)細(xì)粒土最佳含水率的預(yù)估方法

由于塑限相同而液限不同的細(xì)粒土的性質(zhì)有明顯的差別,故本論文對(duì)細(xì)粒土的最佳含水率除保留了塑限指標(biāo)外,還增加了液限這一指標(biāo),先通過(guò)土樣篩分析及塑性指標(biāo)將土樣進(jìn)行類(lèi)別的劃分,再根據(jù)土樣類(lèi)別分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

①黏質(zhì)土(小于0.075mm顆粒含量占總土質(zhì)量的50%及以上,塑限指數(shù)在A線以上,即Ip≥0.73(ωL-20))最佳含水率的預(yù)估方法

通過(guò)試驗(yàn)室內(nèi)2017年下半年完成的30組黏質(zhì)土(最大干密度為1.58g/cm3～1.93g/cm3)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析：

得到黏質(zhì)土最佳含水率的預(yù)估公式如下：

ωo(%)=1.0549ωp-11.832

式中：ωo為最佳含水率(%)；ωp為塑限含水率(%)。

以下是試驗(yàn)室2018年隨機(jī)的10組黏質(zhì)土(1～5為高液限土、6～10低液限土)數(shù)據(jù)驗(yàn)算,可以看出通過(guò)預(yù)估公式計(jì)算所得的最佳含水率與實(shí)測(cè)最佳含水率偏差較小。

土樣編號(hào)最佳含水率ωo(%)塑限ωp(%)液限ωL(%)塑性指數(shù)Ipωo (%)=1.0549ωp-11.832偏差115.626563015.60.0220.230582819.80.4317.326532715.61.7413.625522714.5-0.9524.032673521.92.1612.822422011.41.4711.824411713.5-1.7810.32043239.31.0913.725462114.5-0.81010.2202999.30.9

②粉質(zhì)土(小于0.075mm顆粒含量占總土質(zhì)量的50%及以上,塑限指數(shù)在A線以下,即Ip<0.73(ωL-20))最佳含水率的預(yù)估方法

通過(guò)試驗(yàn)室內(nèi)2017年下半年完成的26組粉質(zhì)土(最大干密度為1.66g/cm3～1.90g/cm3)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析：

得到粉質(zhì)土最佳含水率的預(yù)估公式如下：

ωo(%)=1.0147ωp-15.262

式中：ωo為最佳含水率(%)；ωp為塑限含水率(%)。

以下是試驗(yàn)室2018年隨機(jī)的10組粉質(zhì)土(11～15為高液限土、16～20低液限土)數(shù)據(jù)驗(yàn)算,可以看出通過(guò)預(yù)估公式計(jì)算所得的最佳含水率與實(shí)測(cè)最佳含水率偏差較小。

土樣編號(hào)最佳含水率ωo(%)塑限ωp(%)液限ωL(%)塑性指數(shù)Ipωo=1.0147ωp-15.262偏差1114.429532414.30.11219.633653217.71.91319.333582517.71.61416.832592716.80.01516.332572516.8-0.51610.927451812.6-1.71712.028471913.4-1.41813.728451713.40.31914.131481716.0-1.92015.929431414.31.6

(2)粗粒土(小于0.075mm顆粒含量占總土質(zhì)量的50%及以下)最佳含水率的預(yù)估方法

由于液塑限試驗(yàn)中,均是取通過(guò)0.5mm篩的顆粒進(jìn)行試驗(yàn),而粗粒土(小于0.075mm顆粒含量占總土質(zhì)量的50%及以下)的塑限將隨著砂礫含量的增加而相應(yīng)地減小,故對(duì)粗粒土進(jìn)行最佳含水率預(yù)估時(shí),不能簡(jiǎn)單地根據(jù)塑限進(jìn)行判定。通過(guò)2017年下半年完成的30組粗粒土(最大干密度為1.72g/cm3～2.13g/cm3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察分析,其最佳含水率與液限的關(guān)系成一定比率關(guān)系,通過(guò)繪圖擬合：

得到粗粒土最佳含水率的預(yù)估公式如下：

ωo(%)=0.3002ωL+0.2182

式中：ωo為最佳含水率(%)；ωL為液限含水率(%)。

由于回歸方程中的常數(shù)較小,對(duì)預(yù)估土樣的最佳含水率影響較小,故可忽略不計(jì),取預(yù)估最佳含水率與液限的關(guān)系為0.3倍,即：ωo≈0.3ωL

用2018年隨機(jī)的15組粗粒土數(shù)據(jù)(21～25為黏土質(zhì)砂、26～30為粉土質(zhì)砂、31～35為礫類(lèi)土)驗(yàn)算結(jié)果如下：

土樣編號(hào)最佳含水率ωo(%)塑限ωp(%)液限ωL(%)塑性指數(shù)Ipωo ≈0.3ωL偏差2114.625452013.51.12211.024391511.7-0.72312.524421812.6-0.12412.826472114.1-1.32510.2212878.41.8268.4192457.21.22713.027371011.11.92811.527451813.5-2.0297.51829118.7-1.23013.527431612.90.63111.229441513.2-2.03213.924492514.7-0.83310.024341010.2-0.23411.428381011.40358.0182136.31.7

3 預(yù)估最佳含水率的影響因素

公路土工擊實(shí)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)條件不盡相同,這都將影響到最佳含水率預(yù)估的準(zhǔn)確性,在實(shí)際運(yùn)用本論文公式預(yù)估最佳含水率時(shí),需隨著重型或輕型擊實(shí)試驗(yàn)方法、干土法或濕土法制備試樣、重復(fù)或不重復(fù)使用土樣、擊實(shí)過(guò)程中的余土高度等而作出適當(dāng)調(diào)整。

(1)重型或輕型擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)分為重型或輕型擊實(shí)兩種試驗(yàn)方法,由標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度是相對(duì)于某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功的最大干密度,也就是說(shuō),不同的擊實(shí)功會(huì)得到不同的最大干密度對(duì)應(yīng)的最佳含水率,并不是絕對(duì)的最大干密度。一定條件下,隨著擊實(shí)功的增加,最大干密度也隨之增大,而最佳含水率則相應(yīng)地減小,即輕型擊實(shí)較重型擊實(shí)得出的最佳含水率大。故在使用輕型法擊實(shí)的時(shí)候,可適當(dāng)提高預(yù)估最佳含水率。

(2)干土法或濕土法制備試樣

土樣的制備方法有干土法和濕土法,而其中干土法又分為風(fēng)干法和烘干法。樣品制備的方法不同,其最佳含水率也會(huì)有一定的差別。一般干土法得到的最佳含水率比濕土法要小,而干土法中烘干法又較風(fēng)干法得到的要小。

(3)重復(fù)或不重復(fù)使用土樣

因?yàn)橹貜?fù)擊實(shí)土樣,會(huì)破壞土中的顆粒,改變級(jí)配,而擊實(shí)后的土樣也很難恢復(fù)到原來(lái)的松散狀態(tài),尤其是塑性土,再次加水拌和難以浸透充分,從而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。故不建議使用重復(fù)土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。

(4)擊實(shí)過(guò)程中的余土高度

擊實(shí)過(guò)程中的余土高度對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果影響,本質(zhì)上是擊實(shí)功的影響。超出試筒的余土高度過(guò)大,實(shí)際的擊實(shí)功則減小,從而使最佳含水率增大。故應(yīng)控制試驗(yàn)過(guò)程中的余土高度不超過(guò)試筒6mm。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)目前預(yù)估最佳含水率的現(xiàn)狀研究、大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,提出了公路土工擊實(shí)試驗(yàn)中預(yù)估最佳含水率的方法,但由于土樣的復(fù)雜性和多變性,所統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能完全反映所有土樣類(lèi)別的性能,故本論文中所提出的預(yù)估公式,仍需要在今后的實(shí)踐中不斷進(jìn)行修正和改進(jìn)。