不同土料击实试验研究

刘振明 ，朱首军 ，魏 磊

（1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司黄河西岸土地整治分公司，陕西 西安 710001；2.西北农林科技大学，陕西杨凌 712100）

土作为修筑堤坝地基及基础回填最重要的材料，因此土的物理力学性质是直接影响坝体的主要物理力学性质，在工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标准，以控制填土工程的施工质量，土的最优含水率是指土的最大干密度所对应的含水率。目前国内外对土工击实试验研究的主要目的是直接由土体物性指标得到现场压实中最大干密度和最优含水率[1-4]，但对室内土工击实试验研究相对较少，对室内土工击实试验中预估最优含水率方法的研究则更少。

本文利用预估最优含水率方法对志丹县中粉质壤土和杨凌重粉质壤土进行击实试验研究，得出两种土的最大干密度和最优含水率，以及分析两种土类最优含水率与最大干密度的相似性与不同点，以便为坝体工程设计及安全验收提供参考的数据。

1 研究区概况

志丹县地处陕西省北部延安市西北部，属大陆性季风气候。多年平均气温7.8℃，年极端最高气温37.4℃，年极端最低气温-25.4℃，多年平均降水量511.8 mm。杨凌区位于陕西省关中平原中部，属于暖温带半湿润大陆性季风气候；年平均温度9.0℃～13.2℃，年极端最低气温-18.6℃，年极端最高气温41.2℃；年平均相对湿度70%左右。

2 试验方法与材料

击实试验主要类型有轻型和重型击实试验（见表1）。轻型击实试验主要适用于粒径小于5 mm的土，轻型击实试验单位体积击实功约为592.2 kJ/m3；重型击实试验主要适用于粒径小于20 mm的土，重型击实试验单位体积击实功约为2684.9 kJ/m3。当试样中粒径大于5 mm土的质量小于试样总质量的30%时，且最大粒径不大于25 mm，宜选择轻型击实Ⅰ法或重型击实Ⅰ法；当试样中粒径大于5 mm土的质量大于试样总质量的30%时，且最大粒径不大于38 mm，宜选择轻型击实Ⅱ法或重型击实Ⅱ法。轻型击实试验主要适用于堤防、水库基础等填土工程；重型击实试验主要适用于机场跑道、高速公路、强夯地基等夯击能量较大的填土工程。本次试验选取的杨凌重粉质壤土和志丹中粉质壤土都为细粒土，而且本次试验用做坝体建筑的基础数据，所以选取轻Ⅰ型击实试验法。

表1 击实试验分类表

3 试验方案

3.1 土样采集

土料场选址勘查工作严格按照《水利水电工程地质勘测规范》（GB 50287-99）（中华人民共和国水利部1999）的要求进行操作。土料的采样、运输、保存等工作严格按照《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL 251 2000）的有关规定执行[5-9]。土样采集前先要进行取样点的清表工作，将取样点地表的附着物及腐殖质土等清除掉，清表厚度约1 m，每一个探坑分两层取样（Xij表示 i号探坑的 j层，i=1，2，3，…，5；j=1，2。），每层之间的间距为2 m并且所有实验操作流程严格按照《原状土取样技术标准》（JGJ89-92）的有关要求执行。

3.2 土样制备方法

将采集好的杨凌重粉质壤土和志丹中粉质壤土进行风干，过5 mm的筛，然后测其风干含水率。杨凌重粉质壤土的风干含水率为2.1%，志丹中粉质壤土的风干含水率为1.2%。并根据两种土的塑限预估最优含水率。其中杨凌重粉质壤土的塑限经测定为16.0%，志丹中粉质壤土的塑限经测定为18.5%，因此杨凌重粉质壤土的最优含水率在16.0%左右，志丹中粉质壤土的最优含水率在18.0%左右，并按预估最优含水率，在其两侧依次等阶差2%的含水率制备一组（5个）试样，每组试样需风干土2500g，其中有2个试样含水率会小于塑限，有2个试样含水率会大于塑限，中间一个含水率相对接近塑限。所以配置杨凌重粉质壤土的5个试样的含水率依次为12%、14%、16%、18%、20%，配置志丹中粉质壤土的5试样含水率依次为14%、16%、18%、20%、22%。

试样按下来计算所需加水量：

式中：mω为土壤所需加水量，g；m为风干时土样的质量，g；ω0为风干含水率，%；ω为土样配制的含水率，%。

每组做3个平行试验，把每组7500 g风干土平铺在不吸水盛土盘中，按提前预定含水率用喷水设备往土样上均匀的喷洒所需加水量，然后密封覆盖，静止24 h，以备击实使用。

3.3 试样的击实过程

①将击实仪放在地面上，击实筒内壁和底板连接时要涂一层凡士林。

②分三层击实，取制备好的土样700 g，分层装入筒内进行击实，击实过程中要保证每层均匀击实27次，而且每一次击实锤的落距为30 cm。击实后的每层试样高度要大致相同，每层的交接面要刨毛。击锤应垂直下落，击实锤在桶内顺时针转动，均匀分布于土面上，击实成型后试样超高控制小于6 mm。

③沿击实筒顶部用切土刀细心修平试样，拆除底板，试样底面如果超出筒外，应用切土刀修平。称量土体加套环的总重量，称量准确至0.01 g。

④测定含水率，用推土器推出筒内试样，在土样中心处取三个约20 g～30 g的土样，平行测定其含水率。

3.4 数据处理与计算方法

根据下式计算击实后各点干密度和含水率：

式中：pd为干密度，g/cm3；P 为密度，g/cm3；Ω 为含水率，%。

将干密度作为纵坐标，将含水率作为横坐标，绘制干密度与含水率的关系曲线，进而求得两种土的最大干密度和最优含水率。

4 数据处理

4.1 杨凌重粉质壤土壤土的数据处理

通过不同含水率杨凌重粉质壤土的击实试验，得出杨凌重粉质壤土平均干密度和平均含水率数据表2以及平均干密度和平均含水率关系曲线图1。

图1 杨凌重粉质壤平均土干密度与平均含水率关系曲线

由图1可知，杨凌重粉质壤土最大干密度为1.740 g/cm3，最优含水率为17.2%。

4.2 志丹中粉质壤土的数据处理

通过不同含水率志丹中粉质壤土的击实试验，得出志丹中粉质壤土平均干密度和平均含水率数据表3以及平均干密度和平均含水率关系曲线图2。

图2 志丹中粉质壤土干密度与含水率关系曲线

由图2可知，志丹中粉质壤土最大干密度为1.689 g/cm3，最优含水率为15.2%。

表2 杨凌重粉质壤土干密度和含水率数据表

表3 志丹中粉质壤土平均干密度和平均含水率表

4.3 结果与分析

对比两种土的击实曲线（图3）可以看出志丹中粉质壤土的最大干密度和最优含水率均小于杨凌重粉质壤土的。由于相同体积的两种土，志丹中粉质壤土颗粒数明显比杨凌重粉质壤土的多，所以土粒间的孔隙数量也比杨凌重粉质壤土的多，所以杨凌重粉质壤土的最大干密度大于志丹中粉质壤土的最大干密度。而在最优含水率的情况下，土粒周围结合水膜的厚度相近，杨凌重粉质壤土比志丹中粉质壤土土粒较多，所以最优水率较高。

图3 杨凌重粉质壤土和志丹中粉质壤土平均干密度与平均含水率对比图

5 结论与讨论

5.1 结论

土壤的干密度，随含水率的增加而增加，但是当达到一个峰值时，土壤的干密度就随含水率的增加而减小了。杨凌重粉质壤土的最大干密度为1.740 g/cm3，最优含水率为17.2%；志丹中粉质壤土的最大干密度为1.689 g/cm3，最优含水率为15.2%。

土料含水率在最优含水率前后时，含水率对干密度的影响具有相似性，说明土料含水率在最优含水率前后时，含水率对压实质量的影响具有相似的敏感性。

5.2 讨论

由于时间和其他各种客观因素的限制，本研究存在不少需要改进的地方：

（1）本试验的目的是求得最大干密度和最优含水率，这两个指标在坝体建筑和检验中十分重要，但是单纯由这两个指标来判断坝体的好坏，有些牵强，应该与其他指标，如渗透系数、固结系数等结合起来进行综合的比较。

（2）本次击实试验中，虽然尽最大可能避免了人为的误差，但是最优含水率的预估失误，绘出的曲线图为偏态，所以进行了补点，在一定程度上造成了误差。