如何准确预估室内土工击实试验中的最佳含水率

李丽英

(厦门市交通建设工程检测有限公司,福建 厦门 361000)

在公路建设工程中,土作为路基填筑加固及基础回填的主要材料,其夯实与压密性能,对工程的安全性与稳定性有着重要的影响。故需要通过室内土工击实试验,得到土样含水率与干密度的关系曲线,从而确定最大干密度及其相应的最佳含水率,作为工程设计或现场施工控制时配置含水率提供可靠的参考数据。而在土工击实试验过程中,如何准确预估土样的最佳含水率,从而能一次性配置合理的土样含水率与干密度的关系曲线,是整个试验中最难把握的部分,也是提高试验效率的关键部分。

1 研究现状

目前《土工试验方法标准》GB∕T 50123-1999中预估最佳含水率的方法为“根据土的塑限预估最优含水率”,而《公路土工试验规程》JTG E40-2007中表示“最佳含水率约等于或略大于塑限”。根据经验可得知,依据土的塑限预估最佳含水率往往与实测出来的值相差甚远,究其原因有以下3点：

(1)击实试验除重型法与轻型法的击实功不同外,制样方法、仪器设备规格与尺寸、分层与击数等试验条件的不同,也将对测出来的最大干密度及最佳含水率有一定影响,这也导致了试验数据的离散性,从而无法明确最佳含水率与土的物理性之间的对应关系。

(2)规程中液塑限的测定均是取通过0.5mm筛的颗粒进行试验,而实际公路工程中使用的土往往含有较多大于0.5mm的颗粒,如此测得的塑限直接用来预估最佳含水率,必然偏离土样真实的最佳含水率。

(3)对于细粒土,其塑限即使相同,由于黏粒含量的不同,对水的渗透性也有明显的差别,这也将影响土的最佳含水率。

通过以上分析可以看出：仅通过塑限预估最佳含水率并不具有可操作性,对其作进一步研究具有较大的实践意义。

2 最佳含水率的预估方法

以下所述内容与引用数据均限定于《公路土工试验规程》中的干土法(土不重复使用)标准重型击实试验(Ⅱ-1型,筒体积997cm3,27击,5层),液塑限由联合测定仪测定(锥质量为100g,锥入深度为20mm对应含水率为液限),土的工程分类依据规程中以下粒组划分、土的塑性指标及土中有机质存在情况来确定。

(1)细粒土最佳含水率的预估方法

由于塑限相同而液限不同的细粒土的性质有明显的差别,故本论文对细粒土的最佳含水率除保留了塑限指标外,还增加了液限这一指标,先通过土样筛分析及塑性指标将土样进行类别的划分,再根据土样类别分别进行统计分析。

①黏质土(小于0.075mm颗粒含量占总土质量的50%及以上,塑限指数在A线以上,即Ip≥0.73(ωL-20))最佳含水率的预估方法

通过试验室内2017年下半年完成的30组黏质土(最大干密度为1.58g/cm3～1.93g/cm3)数据进行回归分析：

得到黏质土最佳含水率的预估公式如下：

ωo(%)=1.0549ωp-11.832

式中：ωo为最佳含水率(%)；ωp为塑限含水率(%)。

以下是试验室2018年随机的10组黏质土(1～5为高液限土、6～10低液限土)数据验算,可以看出通过预估公式计算所得的最佳含水率与实测最佳含水率偏差较小。

土样编号最佳含水率ωo(%)塑限ωp(%)液限ωL(%)塑性指数Ipωo (%)=1.0549ωp-11.832偏差115.626563015.60.0220.230582819.80.4317.326532715.61.7413.625522714.5-0.9524.032673521.92.1612.822422011.41.4711.824411713.5-1.7810.32043239.31.0913.725462114.5-0.81010.2202999.30.9

②粉质土(小于0.075mm颗粒含量占总土质量的50%及以上,塑限指数在A线以下,即Ip<0.73(ωL-20))最佳含水率的预估方法

通过试验室内2017年下半年完成的26组粉质土(最大干密度为1.66g/cm3～1.90g/cm3)数据进行回归分析：

得到粉质土最佳含水率的预估公式如下：

ωo(%)=1.0147ωp-15.262

式中：ωo为最佳含水率(%)；ωp为塑限含水率(%)。

以下是试验室2018年随机的10组粉质土(11～15为高液限土、16～20低液限土)数据验算,可以看出通过预估公式计算所得的最佳含水率与实测最佳含水率偏差较小。

土样编号最佳含水率ωo(%)塑限ωp(%)液限ωL(%)塑性指数Ipωo=1.0147ωp-15.262偏差1114.429532414.30.11219.633653217.71.91319.333582517.71.61416.832592716.80.01516.332572516.8-0.51610.927451812.6-1.71712.028471913.4-1.41813.728451713.40.31914.131481716.0-1.92015.929431414.31.6

(2)粗粒土(小于0.075mm颗粒含量占总土质量的50%及以下)最佳含水率的预估方法

由于液塑限试验中,均是取通过0.5mm筛的颗粒进行试验,而粗粒土(小于0.075mm颗粒含量占总土质量的50%及以下)的塑限将随着砂砾含量的增加而相应地减小,故对粗粒土进行最佳含水率预估时,不能简单地根据塑限进行判定。通过2017年下半年完成的30组粗粒土(最大干密度为1.72g/cm3～2.13g/cm3)试验数据进行观察分析,其最佳含水率与液限的关系成一定比率关系,通过绘图拟合：

得到粗粒土最佳含水率的预估公式如下：

ωo(%)=0.3002ωL+0.2182

式中：ωo为最佳含水率(%)；ωL为液限含水率(%)。

由于回归方程中的常数较小,对预估土样的最佳含水率影响较小,故可忽略不计,取预估最佳含水率与液限的关系为0.3倍,即：ωo≈0.3ωL

用2018年随机的15组粗粒土数据(21～25为黏土质砂、26～30为粉土质砂、31～35为砾类土)验算结果如下：

土样编号最佳含水率ωo(%)塑限ωp(%)液限ωL(%)塑性指数Ipωo ≈0.3ωL偏差2114.625452013.51.12211.024391511.7-0.72312.524421812.6-0.12412.826472114.1-1.32510.2212878.41.8268.4192457.21.22713.027371011.11.92811.527451813.5-2.0297.51829118.7-1.23013.527431612.90.63111.229441513.2-2.03213.924492514.7-0.83310.024341010.2-0.23411.428381011.40358.0182136.31.7

3 预估最佳含水率的影响因素

公路土工击实试验标准中的试验条件不尽相同,这都将影响到最佳含水率预估的准确性,在实际运用本论文公式预估最佳含水率时,需随着重型或轻型击实试验方法、干土法或湿土法制备试样、重复或不重复使用土样、击实过程中的余土高度等而作出适当调整。

(1)重型或轻型击实试验

击实试验分为重型或轻型击实两种试验方法,由标准击实试验得到的最大干密度是相对于某个标准击实功的最大干密度,也就是说,不同的击实功会得到不同的最大干密度对应的最佳含水率,并不是绝对的最大干密度。一定条件下,随着击实功的增加,最大干密度也随之增大,而最佳含水率则相应地减小,即轻型击实较重型击实得出的最佳含水率大。故在使用轻型法击实的时候,可适当提高预估最佳含水率。

(2)干土法或湿土法制备试样

土样的制备方法有干土法和湿土法,而其中干土法又分为风干法和烘干法。样品制备的方法不同,其最佳含水率也会有一定的差别。一般干土法得到的最佳含水率比湿土法要小,而干土法中烘干法又较风干法得到的要小。

(3)重复或不重复使用土样

因为重复击实土样,会破坏土中的颗粒,改变级配,而击实后的土样也很难恢复到原来的松散状态,尤其是塑性土,再次加水拌和难以浸透充分,从而对试验结果产生影响。故不建议使用重复土样进行击实试验。

(4)击实过程中的余土高度

击实过程中的余土高度对击实试验的结果影响,本质上是击实功的影响。超出试筒的余土高度过大,实际的击实功则减小,从而使最佳含水率增大。故应控制试验过程中的余土高度不超过试筒6mm。

4 结语

通过对目前预估最佳含水率的现状研究、大量的试验数据进行整理分析,提出了公路土工击实试验中预估最佳含水率的方法,但由于土样的复杂性和多变性,所统计的试验数据并不能完全反映所有土样类别的性能,故本论文中所提出的预估公式,仍需要在今后的实践中不断进行修正和改进。