土的击实试验指标相关分析

潘新欣

（河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司，天津 300250）

南水北调东线二期工程规划在东线一期工程的基础上扩大规模，计划向北延伸，依次经过区域为：临吴渠、临泊渠、沧州绕城。线路所经区域的地势总体自西南向东北缓慢倾斜。区域内河流较多，由于历史上河流泛滥和黄河改道，沉积物交错分布，形成许多缓岗、微斜平地和低洼地。

由于筑堤的填筑土料主要来自渠道开挖料和沿线附近布置的取土场。经勘察表明，在勘察深度内，揭露的筑堤土料地层为第四系全新统人工堆积的素填土和杂填土，第四系全新统冲湖积和第四系上更新统上段冲洪积的壤土、砂壤土、黏土、粉质黏土和粉细砂层。为检验筑堤土料的碾压特性，现场采集了151组土料样品进行了室内物理和击实特性试验，统计分析了各类指标之间的关系。

1 击实试验概况

依据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》标准，采用轻型击实试验方法，单位体积击实功约592.2kJ/m3。试样采用干法制备；设备采用南京土壤仪器厂生产的JDS-1型电动数控击实仪。

2 试验数据的统计分析

现场采集的土料样品主要来源于为临吴渠、临泊渠、沧州绕城沿线和附近料场，岩性以少黏性土和黏性土为主，主要包括砂壤土、壤土、粉质黏土和黏土4类。试验室对每一组土料样品分别进行了颗粒分析、液塑限和击实试验。按照颗粒分析结果对土料样品进行分类，并对各类土料样品的物理和击实试验指标进行统计，其结果如表1。

表1 土的试验指标汇总统计

由表1可知：在采集的151组土料样品中，壤土61组，占总数的40.4%；粉质黏土58组，占总数的38.4%；黏土25组，占总数的16.6%；砂壤土7组，占总数的4.6%。由于受实际工程项目的限制，各类土的样品试验数量的权重存在差异。

3 击实试验指标相互之间关系

击实试验指标主要包括最优含水率与最大干密度，两者也是筑堤过程中土料碾压质量的主要控制指标。

3.1 最大干密度与最优含水率相关关系

依据土料样品的分类，统计各个土类的最优含水率和与之对应的最大干密度平均值。以最优含水率为横坐标、最大干密度为纵坐标绘制最大干密度与最优含水率的关系曲线，并求得两者之间的相关关系式，如图1。

图1 最大干密度与最优含水率关系曲线

从图1可看出：土料的最大干密度与最优含水率成反向关系，最优含水率越大其最大干密度越小。从土料的土类来看，按其顺序：砂壤土、壤土、粉质黏土、黏土，土料的最大干密度越来越小，最优含水率越来越大。

3.2 关系式可靠性分析

对图1中绘制的4个点进行分析：由于采用线性拟合的关系式相关性较差，所以采用二次曲线进行拟合，得出的关系式为ρdmax=-0.0010ω2op+0.0199ωop+1.6428。二次曲线关系式的相关系数R2=1.0000，说明在此关系式下，不同土类的最大干密度与其最优含水率高度相关。

把4类土的平均最优含水率代入拟合得到的二次关系式中进行计算，把得出的最大干密度与试验所得最大干密度进行对比，绝对误差为0，其结果也表明拟合得到的关系式的可靠性，如表2。

表2 关系式计算值与击实试验指标统计值比较

4 击实试验指标与液塑限之间关系

土料液限、塑限指标的大小是其自身颗粒组成、矿物成分等方面的综合性能反映，因此土料液塑限指标的差异也能间接反映出土料击实试验指标的差异。

4.1 击实试验指标与液塑限之间的关系

依据151组土料样品试验成果，分别按砂壤土、壤土、粉质黏土和黏土计算出不同土类的液限、塑限与相对应的最优含水率和最大干密度的平均值。以液限和塑限为横坐标，分别以最优含水率和最大干密度为纵坐标建立直角坐标系，如图2，图3。

图2 最优含水率与液（塑）限关系曲线

图3 最大干密度与液（塑）限关系曲线

从图2可看出：最优含水率与液限、塑限具有良好的线性关系。最优含水率的大小随液限或塑限的增加而增加，呈正向关系，且随塑限增加的速率大于随液限增加的速率。

从图3可看出：最大干密度与液限、塑限具有良好的二次曲线关系。最大干密度随液限或塑限的增加而降低，成反向关系，且随塑限增加而降低的速率大于随液限增加而降低的速率。

通过对图2和图3的分析还可知：最优含水率和最大干密度均对塑限的变化更敏感。

4.2 关系式可靠性分析

最优含水率与液限的线性关系式为：ωop=0.4165ωL+5.9995，R2=0.9866；最优含水率与塑限的线性关系式为：ωop=0.9249ωp+1.0327，R2=0.9950。最大干密度与液限的二次关系式为：ρdmax=-0.0004ω2L+0.0199ωL+1.4453，R2=0.9989；最大干密度与塑限的二次 关 系 式 为：ρdmax=-0.0016ω2p+0.05ωp+1.3112，R2=0.9996。所有关系式的R2值大于0.99或接近0.99，说明在此拟合的关系式下，两者具有良好的相关性。

把液限和塑限带入拟合的相应关系式中分别进行计算，比较最优含水率和最大干密度的计算结果与实际统计结果之间的误差，如表3。

表3 关系式计算值与击实试验指标统计值比较

通过表3可知：最优含水率的计算值与试验统计值的误差在±0.4%范围内，没有超过试验测定含水率的允许误差（规范要求：±1.0%）；最大干密度的计算值与试验统计值误差在0.00～0.03g/cm3范围内，没有超过试验测定密度的允许误差（规范要求：±0.03g/cm3）。因此，上述拟合的关系式是可靠的。

如果以各类土的塑限为参考值，在评价土料的最优含水率和塑限的差值时，通过表3可知：砂壤土的最优含水率与其塑限的差值为0%；壤土的最优含水率与其塑限的差值为-0.6%；粉质黏土的最优含水率与其塑限的差值为-1.1%；黏土的最优含水率与其塑限的差值为-0.7%。所有土类的最优含水率均不大于各自的塑限，其中黏性土差值较大一些。

5 最大干密度与颗粒级配之间关系

评价土的颗粒级配的优劣有两个重要指标：不均匀系数Cu和曲率系数Cc。在同一地区，如果土的地质成因相同，那么，土的不均匀系数和曲率系数就是影响其击实特性的主要因素。不均系数的大小反映出土颗粒粒径的分布范围，曲率系数的大小反映出土颗粒级配曲线的形态。在现行的规范中规定，能够较易达到碾压密实，级配良好的土料应同时满足两个基本条件，即：Cu≥5，Cc在1～3之间。

由于受试验条件限制，黏土类土未测出d10值，因此，本文仅分析砂壤土、壤土、粉质黏土的击实特性指标与颗粒级配的相关关系，如图4，图5。

图5 最大干密度与曲率系数关系曲线

从图4可以看出：在所取的土料样品中（不包括黏土），土料击实试验的最大干密度随不均匀系数的增大而降低，成反向关系，变化程度逐渐趋缓。

从图5可以看出：在所取的土料样品中（不包括黏土），土料击实试验的最大干密度随曲率系数的增加而增加，成正向关系，变化程度逐渐趋缓。

从图4、图5的分析中还可得出：当土料颗粒级配的不均匀系数Cu≥5时，不是Cu值越大越好，只有同时满足Cc值在1～3之间的情况下才能得到较好的击实效果。本文中砂壤土、壤土的颗粒级配的不均匀系数分别为7.3和9.1，曲率系数分别为2.2和1.8，其击实最大干密度分别为1.69g/cm3和1.67g/cm3，击实效果较好。尽管粉质黏土类颗粒级配的Cu值为21.3，远大于5，但是，由于其颗粒级配的曲率系数值为0.8，不满足其值在1～3之间的条件，所以，击实效果相对一般，击实最大干密度仅1.56g/cm3。

6 结语

（1）利用实际工程土料样品的击实及相关试验成果，分析了击实试验指标之间及与液塑限、颗粒级配之间的相关关系，得出了相关度较好的拟合关系式。

（2）在开展土料的击实试验项目受限时，可以采用本文得到的关系式，通过液限、塑限或颗粒级配的成果间接确定击实试验指标，初步判断土料的碾压特性或填筑土堤的质量。

（3）由于拟合的多项式存在局限性，在地质条件较为复杂的大型土料场，应补充击实试验成果，完善、修正多项式，使其更加符合实际情况。