陜北高填方地區(qū)土體的輕型與重型擊實(shí)試驗(yàn)對(duì)比研究

高建中， 趙曉琪， 谷 琪， 許德鮮

(1.延安市新區(qū)管委會(huì)， 陜西 延安 716000；2.西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710003)

陜北地區(qū)所進(jìn)行的“平山、填溝、造地、建城”工程是目前國(guó)內(nèi)所進(jìn)行的最大規(guī)模的巖土工程之一，這些工程均需要土方的碾壓、夯實(shí)作業(yè)。選用正確的壓實(shí)器具及方法，得出合理的壓實(shí)參數(shù)，可在很大程度上節(jié)約工程造價(jià)、縮短工期、提高工程質(zhì)量[1-3]。目前，最常用的黃土地基處理方法有墊層、預(yù)壓、碾壓和強(qiáng)夯[4]，土體在受到碾壓或強(qiáng)夯時(shí)，由于外部高壓荷載的作用，水分會(huì)隨著孔隙體積的變化而被排出，從而產(chǎn)生一定的壓縮固結(jié)變形[5]。在工程實(shí)踐中，對(duì)于施工質(zhì)量的控制，常常利用壓實(shí)度來(lái)進(jìn)行衡量[6]。室內(nèi)的擊實(shí)試驗(yàn)是現(xiàn)階段模擬工程實(shí)況最有效的方法，通過(guò)在施工現(xiàn)場(chǎng)挖井取樣，進(jìn)行含水量和密實(shí)度等試驗(yàn)，將現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較，看是否符合所要求的壓實(shí)度[7]。但是，室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)方法與現(xiàn)場(chǎng)所用碾壓、夯實(shí)方法有很大的差別，比如室內(nèi)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)輕型與重型擊實(shí)試驗(yàn)方法的選擇、土樣是否重復(fù)利用、余土高度的選取、土樣的均勻性控制、擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)分層高度的控制等等都影響試驗(yàn)結(jié)果[8-10]。對(duì)于陜北高填方地區(qū)沒(méi)有輕型與重型擊實(shí)試驗(yàn)的換算經(jīng)驗(yàn)公式，那么在控制影響因素的變化后，輕型與重型擊實(shí)試驗(yàn)方法之間究竟存在何種聯(lián)系？本文將對(duì)場(chǎng)地內(nèi)不同的土體，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)不同的擊實(shí)試驗(yàn)方法、不同的擊實(shí)功影響因素下所獲得的大量最大干密度與最優(yōu)含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，歸納總結(jié)出適合陜北高填方地區(qū)的輕型與重型擊實(shí)試驗(yàn)的換算公式，便于該地區(qū)的工程建設(shè)的應(yīng)用以及為其他地方工程建設(shè)及科學(xué)研究提供借鑒。

1 擊實(shí)試驗(yàn)方法及土體物理力學(xué)指標(biāo)

以陜西延安某高填方場(chǎng)地土體為研究對(duì)象，根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，確定所需土體所處深度，采用人工開挖探井的方式在取土場(chǎng)地隨機(jī)取Q2、Q3土樣。取樣所挖探井井口60 cm×60 cm，在探井井壁豎直方向每隔1 m切取半徑為15 cm、高25 cm圓柱狀土樣，為避免在運(yùn)輸過(guò)程對(duì)原狀土體的破壞，利用蠟封法對(duì)土體進(jìn)行處理，第一時(shí)間將土體運(yùn)回西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目包括：濕密度、含水率、液限、塑限。土體的各項(xiàng)物理指標(biāo)的測(cè)試嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123—1999)》進(jìn)行，最后統(tǒng)計(jì)各物理力學(xué)指標(biāo)，土體的液限均值為27.6%,塑限均值為17.4%,濕密度范圍為1.7～1.9 g/cm3,含水率為14%～16%。

對(duì)研究區(qū)場(chǎng)地黃土樣品粒度組成進(jìn)行了專門測(cè)試分析。土呈褐黃色、稍濕、大孔隙、含有少量姜石、見(jiàn)蝸牛殼。黃土粒徑級(jí)配曲線見(jiàn)圖1，以黏粒和粉粒(<0.05 mm)為主，約占總含量的86.37%，且以粉粒(0.005～0.05 mm)占優(yōu)勢(shì)，黏土顆粒(<0.005 mm)含量在16.13%，平均粒徑0.020 mm，定名為粉質(zhì)粘土。

圖1 土體顆粒級(jí)配曲線示意圖

對(duì)于含水率過(guò)高不能進(jìn)行試驗(yàn)的土體，將其置于室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)干，過(guò)5 mm篩，測(cè)其風(fēng)干后含水率，根據(jù)土樣的塑限對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)土體進(jìn)行增濕試驗(yàn)，配置試驗(yàn)所需的各級(jí)含水率土樣，靜置24 h，最后進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。本次擊實(shí)試驗(yàn)采用《公路土工試驗(yàn)規(guī)范(JTG E40—2007)》進(jìn)行，因現(xiàn)有場(chǎng)地均為高填方場(chǎng)地，后期用于何種建設(shè)未知，所以采用規(guī)范、安全的高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，擊實(shí)試驗(yàn)所用擊實(shí)儀主要部件規(guī)格如表1所示。

表1 擊實(shí)儀主要部件規(guī)格

2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

2.1 重型與輕型擊實(shí)試驗(yàn)土體最大干密度和最優(yōu)含水率的關(guān)系

每種重型和輕型試驗(yàn)各150組，數(shù)據(jù)處理時(shí)，剔除異常數(shù)據(jù)。因?yàn)椤豆吠凉ぴ囼?yàn)規(guī)范(JTG E40—2007)》中要求重型每層錘擊數(shù)為27擊，本文在嚴(yán)格執(zhí)行此規(guī)范時(shí)，研究了18擊、36擊在延安高填方地區(qū)的擊實(shí)效果，用于對(duì)比分析。圖2為重型每層擊數(shù)27擊時(shí)，利用5組土體干密度和含水率確定土體的最大干密度和最優(yōu)含水率，圖3為重型擊實(shí)試驗(yàn)與輕型擊實(shí)試驗(yàn)的土體的最大干密度和最優(yōu)含水率的關(guān)系曲線。本文事先將Q2、Q3土體的重型與輕型最大干密度和最優(yōu)含水率的關(guān)系、最大干密度之間的關(guān)系以及最優(yōu)含水率之間的關(guān)系進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)任何規(guī)律，后文不再贅述。

從圖3可以看到，在每層錘擊數(shù)為27擊時(shí)，重型和輕型擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度均隨最優(yōu)含水率的增大而減小，重型擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水率變化范圍(11.84%～13.91%)，最優(yōu)含水率平均值為12.82%，最大干密度變化范圍(1.87～1.91 g/cm3)，輕型擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水率變化范圍(16.60%～18.11%)，最優(yōu)含水率平均值為17.37%，最大干密度變化范圍(1.73～1.76 g/cm3)，所以重型擊實(shí)試驗(yàn)明顯高于輕型擊實(shí)試驗(yàn)效果。從曲線來(lái)看，重型擊實(shí)試驗(yàn)擬合曲線的曲率相對(duì)比較大，說(shuō)明重型擊實(shí)試驗(yàn)較輕型擊實(shí)試驗(yàn)的最優(yōu)含水率的降低更能提高試樣的最大干密度。

2.2 重型與輕型擊實(shí)試驗(yàn)土體最大干密度關(guān)系研究

對(duì)試驗(yàn)所取土體進(jìn)行18、27、36擊的輕型和重型試驗(yàn)。為了便于工程方便應(yīng)用，將27擊的輕型和重型試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合為線性方程，并將擬合結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到重型擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度是輕型擊實(shí)試驗(yàn)下最大干密度的1.08～1.14倍，平均為1.1。即：

ρdmax(重型)=1.1ρdmax(輕型)。

圖2 每層錘擊數(shù)為27擊時(shí)重型擊實(shí)試驗(yàn)含水率和干密度的關(guān)系曲線

(a)重型 (b)輕型圖3 每層錘擊數(shù)為27擊時(shí)最大干密度和最優(yōu)含水率的關(guān)系曲線

同理，為了便于室內(nèi)研究，將重型和輕型擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度數(shù)據(jù)擬合為非線性方程，其不同擊數(shù)的曲線如圖4所示。

圖4 重型與輕型擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度擬合曲線

當(dāng)錘擊數(shù)18擊時(shí)，最大干密度數(shù)值在1.630～1.720 g/cm3之間，平均值為1.66 g/cm3；錘擊數(shù)27擊時(shí)，最大干密度數(shù)值在1.730～1.765 g/cm3之間，平均值為1.74 g/cm3；錘擊數(shù)36擊時(shí)，最大干密度數(shù)值在1.748～1.775 g/cm3之間，平均值為1.76 g/cm3。

從圖4中可以看出輕型擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度與重型擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度在一定區(qū)間范圍內(nèi)呈二次函數(shù)關(guān)系，擬合優(yōu)度都在0.98及以上，說(shuō)明擬合效果很好。如果已知一種擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度，可以通過(guò)對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系快速求解出另一種擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度。這在工程建設(shè)上應(yīng)用非常方便，可以節(jié)約大量的試驗(yàn)時(shí)間，提高工作效率。

2.3 重型與輕型擊實(shí)試驗(yàn)土體最優(yōu)含水率關(guān)系研究

為了便于工程方便應(yīng)用，將27擊的輕型和重型試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合為線性方程，并將擬合結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到重型擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水率是輕型擊實(shí)試驗(yàn)下最優(yōu)含水率的0.77～0.88倍，平均0.83倍，據(jù)此認(rèn)為：

w0(重型)=0.83w0(輕型)。

同理，為了便于室內(nèi)研究，將重型和輕型擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水率數(shù)據(jù)擬合為非線性方程，其不同擊數(shù)的曲線如圖5所示。當(dāng)錘擊數(shù)18擊時(shí)，最優(yōu)含水率數(shù)值在17.63%～20.87%之間，平均值為19.32%；當(dāng)錘擊數(shù)27擊時(shí)，最優(yōu)含水率數(shù)值在16.59%～18.10%之間，平均值為17.37%；當(dāng)錘擊數(shù)36擊時(shí)，最優(yōu)含水率數(shù)值在16.16%～17.25%之間，平均值為16.63%。

圖5 重型與輕型擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水率關(guān)系擬合曲線

從圖5中可以看出重型擊實(shí)試驗(yàn)的最優(yōu)含水率與輕型擊實(shí)試驗(yàn)的最優(yōu)含水率呈二次函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式的擬合優(yōu)度都在0.95及以上。如果已知一種擊實(shí)試驗(yàn)的最優(yōu)含水率，可以通過(guò)對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系快速求解出另一種擊實(shí)試驗(yàn)的最優(yōu)含水率。

利用SPSS19.0軟件圖形中的散點(diǎn)3D分布對(duì)重型和輕型中最大干密度、最優(yōu)含水率、錘擊數(shù)三者進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖6所示。從圖中可以看出，重型擊實(shí)試驗(yàn)和輕型擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度變化規(guī)律非常類似。錘擊數(shù)為18、27、36擊時(shí)，最大干密度都隨最優(yōu)含水率的降低而增大，并且重型擊實(shí)試驗(yàn)同一擊數(shù)，其最大干密度比較集中，而輕型則不然，說(shuō)明重型擊實(shí)試驗(yàn)可以顯著提高擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度。

(a)重型 (b)輕型圖6 最大干密度和最優(yōu)含水率三維散點(diǎn)圖

3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果的工程實(shí)踐驗(yàn)證

因大量的室內(nèi)土體擊實(shí)試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)效果檢測(cè)均用每層錘擊數(shù)為27擊作為施工質(zhì)量的判別標(biāo)準(zhǔn)，故此處利用每層錘擊數(shù)為27擊的重型擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度和最優(yōu)含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖7為某標(biāo)段強(qiáng)夯處理完成后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)取最大干密度與強(qiáng)夯前室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度在95%置信區(qū)間范圍內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值的對(duì)比誤差圖。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值示意圖

將模型計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值導(dǎo)入到SPSS軟件數(shù)據(jù)框中，利用SPSS的統(tǒng)計(jì)計(jì)算與分析功能計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值誤差的大小及計(jì)算值的合理性。在95%的置信區(qū)間下，43個(gè)模型計(jì)算值均有效，說(shuō)明模型計(jì)算值比較可靠。模型計(jì)算值的均值為1.868 9，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的均值為1.867 0，兩者也非常接近。模型計(jì)算值標(biāo)準(zhǔn)差為0.004 76，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)差為0.005 38，說(shuō)明模型計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的變異都比較小。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)陜北高填方地區(qū)黃土進(jìn)行的多組不同錘擊數(shù)下輕型與重型擊實(shí)試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)高填方地區(qū)黃土進(jìn)行的輕型和重型擊實(shí)試驗(yàn)，其最大干密度均隨最優(yōu)含水率的增大而減小。

(2)重型與輕型擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度在一定區(qū)間內(nèi)呈二次函數(shù)關(guān)系，含水率也有類似的關(guān)系。并且每層錘擊數(shù)為27擊時(shí)，重型擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水率是輕型擊實(shí)試驗(yàn)下最優(yōu)含水率的0.83倍(平均)，重型擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度是輕型擊實(shí)試驗(yàn)下最大干密度的1.1倍(平均)。

(3)選取一個(gè)標(biāo)段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：模型計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明模型計(jì)算值可靠性高，可以用于現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度的計(jì)算。