承载比试验中最佳含水率试件制作研讨

夏揆华

（湖南省核工业地质局三0一大队，湖南 长沙 410000）

0 引言

在岩土力学实验中，需要对施工环境下的土体承载和受力等进行模拟，进行CBR试验，而制备最佳含水率试件是CBR试验的难点，制件中受多种因素影响，难以达到预期目标。本文对CBR试验进行分析，探讨影响最佳含水率试件制作的相关因素，准确配制含水率，消除因实验室环境、试验人员等造成的系统误差。

1 背景技术

最佳含水率是指土体在标准击实的情况下，呈现最大干密度状态的含水率，是土工试验的研究重点。在CBR试验中，准确配制目标含水率试件是实验结果精准可靠的前提条件。当前各行业实验室一般都是按标准击实试验得到的最佳含水率进行CBR试件配制，即按标准中规定的含水率配比式计算目标含水率土样所需加水量进行制件。

式中：w——所需加水量，g；mi——含水率wi时的土样质量，g；wi——土样原有含水率，%；w——要求达到的含水率，%。

但在实验室，除了土体性质外，试验条件也是控制含水率的重要因素。按理论计算加水量配制的试件，目标含水率和实测含水率往往差别较大，土样含水率配制方法在实际应用中需要改进[1]。

2 含水率的影响因素

2.1 标准流程

土体的含水率是土体中水的质量与土颗粒质量的比值。根据土工试验标准，为了配置一定含水率的试样，通常是将土样风干，选择合适的筛子对风干土样进行筛分，然后将烘干土样平铺在瓷盘里，按式（1）计算所需加水量，用喷雾器喷洒水，并搅拌均匀，再装入玻璃缸或塑料袋内密封，闷料一夜备用。但在实际应用中因会受到各种因素的影响，该方法所配试件含水率难以达到预期目标。

2.2 影响因素

从土工试验含水率测试来看，影响含水率的主要有以下5个因素。

（1）测试土样的风干含水率。根据含水率计算公式可知，风干含水率对于制备最佳含水率试样具有决定性影响，因此风干含水率的测定一定要精确。如果风干含水率的数据不准确，将会对后期的加水量产生严重干扰。因此需要严格控制风干含水率的测试方法和测试环境。

（2）试样的拌和处理。为了得到目标含水率的试样，需要对试样进行均匀拌和，该过程受到操作人员的影响很大，如果摊铺时土样厚度和喷洒水及搅拌不均匀或搅拌速度过慢导致拌和过程的水分蒸发，会使最终结果不准确。因此需要严格控制拌和效率和均匀度。

（3）实验室的环境。配制最佳含水率试件需要控制实验室的温度和湿度，在制样过程中，湿润土样会长时间暴露在空气中，温度过高将会引起水分蒸发导致含水率发生变化，影响含水率计算的准确性。湿度过高或者过低也会使含水率偏高或偏低。因此需要保持相应的湿度和温度，减少环境因素的干扰。

（4）样本浸润的过程。样本浸润过程是将拌和均匀的试样放置于密封的容器或密封袋中，完成充分浸润。如果在闷料过程中，选择的塑料袋密封性能不佳，厚度不够，容易引发漏料或水分蒸发。如果密封不严，也会造成水分流失，导致实际含水率低于目标含水率，影响最终结果。

（5）击实试验的压实效果。含水率与土样的压实效果、压实方式也有关。如果压实效果偏大，土样受到压实作用，颗粒之间的排列顺序有所调整，导致土样内部密度升高，含水率降低。因此在击实试验中，通常根据项目的需求，选择轻、重两种压实类型。前者的压实度为592.2 kg/m3，可用于堤坝以及水库等项目土样分析；后者的压实度为2684.9 kg/m3，可用于等级较高的公路、机场跑道等压实度要求较高的土样中[2]。

3 最佳含水率试件制作优化

3.1 试验方法改进

结合上文分析可知，人为、设备、环境等因素会影响土工试验试样制备的最佳含水率。笔者在以往研究的基础上，结合CBR试样制备方法实践，提出一种排除外界干扰，达到目标含水率的制备方法。该方法对目前最佳含水率试件的制备方法和流程进行优化，以确保最终试件含水率达到目标值。

3.1.1 实验仪器与样本准备

首先按规范配备试验所用到的仪器设备，然后称量代表性土样，风干土样后，将其碾压至无土团，用圆孔筛对样本土进行筛分，得到满足设定直径的土样，将土样放在铁皮上，混合均匀并静置待用。

3.1.2 测量风干土样的含水率

称量上述土样，采用烘箱法测量土样的含水率，取算术平均值。

3.1.3 土样拌和

根据式（1）计算目标加水量，往喷水装置中加水。控制实验室温度和湿度，将土样摊铺于干净的瓷盆内，拌和均匀后在风干土样上均匀喷水，并迅速拌匀，让水分能够充分渗透进入土样内。保持较快的拌和速度可以减少水分蒸发，均匀喷水可以避免出现泥团或泥块。然后将拌和均匀的土样放入准备好的塑料袋中密封，确保塑料袋无渗漏。为避免泄露，将盛放土样的塑料袋放入密封玻璃缸内，并在玻璃缸外贴上目标含水率的标签。

3.1.4 闷料

将装有土样的玻璃缸放置在阴凉的地方进行闷料，避免温、湿度发生剧烈变化。在闷料完成后，根据相关试验和工程标准，进行击实试验[3]。

3.1.5 击实试验

首先，将闷料后的样品分成5份，将样品分层加入击实筒中，根据规范要求对筒中土样进行击实。其次，取出筒上套环，削掉多余的土，整平样品进行称重。再次，推出样品，按标准要求在试件中部取两份相应质量样品，测量其含水率，取算术平均值。最后，以含水率为横坐标，干密度为纵坐标绘制击实曲线图，查图得到最大干密度和最佳含水率。

3.1.6 最佳含水率试件制作

分别对3种土样进行5组击实试验，以实测含水率为横坐标，目标含水率为纵坐标绘制曲线图，利用实测含水率与目标含水率线性相关性，根据击实最佳含水率查图即可得到新的目标含水率，通过新目标含水率计算制件加水量，然后按此加水量制作试件。

3.2 试验过程及结果分析

本文以粉土、粉质黏土和黏土3种土样为试验样本，其塑限分别为15.9%、19.4%、23.0%。取3种土样各77 kg，经过风干、碾压、拌和处理后，按击实试验要求，预估最佳含水率[4]，分别对3种土样进行5种不同含水率梯度（2%~3%）击实试验，每种土样得到5个不同含水率的样品。从每个试样中心处取出土样两组测含水率，取算术平均值，并与目标含水率进行对比。击实试验含水率及误差试验结果如表1所示。

表1 击实试验含水率及误差试验结果 单位：%

根据表1可知，3种土样平均误差分别为3.63%、3.21%、2.86%，这表明以目标含水率计算的加水量制作的试样，其实测含水率与目标含水率差距较大，可见试样在制作过程中，含水率受到多种因素影响，理论计算的加水量应用于实际需要改进。

为了能精准配制最佳含水率试件，以击实试验中实测含水率为横坐标，目标含水率为纵坐标绘制关系曲线（图1），由图1可以看出目标含水率与实测含水率线性相关，计算可知相关系数均大于0.99。

图1 3种土样的目标含水率与实测含水率关系曲线

把上述击实试验所得3个最佳含水率分别作为实测含水率曲线，查图得到新的目标含水率，以此新的目标含水率按式（1）计算加水量，根据计算得到的加水量喷洒水分到上述备好的风干样土上，拌和、闷料，然后按CBR试验制样方法分别制作30击、50击和98击的试件，取每个试件中心的两组土样测含水率，并取其算数平均值与目标含水率进行对比。优化方法制件的含水率及误差如表2所示。通过比较，可知试件实测含水率和最佳含水率相近，误差很小。

表2 优化方法制件的含水率及误差

4 结语

CBR试验是道路工程筛选回填土必做项目，而制备最佳含水率试件是CBR试验成败的关键。由于影响土中含水率的因素较多，如土风干含水率、实验环境、搅拌、浸润、击实效果等因素均对含水率测量产生影响，使实测含水率和目标含水率不一致，误差较大。本文结合以往的研究和试验经验，对试样含水率的影响因素进行分析，在相对稳定的试验环境中进行击实制样，根据击实试验目标含水率与实测含水率相关特性绘制曲线图，分析得到最佳含水率，可以消除实验室环境、操作人员、试验所用设备等因素带来的系统误差。经过实例研究表明，通过优化后的方法制备最佳含水率试件，其误差较小，可以精准制得最佳含水率试件。该方法简单易操作，具有实际应用价值。