击实试验中软岩颗粒含水率的分析与研究

2020-03-09李岩李玉贵

水利水电工程设计 2020年4期

李岩李玉贵

目前，在国内进行的粗颗粒土击实试验通常按照我国国家标准GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》或按照水利、水电等行业标准进行；但具体试验方法基本相同，通常做法是：调制粒径小于5 mm 的细颗粒土试样含水率，按试样依次相差2%～3%（主要看5 mm 以下颗粒含量），使居中的一个试样的含水率接近细粒的塑限，而粗颗粒则采用饱和面干的方式。这种将粗、细颗粒分别加水进行制备的方法，操作比较简便，含水率易于控制，而且易于寻找含水率与干密度之间的相关关系，因而一直以来被业内同行所普遍认可和采用。

但随着近年来，软岩筑坝料的普遍采用，在通过试验方法找寻以软岩、极软岩为主的粗颗粒土的最大干密度和最优含水率的击实试验中，却遇到了一个技术问题：做为试样中粗颗粒的软岩、极软岩，其吸水率高达15%以上，甚至高达20%，有的遇水还会部分泥化或完全泥化，这样以来，在配置粗颗粒试样时，再用饱和面干的方式就会导致击实后的试样中出现局部的泥质团块。当所配置的细颗粒含水率小于粗颗粒含水率时，这些由粗颗粒软化、泥化所形成的泥质团块，一方面使得整个试样密实度不均匀，另一方面，也使得试样无法进一步被锤击而变得更密实，从而影响其最大干密度值，这完全背离了击实试验的目的和初衷。

以下从试验方法和原理方面加以分析和说明。

1 试验方法的适用条件及存在的问题

通常情况下，在粗颗粒土的击实试验中，通常有一个潜在的假设：其中的粗颗粒（5 mm 以上）不会被压缩（虽有可能由于锤击而破碎），不会软化、泥化；粗颗粒吸水率通常较小（多在3%以下），在这种情况下，在制备的5 个试样中，粗颗粒始终处于不可压缩的状态下，且表面湿润，在击实过程中易与细颗粒粘结成一体。

当试样中的粗颗粒为软岩、极软岩时，其吸水率一般会很高（12%以上），且吸水后在击实作用下极容易软化、泥化，甚至和细颗粒融为一体，在这种情况下，如果使粗颗粒达到饱和面干，而细颗粒的配置含水率小于粗颗粒的饱和含水率，由于土体自身并不易排水，在击实作用下，粗、细颗粒间的含水率很难达到一致，从而使得击实后的粗颗粒反而成为细颗粒中的较软的泥质团块，而变成较为不密实的部分，试样不能达到最密实的程度。

从以上分析可以看出，粗颗粒由较硬岩、坚硬岩改换为软岩、极软岩，由不可压缩性变为可压缩性，且其压缩性与细颗粒一样，同样与含水率有关，这样再把粗颗粒全部采用统一的饱和状态进行处理，显然是不合适的。要达到整个土样的最密实状态或最大干密度，则必须使粗、细颗粒都要达到最紧密状态（最大干密度）才行。

2 工程实例及分析

在山东沂蒙抽水蓄能电站可行性研究阶段的筑坝料试验中，有两种天然土料作为心墙料，一种为全风化泥岩，一种为粉砂质泥岩，他们的自然吸水率基本在15%～20%。

击实试验前，首先测定了两种岩性（碎块状）的自然吸水率，分别为20.2%和17.5%，然后按照试验规程中的常规做法，将大于5 mm 的粗颗粒浸水进行自然饱和，使其达到饱和面干的状态，然后分别掺入到配置的5 种不同含水率的细颗粒土中，进行击实试验。击实试验结果见表1，击实曲线如图1 所示。

表1 饱和面干法处理粗颗粒后的击实试验结果

图1 WEQ1与WEQ2击实试验曲线

从试验后剖开的试样内部情况来看，存在较多的泥质团块，细颗粒配置较低含水率下尤为明显，显示出软化后的处于软塑状态的泥质团块与周围击实后的细颗粒土在可塑状态上差异较大，不能相融合。对于细颗粒配置含水率较高时，由于土体基本均处于可塑状态，泥化的粗颗粒泥质团块则变得不再突出。

从以上试验过程中出现的现象、产生问题的原因以及对击实试验的试验机理和试验目的的分析，主要存在以下问题：

（1）传统试验中，粗颗粒作为土体的一部分，在试样中作为一个“硬核”的存在，体积始终不变，击实试验过程中只存在细颗粒的密实程度与含水率之间的相关关系。

（2）当软岩粗颗粒遇水软化、泥化时，重锤击实作用下，其体积也会发生改变，由于这种粗颗粒同样具有黏性，因而其密实程度与其含水率也存在一定的相关关系。

（3）由于水分在试样内难以自由流动，粗颗粒和细颗粒各自在不同含水率下经过击实达到各自不同的密实状态。

（4）击实的目的是使整个土体试样（包括粗颗粒和细颗粒）在某含水率下达到最密实的状态，从而使整个土体达到最大的干密度。

（5）由于粗颗粒采取了自然饱和的方式，其饱和含水率基本超过了击实试验的最优含水率，因而粗颗粒部分在配置的各个试样中经过击实均不能达到最大干密度，所以尽管整个土样能够根据击实曲线求得最大干密度和最优含水率，但该最大干密度应小于土样的真正最大干密度，最优含水率应大于实际的最优含水率。

基于上述分析，上述情况可以按照以下两种解决思路进行：

（1）对于粗颗粒按最优含水率配置，使粗颗粒在配置的各试样中始终处于最优含水率状态和最大密实程度。

（2）对于粗颗粒按不同含水率配置，始终保持粗颗粒的含水率与细颗粒一致，这样就保证了击实后的粗、细颗粒处于同一含水率状态下，由于一般土样粗、细颗粒基本为同一矿物成分，尤其是全、强风化岩，粗颗粒经击实破碎、软化泥化后，其击实性能基本相同，这样就保证了其最大干密度和最优含水率的一致性。

在上述两种思路中，第1 种方法的最优含水率预先并不容易判断和准确确定，因而采用第2 种方法更为现实。根据第2 种方法，将上述两种岩性再次进行含水率配置和击实试验，得到如下结果（见表2 和如图2 所示）。

从两种制样方式得出的试验结果以及试验曲线对比（如图3 所示）来看，粗、细颗粒配置相同含水率后，所得的最大干密度有所增大，最优含水率有所减小。当试样小于最优含水率时，若粗、细颗粒配置相同含水率，则试样密度随含水率的增长率会更大些，主要是粗、细颗粒的密实度都同时在提高；而当超过最优含水率时，试样密度随含水率的衰减速率同样也会快些。而若把粗颗粒配置成饱和面干状态，则粗颗粒在各试样中基本处于同一密实状态，只有细颗粒会随含水率的变化密实状态在发生改变，所以变化率相应会小些。