土料的击实特性及其击实后的力学性质

沈英朋，陆海玉，刘 猛，田桂莉，侯玉松，蒋伟春

(1. 招远市水利勘测设计院，山东 烟台 265400；2. 山东省水利勘测设计院有限公司，山东 济南 250013；3. 济南大学 水利与环境学院，山东 济南 250022；4. 中天昊建设管理集团股份有限公司，山东 东营 257091)

土料是工程建设中的重要材料。在我国水利水电、道路桥梁等建设工程的不断发展中，多采用室内试验测定土料的物理力学指标，而击实作为一种普遍的施工方法，被广泛应用于回填和筑堤土料的工程质量控制[1]。

通过室内击实试验得到土料的击实试验曲线是获得土料最大干密度的经济、有效手段。压实度是野外实际达到的干密度与室内击实试验所得最大干密度的比值。工程上通过控制一定的压实度保证土体的密实程度。通过室内击实试验制备符合一定压实度的击实后土样后进行压缩和剪切等力学性质试验[2-4]，可以掌握土料在达到某压实度后的力学性质。土料的击实试验曲线会受到土料的类型、土料的颗粒级配、击实功、余土高度、尺寸效应、试验人员的经验等诸多因素的影响，因此不同土料表现出不同的击实效果[5-10]。已有研究中虽然较多地对击实试验结果的影响因素进行了分析，但是对击实试验结果的分析不够系统，并且对土料击实后的力学性质的研究较少。为了完善试验规范中击实试验操作规程，帮助土工试验从业人员更深入地理解击实试验原理，进而提高理论水平，并指导野外填土工程施工，本文中针对某水利工程勘察范围内不同类型的土料进行击实试验，获得土料的最大干密度和最优含水率指标，然后按压实度进行击实后土样的力学性质试验，探索土料击实后的力学性质，从而为实际工程诸如利用土料筑堤、回填地基等提供相应的参数，作为野外填土工程设计和施工等的参考。

1 土样的基本特性

本文中6种土样取自某水利工程沿线深度3.0 m范围内的浅层土，6种土样的颗粒组成如表1所示。

表1 土样的颗粒组成

2 试验

2.1 土样与击实后土样的制备

按照国家标准GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[11]中有关规定，制备击实试验所用土样和压缩试验、三轴剪切试验所用击实后土样。本文中采用轻型击实试验，利用干法制备击实试验所用土样。取代表性土样风干到一定含水率，避免烘干土样时因黏粒含量差异而对最大干密度产生影响。将利用四分法所得土样风干后，过孔径为5 mm的筛，称取拌合均匀后的风干土样，质量为2 200 g。配制不同含水率的土样后，密封于不透气的塑料袋中12 h以上，以备进行击实试验。

在击实试验中，由每种土样制得一组击实土柱。根据每组击实土柱的干密度和对应的含水率，绘制对应土样的击实曲线。利用击实试验结果得到每种土样的最大干密度后，每种土样均按照压实度为0.95计算控制干密度，并在所得击实曲线中查找对应的控制含水率，计算制备击实后土样所需加水量，加至与该种土样对应的留土中，同样密封12 h以上后，在每种用于制备击实后土样的3个代表性位置处复测实际含水率。当实测含水率等于计算含水率时，按击实试验方法进行击实，制得符合压实度的击实后土样。

制备击实后土样时，土样内所需加水量计算公式[11]为

(1)

式中：mw为制备击实后土样时所需加水质量，g；m0为风干后土样质量，g；w0为风干土样含水质量分数，%；w′为击实后土样所需达到的含水质量分数，%。

2.2 试验方法

首先进行击实试验，得到每种土样的一组击实土柱。所用击实仪的内径为102 mm，筒高为116 mm，容积为947.4 cm3，护筒高度为50 mm。在对每种土样的每个击实土柱进行击实前，都在击实筒内壁涂抹一薄层润滑油，原因是在击实筒的底板涂抹润滑油有时会因含水率及土类的不同而导致击实后有较多余土残留在底板上，因此为了保证击实土柱底部的完整性，本次击实试验中只在击实筒内壁涂抹润滑油。为了保证击实试验结果的相对稳定性，每种土样的每个击实土柱由固定试验人员分3层进行击实，层与层的交界处作刨毛处理，控制每层的高度，使击实第3层后的余土高度不超过6 mm。击实完成后，沿击实筒的边沿修平击实土柱两端，擦净筒外壁后称量，然后利用推土器将击实土柱推出。切去每个击实土柱周围及上下两端的余土，然后在击实土柱中心的不同位置处取有代表性的3份进行含水率测定，绘制干密度与含水率的关系曲线，即击实曲线。在根据击实试验结果制得的击实后土样上切取环刀样和三轴土柱，分别利用北京华勘科技有限责任公司研发的全自动三轴压缩试验、固结试验系统进行三轴剪切试验和压缩试验，并结合该公司研发的KTG软件中三轴压缩试验、固结试验数据处理部分进行三轴剪切试验和压缩试验数据分析。

3 结果与分析

3.1 击实试验

击实试验所得6种土样的击实曲线如图1所示。从图中可以看出，6种土样的干密度均先随着含水率的增大而增大，当干密度增至一定值时，随着含水率的增大，干密度开始减小。根据每种土样击实曲线的峰值点，可以得到该种土样的最大干密度以及相应的最优含水率。6种土样的最大干密度和最优含水率如表2所示。

图1 土样的击实曲线

表2 土样的最大干密度和最优含水率

从图1中可以看出，根据6种土样的击实曲线，可将6种土样分为2组：土样1、2、3为第1组，土样4、5、6为第2组。从表2中可以看出，相对于第2组土样，第1组土样的最大干密度较小，同时第1组土样对应的最优含水率较大。从表1中可以看出，第1组土样中黏粒含量较多，黏性较强，而第2组土样中黏粒含量较少，黏性较弱。当黏粒含量在同一范围内时，击实曲线较相似。从图1中还可以看出，6种土样的击实曲线基本呈顺滑的下凹趋势，但是土样5的击实曲线左侧有平缓下凸趋势。研究[7]表明，当得到全压实曲线时，在最优含水率的左侧干侧区域内，击实曲线随含水率的减小而变得平缓，干密度趋于常数，即干侧区域的干密度界限值。土样5击实曲线的左侧呈平缓趋势，说明土样5的最干点较接近干侧的干密度界限值。虽然可以将击实曲线分为2组；但是即使是颗粒组成相近的土样，击实曲线的离散性也较大，因此在对土料的击实特性进行研究时，不能只根据土样的单一的黏粒含量或颗粒组成相同就认为土料的击实特性相同。颗粒组成会影响击实曲线及击实试验结果，但是存在一定的离散性，即使是定名相同的土料或黏粒含量接近的土料，最大干密度也会有所不同。根据1节中制备符合压实度的击实后土样的方法，所制得击实后土样的基本物理指标如表3所示。

表3 击实后土样的基本物理指标

3.2 压缩试验

对击实后土样取环刀样后进行压缩试验。利用全自动固结试验系统自动采集各级压力时的变形量，分别计算初始孔隙比e0和第i(i=1, 2, 3, 4, 5，对应压力为50、100、200、300、400 kPa)级压力时固结稳定后的孔隙比ei，计算公式[11]为

(2)

(3)

式中：ρw为水的密度，g/cm3；Gs为土粒比重，即土粒与等体积4 ℃纯水的质量比；wc为击实后土样的控制含水质量分数，%；ρ为击实后土样的密度，g/cm3；∑Δhi为第i级压力时击实后土样的高度总变形量，cm；h0为击实后土样的初始高度，cm。

图2所示为击实后土样的孔隙比-压力曲线。从图中可以看出，黏粒含量较多的第1组击实后土样的压缩曲线位于黏粒含量较少的第2组击实后土样的压缩曲线上方，说明第1组击实后土样的初始孔隙比以及在同一级压力时的各孔隙比都大于第2组击实后土样的。主要原因是由击实试验及压实度确定的第1组击实后土样的初始干密度更小，黏粒含量更多，颗粒表面附着的结合水更多，固体颗粒所占的空间相对更少。

图2 击实后土样的孔隙比-压力曲线

由图2可得单位压力增量所引起的孔隙比的变化，即反映土料压缩性的压缩系数。工程中常利用压力区间100～200 kPa对应的压缩系数评价土料的压缩性，计算公式[11]为

(4)

式中：a1-2为压力区间100～200 kPa对应的压缩系数，MPa-1；p1、p2分别为100、200 kPa这2级压力；e1、e2分别为压力为100、200 kPa时的孔隙比。

击实后土样的压缩系数如表4所示。从表中可以看出，黏粒含量较多的第1组击实后土样的压缩性比黏粒含量较少的第2组击实后土样的强。主要原因是第1组击实后土样的初始孔隙比较大，初始密实度较小，同时由表3可知，第1组击实后土样的初始含水率较大，因此在相同的压力增量时，孔隙中的水排出更多，土样更易被压缩，即压缩性较强。

表4 击实后土样的压缩系数

3.3 三轴剪切试验

土料的抗剪强度受到多重因素的影响，如颗粒组成、黏粒含量、密度、含水率、土的结构等。利用全自动三轴试验系统，对击实后土样进行三轴剪切试验，根据所得三轴剪切试验数据，利用KTG软件绘制莫尔圆，得到击实后土样的黏聚力和内摩擦角。图3所示为击实后土样的黏聚力、内摩擦角与土样最大干密度的关系。

从图3(a)中可以看出，随着最大干密度的增大，总黏聚力和有效黏聚力可能增大也可能减小，规律性不明显，但是总体来说，黏聚力随最大干密度的增大有减小的趋势。原因是当压实度相同时，最大干密度越大，则击实后土样的干密度越大，而干密度较大时，含水率较小，导致黏聚力减小。同时，黏粒含量有所不同，水和黏粒含量的联合效应对黏聚力的影响大于干密度对黏聚力的影响。影响黏聚力的因素较多，颗粒级配、干密度等都会对黏聚力产生影响。各因素相互作用，当某种因素占主导地位时，击实后土样的黏聚力则主要由该因素决定。从图3(b)中可以看出，随着最大干密度的增大，各击实后土样的总内摩擦角和有效内摩擦角表现出较好的规律性，总体趋势是随着干密度的增大，内摩擦角逐渐增大。这是因为密实度是影响内摩擦角的主要因素[10]，当干密度增大时，土颗粒形成的骨架结构更致密，土样更密实，所以决定内摩擦角的土颗粒间的摩阻力及咬合力[10]更大。

(a)黏聚力

(b)内摩擦角图3 击实后土样的黏聚力、内摩擦角与土样最大干密度的关系

4 结论

本文中选取6种土样进行击实试验及击实后的压缩和三轴剪切试验，探讨击实试验原理，并分析击实后土样的力学性质，得到以下主要结论：

1)土样的击实试验结果表明，土样的击实曲线可以分为黏粒含量较多的土样和黏粒含量较少的土样2组，黏粒含量相近的土样的击实曲线特性较接近，说明黏粒含量对击实曲线有一定影响，但是即使颗粒组成接近的土样的击实曲线也是有差异的，说明击实试验的结果不完全由颗粒组成决定。

2)击实后土样的压缩试验结果表明，相对于黏粒含量较少的击实后土样，黏粒含量较多的击实后土样的初始孔隙比和各级压力时的孔隙比都较大，并且压缩性较强。

3)击实后土样的三轴剪切试验结果表明，最大干密度对黏聚力的影响规律性较差，最大干密度与内摩擦角之间的关系有较好的规律性，说明干密度对黏聚力的影响受到其他因素的综合作用较大，但是在对内摩擦角的影响因素中起主导作用。