擊實(shí)試驗(yàn)中軟巖顆粒含水率的分析與研究

李巖 李玉貴

目前，在國內(nèi)進(jìn)行的粗顆粒土擊實(shí)試驗(yàn)通常按照我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》或按照水利、水電等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；但具體試驗(yàn)方法基本相同，通常做法是：調(diào)制粒徑小于5 mm 的細(xì)顆粒土試樣含水率，按試樣依次相差2%～3%（主要看5 mm 以下顆粒含量），使居中的一個(gè)試樣的含水率接近細(xì)粒的塑限，而粗顆粒則采用飽和面干的方式。這種將粗、細(xì)顆粒分別加水進(jìn)行制備的方法，操作比較簡便，含水率易于控制，而且易于尋找含水率與干密度之間的相關(guān)關(guān)系，因而一直以來被業(yè)內(nèi)同行所普遍認(rèn)可和采用。

但隨著近年來，軟巖筑壩料的普遍采用，在通過試驗(yàn)方法找尋以軟巖、極軟巖為主的粗顆粒土的最大干密度和最優(yōu)含水率的擊實(shí)試驗(yàn)中，卻遇到了一個(gè)技術(shù)問題：做為試樣中粗顆粒的軟巖、極軟巖，其吸水率高達(dá)15%以上，甚至高達(dá)20%，有的遇水還會(huì)部分泥化或完全泥化，這樣以來，在配置粗顆粒試樣時(shí)，再用飽和面干的方式就會(huì)導(dǎo)致?lián)魧?shí)后的試樣中出現(xiàn)局部的泥質(zhì)團(tuán)塊。當(dāng)所配置的細(xì)顆粒含水率小于粗顆粒含水率時(shí)，這些由粗顆粒軟化、泥化所形成的泥質(zhì)團(tuán)塊，一方面使得整個(gè)試樣密實(shí)度不均勻，另一方面，也使得試樣無法進(jìn)一步被錘擊而變得更密實(shí)，從而影響其最大干密度值，這完全背離了擊實(shí)試驗(yàn)的目的和初衷。

以下從試驗(yàn)方法和原理方面加以分析和說明。

1 試驗(yàn)方法的適用條件及存在的問題

通常情況下，在粗顆粒土的擊實(shí)試驗(yàn)中，通常有一個(gè)潛在的假設(shè)：其中的粗顆粒（5 mm 以上）不會(huì)被壓縮（雖有可能由于錘擊而破碎），不會(huì)軟化、泥化；粗顆粒吸水率通常較?。ǘ嘣?%以下），在這種情況下，在制備的5 個(gè)試樣中，粗顆粒始終處于不可壓縮的狀態(tài)下，且表面濕潤，在擊實(shí)過程中易與細(xì)顆粒粘結(jié)成一體。

當(dāng)試樣中的粗顆粒為軟巖、極軟巖時(shí)，其吸水率一般會(huì)很高（12%以上），且吸水后在擊實(shí)作用下極容易軟化、泥化，甚至和細(xì)顆粒融為一體，在這種情況下，如果使粗顆粒達(dá)到飽和面干，而細(xì)顆粒的配置含水率小于粗顆粒的飽和含水率，由于土體自身并不易排水，在擊實(shí)作用下，粗、細(xì)顆粒間的含水率很難達(dá)到一致，從而使得擊實(shí)后的粗顆粒反而成為細(xì)顆粒中的較軟的泥質(zhì)團(tuán)塊，而變成較為不密實(shí)的部分，試樣不能達(dá)到最密實(shí)的程度。

從以上分析可以看出，粗顆粒由較硬巖、堅(jiān)硬巖改換為軟巖、極軟巖，由不可壓縮性變?yōu)榭蓧嚎s性，且其壓縮性與細(xì)顆粒一樣，同樣與含水率有關(guān)，這樣再把粗顆粒全部采用統(tǒng)一的飽和狀態(tài)進(jìn)行處理，顯然是不合適的。要達(dá)到整個(gè)土樣的最密實(shí)狀態(tài)或最大干密度，則必須使粗、細(xì)顆粒都要達(dá)到最緊密狀態(tài)（最大干密度）才行。

2 工程實(shí)例及分析

在山東沂蒙抽水蓄能電站可行性研究階段的筑壩料試驗(yàn)中，有兩種天然土料作為心墻料，一種為全風(fēng)化泥巖，一種為粉砂質(zhì)泥巖，他們的自然吸水率基本在15%～20%。

擊實(shí)試驗(yàn)前，首先測定了兩種巖性（碎塊狀）的自然吸水率，分別為20.2%和17.5%，然后按照試驗(yàn)規(guī)程中的常規(guī)做法，將大于5 mm 的粗顆粒浸水進(jìn)行自然飽和，使其達(dá)到飽和面干的狀態(tài)，然后分別摻入到配置的5 種不同含水率的細(xì)顆粒土中，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表1，擊實(shí)曲線如圖1 所示。

表1 飽和面干法處理粗顆粒后的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖1 WEQ1與WEQ2擊實(shí)試驗(yàn)曲線

從試驗(yàn)后剖開的試樣內(nèi)部情況來看，存在較多的泥質(zhì)團(tuán)塊，細(xì)顆粒配置較低含水率下尤為明顯，顯示出軟化后的處于軟塑狀態(tài)的泥質(zhì)團(tuán)塊與周圍擊實(shí)后的細(xì)顆粒土在可塑狀態(tài)上差異較大，不能相融合。對(duì)于細(xì)顆粒配置含水率較高時(shí)，由于土體基本均處于可塑狀態(tài)，泥化的粗顆粒泥質(zhì)團(tuán)塊則變得不再突出。

從以上試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象、產(chǎn)生問題的原因以及對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)理和試驗(yàn)?zāi)康牡姆治?，主要存在以下問題：

（1）傳統(tǒng)試驗(yàn)中，粗顆粒作為土體的一部分，在試樣中作為一個(gè)“硬核”的存在，體積始終不變，擊實(shí)試驗(yàn)過程中只存在細(xì)顆粒的密實(shí)程度與含水率之間的相關(guān)關(guān)系。

（2）當(dāng)軟巖粗顆粒遇水軟化、泥化時(shí)，重錘擊實(shí)作用下，其體積也會(huì)發(fā)生改變，由于這種粗顆粒同樣具有黏性，因而其密實(shí)程度與其含水率也存在一定的相關(guān)關(guān)系。

（3）由于水分在試樣內(nèi)難以自由流動(dòng)，粗顆粒和細(xì)顆粒各自在不同含水率下經(jīng)過擊實(shí)達(dá)到各自不同的密實(shí)狀態(tài)。

（4）擊實(shí)的目的是使整個(gè)土體試樣（包括粗顆粒和細(xì)顆粒）在某含水率下達(dá)到最密實(shí)的狀態(tài)，從而使整個(gè)土體達(dá)到最大的干密度。

（5）由于粗顆粒采取了自然飽和的方式，其飽和含水率基本超過了擊實(shí)試驗(yàn)的最優(yōu)含水率，因而粗顆粒部分在配置的各個(gè)試樣中經(jīng)過擊實(shí)均不能達(dá)到最大干密度，所以盡管整個(gè)土樣能夠根據(jù)擊實(shí)曲線求得最大干密度和最優(yōu)含水率，但該最大干密度應(yīng)小于土樣的真正最大干密度，最優(yōu)含水率應(yīng)大于實(shí)際的最優(yōu)含水率。

基于上述分析，上述情況可以按照以下兩種解決思路進(jìn)行：

（1）對(duì)于粗顆粒按最優(yōu)含水率配置，使粗顆粒在配置的各試樣中始終處于最優(yōu)含水率狀態(tài)和最大密實(shí)程度。

（2）對(duì)于粗顆粒按不同含水率配置，始終保持粗顆粒的含水率與細(xì)顆粒一致，這樣就保證了擊實(shí)后的粗、細(xì)顆粒處于同一含水率狀態(tài)下，由于一般土樣粗、細(xì)顆粒基本為同一礦物成分，尤其是全、強(qiáng)風(fēng)化巖，粗顆粒經(jīng)擊實(shí)破碎、軟化泥化后，其擊實(shí)性能基本相同，這樣就保證了其最大干密度和最優(yōu)含水率的一致性。

在上述兩種思路中，第1 種方法的最優(yōu)含水率預(yù)先并不容易判斷和準(zhǔn)確確定，因而采用第2 種方法更為現(xiàn)實(shí)。根據(jù)第2 種方法，將上述兩種巖性再次進(jìn)行含水率配置和擊實(shí)試驗(yàn)，得到如下結(jié)果（見表2 和如圖2 所示）。

從兩種制樣方式得出的試驗(yàn)結(jié)果以及試驗(yàn)曲線對(duì)比（如圖3 所示）來看，粗、細(xì)顆粒配置相同含水率后，所得的最大干密度有所增大，最優(yōu)含水率有所減小。當(dāng)試樣小于最優(yōu)含水率時(shí)，若粗、細(xì)顆粒配置相同含水率，則試樣密度隨含水率的增長率會(huì)更大些，主要是粗、細(xì)顆粒的密實(shí)度都同時(shí)在提高；而當(dāng)超過最優(yōu)含水率時(shí)，試樣密度隨含水率的衰減速率同樣也會(huì)快些。而若把粗顆粒配置成飽和面干狀態(tài)，則粗顆粒在各試樣中基本處于同一密實(shí)狀態(tài)，只有細(xì)顆粒會(huì)隨含水率的變化密實(shí)狀態(tài)在發(fā)生改變，所以變化率相應(yīng)會(huì)小些。

表2 粗、細(xì)顆粒配置相同含水率后的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖2 WEQ1與WEQ2擊實(shí)試驗(yàn)曲線

圖3 WEQ1與WEQ2擊實(shí)試驗(yàn)曲線（兩種制樣方式對(duì)比）

3 結(jié) 語

對(duì)軟巖粗顆粒在擊實(shí)試驗(yàn)中含水率的配置和試驗(yàn)過程中其壓縮性能的變化進(jìn)行了分析，了解了軟巖，尤其是極軟巖，按照常規(guī)擊實(shí)試驗(yàn)方法進(jìn)行飽和面干制樣存在的實(shí)際問題，通過深入研究擊實(shí)試驗(yàn)的力學(xué)機(jī)理和試驗(yàn)?zāi)康模岢隽爽F(xiàn)實(shí)條件下較為可行的解決方法，并總結(jié)得到以下幾點(diǎn)體會(huì)：

（1）常規(guī)試驗(yàn)中，粗顆粒多為較硬巖或堅(jiān)硬巖，在擊實(shí)試驗(yàn)中通常作為“硬核”存在，體積保持不變，因而擊實(shí)試驗(yàn)過程中只發(fā)生細(xì)顆粒的密實(shí)程度與含水率之間的相關(guān)關(guān)系。

（2）軟巖，尤其是極軟巖，遇水后會(huì)軟化、泥化，擊實(shí)后體積同樣會(huì)發(fā)生變化；飽和狀態(tài)下無法使粗顆粒達(dá)到最密實(shí)的狀態(tài)。

（3）由于水分在試樣內(nèi)難以自由流動(dòng)，粗顆粒和細(xì)顆粒只能各自在不同含水率下經(jīng)過擊實(shí)達(dá)到各自不同的密實(shí)狀態(tài)；

（4）粗、細(xì)顆粒配置相同的含水率，容易使其同時(shí)達(dá)到最大干密度和最優(yōu)含水率，從而取得整個(gè)土樣的最大干密度。