含礫細粒土最大干密度試驗研究★

張忠裔 徐海波 李 博

(1.安徽省建筑工程質量監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230000；2.安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000； 3.黃河水利水電職業(yè)技術學院，河南 開封 475000)

1 概述

為評價土方填筑質量，施工前都會對工程選取的土料進行擊實試驗，用于確定該土料的最大干密度和最優(yōu)含水率[1]。現(xiàn)有規(guī)范[2]規(guī)定了粒徑小于5 mm的細粒土和粒徑小于60 mm的粗粒土擊實試驗方法，而對于粒徑大于60 mm的粗粒土僅列出了剔除法、等量替代法、相似級配法等幾種土樣制備方法，但如何對試驗結果進行處理并未詳細闡述。由于地質、環(huán)境等因素的影響，丘陵、山區(qū)地區(qū)的土體中往往摻雜了較多的粒徑不等的礫石，如何確定含礫細粒土的最大干密度是工程質量控制和評價過程中亟需解決的難題。本文通過安徽南部山區(qū)某堤防工程實例，對工程中涉及的含礫細粒土通過多次室內對比試驗，在擊實試驗及顆粒分析試驗的基礎上，對土樣最大干密度的確定進行分析論證，推測出其與超粒徑土含量之間的直接或間接關系，進而確定土料的最大干密度值。研究成果對含礫細粒土碾壓質量控制具有指導意義。

2 研究現(xiàn)狀

通過國內外學者的系統(tǒng)研究，對細粒土擊實特性已形成了較系統(tǒng)的成果，并在工程中廣泛應用。對粗粒土最大干密度研究主要集中在試驗儀器選型和試驗結果歸納分析兩個方面，按照不同粒徑的試驗土樣，選擇相對應的試驗儀器，對含有超大粒徑的土料，采用加大試驗儀器的容器尺寸和擊實動力的方法，達到試驗效果；研究結果的歸納分析方法是通過室內試驗，在現(xiàn)有的試驗條件下對土樣的最大干密度進行確定，再以試驗數(shù)據(jù)為基礎，推測出最大干密度與土料中超粒料含量之間的關系；國內學者朱崇輝[3]就曾經(jīng)針對粗粒土進行了多次試驗研究，得到粗粒土最大干密度與超粒徑土含量之間存在線性相關性，并提出了通過系列延伸法間接求取超粒徑粗粒土最大干密度的方法。

SL 237—1999土工試驗規(guī)程[2]對于超粒徑土最大干密度的確定提出了剔除法、等量替代法和粗粒土擊實試驗三種方法。剔除法是將超粒徑顆粒剔除；等量替代法是根據(jù)儀器允許的最大粒徑以下和粒徑大于5 mm的土粒，按比例等質量替換超粒徑顆粒；粗粒土擊實試驗是用標準擊實法測定粗粒土的含水率與密度的關系，從而確定其最優(yōu)含水率與相應的最大干密度。

由于儀器尺寸的限制，直接測定超粒徑粗粒土干密度難度較大，相關學者提出采用間接法推求超粒徑粗粒土最大干密度。國內學者史彥文[4]提出了相似級配系列延伸法；田樹玉[5]提出了漸近線輔助擬合法；郭慶國、劉貞草[6]提出了等量代替級配系列延伸法。當然近年來一些研究者[7-9]從其他一些角度在間接法上，也取得了一定的研究成果。

上述研究的對象主要是粗粒土，而對于含礫細粒土最大干密度研究方面目前沒有較多的成果可以借鑒，但粗粒土的研究方法為含礫細粒土的研究提供了思路。

3 試驗研究

試驗土料來自于安徽南部山區(qū)。為分析砂礫石含量與土料最大干密度間的關系，試驗前采用逐級剔除法對大顆粒礫石進行剔除，每一級剔除后均進行擊實試驗，繪制不同砂礫石含量與最大干密度的關系曲線，從而推算出土料的最大干密度，即為同比例延伸法。擊實儀為粗粒土擊實儀，擊實筒直徑30 cm，高度28.8 cm，擊錘質量為15.5 kg；對于超粒徑(最大粒徑不小于60 mm)土料采用同比例延伸法進行推算。

試驗方法如下：

1)風干土樣：按照SL 237—1999土工試驗規(guī)程的規(guī)定進行操作，將土樣置于橡皮板上風干，用木錘將土塊及附在粗顆粒土上的細粒土敲散，試驗過程中避免破壞土體的天然顆粒結構。

2)顆粒級配：將全部土樣依次過篩，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分組并稱其質量，計算各粒組含量百分數(shù)，圖1為土料的顆粒級配曲線。由于本次試驗儀器設備較大，最大干密度試驗最大粒徑可達到60 mm，故將超過60 mm粒徑的顆粒料作為超粒徑處理。

圖1中T1曲線為土料原始的級配曲線，從圖1中可以發(fā)現(xiàn)T1中超過60 mm的粒徑含量為9.7%；然后逐級剔除60 mm，20 mm，10 mm，5 mm的粒徑，分別得到曲線T2，T3，T4，T5。根據(jù)級配曲線可知，T2，T3，T4，T5土料的剔除百分量分別為原級配土料T1的9.7%，19.6%，32.2%，40.1%。

3)試樣制備：根據(jù)顆粒級配曲線，計算各粒組應取的風干土質量，將各個試樣分別置于不吸水平板上；根據(jù)小于5 mm土樣的液塑限確定土料所需加水量，并用噴水設備均勻噴灑；拌合均勻后，密閉存放24 h。

4)試驗擊實：取制備好的土樣，分層填裝，然后擊實，每層擊實后，將表面刨毛，且控制最后一層的頂面超過擊實筒頂面15 mm。

5)測定含水率：擊實完成后從試樣中部取2 kg～5 kg混合土樣測定其含水率。

6)繪制擊實曲線圖，得到土料的最大干密度以及最優(yōu)含水率。

為對比砂礫細粒土擊實試驗成果，在原來料場附近領取一組土料按上述方法進行對比試驗，即原土料試驗樣定名“1號”，對比試驗土樣為“2號”；兩組土料的剩余土料百分含量與最大干密度的關系曲線見圖2。

4 試驗結果分析

相關文獻表明，針對粗粒土的最大干密度可采用延伸法進行推定。延伸法是將受試驗條件限制的超粒徑粗粒土在粒徑上進行縮小，使試驗土樣最大粒徑符合相關規(guī)范中試驗要求的最大粒徑，在此基礎上，對可試驗范圍內的粗粒土進行不同試驗條件的最大干密度試驗，通過分析數(shù)據(jù)，尋找其中的規(guī)律性，再將試驗結果規(guī)律進行外推，從而間接求出原級配超粒徑粗粒土的最大干密度。由圖2中可以看出，隨著剩余土料百分含量的增大，土料的最大干密度值逐漸增大，兩者基本呈線性關系。并通過計算發(fā)現(xiàn)1號土樣的R2=0.989 2，2號土樣的R2=0.986 8，兩種土樣的試驗結果擬合優(yōu)度較大線性關系強烈，因此含礫細粒土可以采用延伸法推求最大干密度。具體如下：對于一個需要求取最大干密度的含礫細粒土，利用兩點確定一條直線的幾何思想，將超粒徑部分剔除，并計算出剩余百分含量進行試驗；然后將可試驗范圍內的土料中大于某粒徑的顆粒料剔除，并計算出相應剩余總百分含量進行試驗，根據(jù)2次試驗結果外推，求出原級配超粒徑含礫細粒土的最大干密度。圖2中，1號和2號土樣的擊實試驗結果表明，采用同比例縮放后的土料最大干密度與剔除超粒徑后剩余土料之間呈線性關系，證實了同比例延伸法求含礫細粒土的最大干密度值的合理性。

鑒于是通過同比例延伸進行外推，為了減少誤差，應在原先的基礎上做適當?shù)难由?，例如本次試驗的最大粒徑?0 mm，對于超粒徑可適當外推并加以驗證，對于是否應用于更大粒徑、土料更加復雜的含礫細粒土，還有待于進一步研究。

本次試驗主要針對安徽南部山區(qū)的含礫細粒土，不排除因為地域的不同土樣的物理力學性質等工程指標的差異，以及試驗儀器等因素對試驗結果的影響。但只能說誤差是隨機的，只有做足夠多的試驗，才能將整體誤差降到最低，從而得到一定的結論。

5 結論

1)對逐級剔除大粒徑土料后的剩余土料進行擊實試驗，研究分析了土料的最大干密度與剔除量、剩余量之間的關系。試驗結果表明，含礫細粒土的最大干密度與剔除量、剩余量之間存在一定的線性關系。

2)利用同比例延伸法外推了超粒徑土料的最大干密度近似值，兩組土料對比結果證實了采用同比例延伸法推求含礫細粒土最大干密度的合理性，研究成果對含礫細粒土碾壓質量控制具有指導意義。