含砾细粒土最大干密度试验研究★

2020-07-23张忠裔徐海波

山西建筑 2020年15期

张忠裔徐海波李博

(1.安徽省建筑工程质量监督检测站，安徽合肥 230000；2.安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院，安徽蚌埠 233000； 3.黄河水利水电职业技术学院，河南开封 475000)

1 概述

为评价土方填筑质量，施工前都会对工程选取的土料进行击实试验，用于确定该土料的最大干密度和最优含水率[1]。现有规范[2]规定了粒径小于5 mm的细粒土和粒径小于60 mm的粗粒土击实试验方法，而对于粒径大于60 mm的粗粒土仅列出了剔除法、等量替代法、相似级配法等几种土样制备方法，但如何对试验结果进行处理并未详细阐述。由于地质、环境等因素的影响，丘陵、山区地区的土体中往往掺杂了较多的粒径不等的砾石，如何确定含砾细粒土的最大干密度是工程质量控制和评价过程中亟需解决的难题。本文通过安徽南部山区某堤防工程实例，对工程中涉及的含砾细粒土通过多次室内对比试验，在击实试验及颗粒分析试验的基础上，对土样最大干密度的确定进行分析论证，推测出其与超粒径土含量之间的直接或间接关系，进而确定土料的最大干密度值。研究成果对含砾细粒土碾压质量控制具有指导意义。

2 研究现状

通过国内外学者的系统研究，对细粒土击实特性已形成了较系统的成果，并在工程中广泛应用。对粗粒土最大干密度研究主要集中在试验仪器选型和试验结果归纳分析两个方面，按照不同粒径的试验土样，选择相对应的试验仪器，对含有超大粒径的土料，采用加大试验仪器的容器尺寸和击实动力的方法，达到试验效果；研究结果的归纳分析方法是通过室内试验，在现有的试验条件下对土样的最大干密度进行确定，再以试验数据为基础，推测出最大干密度与土料中超粒料含量之间的关系；国内学者朱崇辉[3]就曾经针对粗粒土进行了多次试验研究，得到粗粒土最大干密度与超粒径土含量之间存在线性相关性，并提出了通过系列延伸法间接求取超粒径粗粒土最大干密度的方法。

SL 237—1999土工试验规程[2]对于超粒径土最大干密度的确定提出了剔除法、等量替代法和粗粒土击实试验三种方法。剔除法是将超粒径颗粒剔除；等量替代法是根据仪器允许的最大粒径以下和粒径大于5 mm的土粒，按比例等质量替换超粒径颗粒；粗粒土击实试验是用标准击实法测定粗粒土的含水率与密度的关系，从而确定其最优含水率与相应的最大干密度。

由于仪器尺寸的限制，直接测定超粒径粗粒土干密度难度较大，相关学者提出采用间接法推求超粒径粗粒土最大干密度。国内学者史彦文[4]提出了相似级配系列延伸法；田树玉[5]提出了渐近线辅助拟合法；郭庆国、刘贞草[6]提出了等量代替级配系列延伸法。当然近年来一些研究者[7-9]从其他一些角度在间接法上，也取得了一定的研究成果。

上述研究的对象主要是粗粒土，而对于含砾细粒土最大干密度研究方面目前没有较多的成果可以借鉴，但粗粒土的研究方法为含砾细粒土的研究提供了思路。

3 试验研究

试验土料来自于安徽南部山区。为分析砂砾石含量与土料最大干密度间的关系，试验前采用逐级剔除法对大颗粒砾石进行剔除，每一级剔除后均进行击实试验，绘制不同砂砾石含量与最大干密度的关系曲线，从而推算出土料的最大干密度，即为同比例延伸法。击实仪为粗粒土击实仪，击实筒直径30 cm，高度28.8 cm，击锤质量为15.5 kg；对于超粒径(最大粒径不小于60 mm)土料采用同比例延伸法进行推算。

试验方法如下：

1)风干土样：按照SL 237—1999土工试验规程的规定进行操作，将土样置于橡皮板上风干，用木锤将土块及附在粗颗粒土上的细粒土敲散，试验过程中避免破坏土体的天然颗粒结构。

2)颗粒级配：将全部土样依次过筛，按大于100 mm，100 mm～80 mm，80 mm～60 mm，60 mm～40 mm，40 mm～20 mm，20 mm～10 mm，10 mm～5 mm，小于5 mm分组并称其质量，计算各粒组含量百分数，图1为土料的颗粒级配曲线。由于本次试验仪器设备较大，最大干密度试验最大粒径可达到60 mm，故将超过60 mm粒径的颗粒料作为超粒径处理。

图1中T1曲线为土料原始的级配曲线，从图1中可以发现T1中超过60 mm的粒径含量为9.7%；然后逐级剔除60 mm，20 mm，10 mm，5 mm的粒径，分别得到曲线T2，T3，T4，T5。根据级配曲线可知，T2，T3，T4，T5土料的剔除百分量分别为原级配土料T1的9.7%，19.6%，32.2%，40.1%。

3)试样制备：根据颗粒级配曲线，计算各粒组应取的风干土质量，将各个试样分别置于不吸水平板上；根据小于5 mm土样的液塑限确定土料所需加水量，并用喷水设备均匀喷洒；拌合均匀后，密闭存放24 h。

4)试验击实：取制备好的土样，分层填装，然后击实，每层击实后，将表面刨毛，且控制最后一层的顶面超过击实筒顶面15 mm。

5)测定含水率：击实完成后从试样中部取2 kg～5 kg混合土样测定其含水率。

6)绘制击实曲线图，得到土料的最大干密度以及最优含水率。

为对比砂砾细粒土击实试验成果，在原来料场附近领取一组土料按上述方法进行对比试验，即原土料试验样定名“1号”，对比试验土样为“2号”；两组土料的剩余土料百分含量与最大干密度的关系曲线见图2。

4 试验结果分析

相关文献表明，针对粗粒土的最大干密度可采用延伸法进行推定。延伸法是将受试验条件限制的超粒径粗粒土在粒径上进行缩小，使试验土样最大粒径符合相关规范中试验要求的最大粒径，在此基础上，对可试验范围内的粗粒土进行不同试验条件的最大干密度试验，通过分析数据，寻找其中的规律性，再将试验结果规律进行外推，从而间接求出原级配超粒径粗粒土的最大干密度。由图2中可以看出，随着剩余土料百分含量的增大，土料的最大干密度值逐渐增大，两者基本呈线性关系。并通过计算发现1号土样的R2=0.989 2，2号土样的R2=0.986 8，两种土样的试验结果拟合优度较大线性关系强烈，因此含砾细粒土可以采用延伸法推求最大干密度。具体如下：对于一个需要求取最大干密度的含砾细粒土，利用两点确定一条直线的几何思想，将超粒径部分剔除，并计算出剩余百分含量进行试验；然后将可试验范围内的土料中大于某粒径的颗粒料剔除，并计算出相应剩余总百分含量进行试验，根据2次试验结果外推，求出原级配超粒径含砾细粒土的最大干密度。图2中，1号和2号土样的击实试验结果表明，采用同比例缩放后的土料最大干密度与剔除超粒径后剩余土料之间呈线性关系，证实了同比例延伸法求含砾细粒土的最大干密度值的合理性。

鉴于是通过同比例延伸进行外推，为了减少误差，应在原先的基础上做适当的延伸，例如本次试验的最大粒径为60 mm，对于超粒径可适当外推并加以验证，对于是否应用于更大粒径、土料更加复杂的含砾细粒土，还有待于进一步研究。

本次试验主要针对安徽南部山区的含砾细粒土，不排除因为地域的不同土样的物理力学性质等工程指标的差异，以及试验仪器等因素对试验结果的影响。但只能说误差是随机的，只有做足够多的试验，才能将整体误差降到最低，从而得到一定的结论。