土的擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)相關(guān)分析

潘新欣

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，天津 300250）

南水北調(diào)東線二期工程規(guī)劃在東線一期工程的基礎(chǔ)上擴(kuò)大規(guī)模，計(jì)劃向北延伸，依次經(jīng)過區(qū)域?yàn)椋号R吳渠、臨泊渠、滄州繞城。線路所經(jīng)區(qū)域的地勢總體自西南向東北緩慢傾斜。區(qū)域內(nèi)河流較多，由于歷史上河流泛濫和黃河改道，沉積物交錯(cuò)分布，形成許多緩崗、微斜平地和低洼地。

由于筑堤的填筑土料主要來自渠道開挖料和沿線附近布置的取土場。經(jīng)勘察表明，在勘察深度內(nèi)，揭露的筑堤土料地層為第四系全新統(tǒng)人工堆積的素填土和雜填土，第四系全新統(tǒng)沖湖積和第四系上更新統(tǒng)上段沖洪積的壤土、砂壤土、黏土、粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂層。為檢驗(yàn)筑堤土料的碾壓特性，現(xiàn)場采集了151組土料樣品進(jìn)行了室內(nèi)物理和擊實(shí)特性試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)分析了各類指標(biāo)之間的關(guān)系。

1 擊實(shí)試驗(yàn)概況

依據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)，采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)方法，單位體積擊實(shí)功約592.2kJ/m3。試樣采用干法制備；設(shè)備采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的JDS-1型電動數(shù)控?fù)魧?shí)儀。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

現(xiàn)場采集的土料樣品主要來源于為臨吳渠、臨泊渠、滄州繞城沿線和附近料場，巖性以少黏性土和黏性土為主，主要包括砂壤土、壤土、粉質(zhì)黏土和黏土4類。試驗(yàn)室對每一組土料樣品分別進(jìn)行了顆粒分析、液塑限和擊實(shí)試驗(yàn)。按照顆粒分析結(jié)果對土料樣品進(jìn)行分類，并對各類土料樣品的物理和擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表1。

表1 土的試驗(yàn)指標(biāo)匯總統(tǒng)計(jì)

由表1可知：在采集的151組土料樣品中，壤土61組，占總數(shù)的40.4%；粉質(zhì)黏土58組，占總數(shù)的38.4%；黏土25組，占總數(shù)的16.6%；砂壤土7組，占總數(shù)的4.6%。由于受實(shí)際工程項(xiàng)目的限制，各類土的樣品試驗(yàn)數(shù)量的權(quán)重存在差異。

3 擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)相互之間關(guān)系

擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)主要包括最優(yōu)含水率與最大干密度，兩者也是筑堤過程中土料碾壓質(zhì)量的主要控制指標(biāo)。

3.1 最大干密度與最優(yōu)含水率相關(guān)關(guān)系

依據(jù)土料樣品的分類，統(tǒng)計(jì)各個(gè)土類的最優(yōu)含水率和與之對應(yīng)的最大干密度平均值。以最優(yōu)含水率為橫坐標(biāo)、最大干密度為縱坐標(biāo)繪制最大干密度與最優(yōu)含水率的關(guān)系曲線，并求得兩者之間的相關(guān)關(guān)系式，如圖1。

圖1 最大干密度與最優(yōu)含水率關(guān)系曲線

從圖1可看出：土料的最大干密度與最優(yōu)含水率成反向關(guān)系，最優(yōu)含水率越大其最大干密度越小。從土料的土類來看，按其順序：砂壤土、壤土、粉質(zhì)黏土、黏土，土料的最大干密度越來越小，最優(yōu)含水率越來越大。

3.2 關(guān)系式可靠性分析

對圖1中繪制的4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析：由于采用線性擬合的關(guān)系式相關(guān)性較差，所以采用二次曲線進(jìn)行擬合，得出的關(guān)系式為ρdmax=-0.0010ω2op+0.0199ωop+1.6428。二次曲線關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)R2=1.0000，說明在此關(guān)系式下，不同土類的最大干密度與其最優(yōu)含水率高度相關(guān)。

把4類土的平均最優(yōu)含水率代入擬合得到的二次關(guān)系式中進(jìn)行計(jì)算，把得出的最大干密度與試驗(yàn)所得最大干密度進(jìn)行對比，絕對誤差為0，其結(jié)果也表明擬合得到的關(guān)系式的可靠性，如表2。

表2 關(guān)系式計(jì)算值與擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值比較

4 擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)與液塑限之間關(guān)系

土料液限、塑限指標(biāo)的大小是其自身顆粒組成、礦物成分等方面的綜合性能反映，因此土料液塑限指標(biāo)的差異也能間接反映出土料擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)的差異。

4.1 擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)與液塑限之間的關(guān)系

依據(jù)151組土料樣品試驗(yàn)成果，分別按砂壤土、壤土、粉質(zhì)黏土和黏土計(jì)算出不同土類的液限、塑限與相對應(yīng)的最優(yōu)含水率和最大干密度的平均值。以液限和塑限為橫坐標(biāo)，分別以最優(yōu)含水率和最大干密度為縱坐標(biāo)建立直角坐標(biāo)系，如圖2，圖3。

圖2 最優(yōu)含水率與液（塑）限關(guān)系曲線

圖3 最大干密度與液（塑）限關(guān)系曲線

從圖2可看出：最優(yōu)含水率與液限、塑限具有良好的線性關(guān)系。最優(yōu)含水率的大小隨液限或塑限的增加而增加，呈正向關(guān)系，且隨塑限增加的速率大于隨液限增加的速率。

從圖3可看出：最大干密度與液限、塑限具有良好的二次曲線關(guān)系。最大干密度隨液限或塑限的增加而降低，成反向關(guān)系，且隨塑限增加而降低的速率大于隨液限增加而降低的速率。

通過對圖2和圖3的分析還可知：最優(yōu)含水率和最大干密度均對塑限的變化更敏感。

4.2 關(guān)系式可靠性分析

最優(yōu)含水率與液限的線性關(guān)系式為：ωop=0.4165ωL+5.9995，R2=0.9866；最優(yōu)含水率與塑限的線性關(guān)系式為：ωop=0.9249ωp+1.0327，R2=0.9950。最大干密度與液限的二次關(guān)系式為：ρdmax=-0.0004ω2L+0.0199ωL+1.4453，R2=0.9989；最大干密度與塑限的二次 關(guān) 系 式 為：ρdmax=-0.0016ω2p+0.05ωp+1.3112，R2=0.9996。所有關(guān)系式的R2值大于0.99或接近0.99，說明在此擬合的關(guān)系式下，兩者具有良好的相關(guān)性。

把液限和塑限帶入擬合的相應(yīng)關(guān)系式中分別進(jìn)行計(jì)算，比較最優(yōu)含水率和最大干密度的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果之間的誤差，如表3。

表3 關(guān)系式計(jì)算值與擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值比較

通過表3可知：最優(yōu)含水率的計(jì)算值與試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值的誤差在±0.4%范圍內(nèi)，沒有超過試驗(yàn)測定含水率的允許誤差（規(guī)范要求：±1.0%）；最大干密度的計(jì)算值與試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值誤差在0.00～0.03g/cm3范圍內(nèi)，沒有超過試驗(yàn)測定密度的允許誤差（規(guī)范要求：±0.03g/cm3）。因此，上述擬合的關(guān)系式是可靠的。

如果以各類土的塑限為參考值，在評價(jià)土料的最優(yōu)含水率和塑限的差值時(shí)，通過表3可知：砂壤土的最優(yōu)含水率與其塑限的差值為0%；壤土的最優(yōu)含水率與其塑限的差值為-0.6%；粉質(zhì)黏土的最優(yōu)含水率與其塑限的差值為-1.1%；黏土的最優(yōu)含水率與其塑限的差值為-0.7%。所有土類的最優(yōu)含水率均不大于各自的塑限，其中黏性土差值較大一些。

5 最大干密度與顆粒級配之間關(guān)系

評價(jià)土的顆粒級配的優(yōu)劣有兩個(gè)重要指標(biāo)：不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc。在同一地區(qū)，如果土的地質(zhì)成因相同，那么，土的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)就是影響其擊實(shí)特性的主要因素。不均系數(shù)的大小反映出土顆粒粒徑的分布范圍，曲率系數(shù)的大小反映出土顆粒級配曲線的形態(tài)。在現(xiàn)行的規(guī)范中規(guī)定，能夠較易達(dá)到碾壓密實(shí)，級配良好的土料應(yīng)同時(shí)滿足兩個(gè)基本條件，即：Cu≥5，Cc在1～3之間。

由于受試驗(yàn)條件限制，黏土類土未測出d10值，因此，本文僅分析砂壤土、壤土、粉質(zhì)黏土的擊實(shí)特性指標(biāo)與顆粒級配的相關(guān)關(guān)系，如圖4，圖5。

圖5 最大干密度與曲率系數(shù)關(guān)系曲線

從圖4可以看出：在所取的土料樣品中（不包括黏土），土料擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度隨不均勻系數(shù)的增大而降低，成反向關(guān)系，變化程度逐漸趨緩。

從圖5可以看出：在所取的土料樣品中（不包括黏土），土料擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度隨曲率系數(shù)的增加而增加，成正向關(guān)系，變化程度逐漸趨緩。

從圖4、圖5的分析中還可得出：當(dāng)土料顆粒級配的不均勻系數(shù)Cu≥5時(shí)，不是Cu值越大越好，只有同時(shí)滿足Cc值在1～3之間的情況下才能得到較好的擊實(shí)效果。本文中砂壤土、壤土的顆粒級配的不均勻系數(shù)分別為7.3和9.1，曲率系數(shù)分別為2.2和1.8，其擊實(shí)最大干密度分別為1.69g/cm3和1.67g/cm3，擊實(shí)效果較好。盡管粉質(zhì)黏土類顆粒級配的Cu值為21.3，遠(yuǎn)大于5，但是，由于其顆粒級配的曲率系數(shù)值為0.8，不滿足其值在1～3之間的條件，所以，擊實(shí)效果相對一般，擊實(shí)最大干密度僅1.56g/cm3。

6 結(jié)語

（1）利用實(shí)際工程土料樣品的擊實(shí)及相關(guān)試驗(yàn)成果，分析了擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)之間及與液塑限、顆粒級配之間的相關(guān)關(guān)系，得出了相關(guān)度較好的擬合關(guān)系式。

（2）在開展土料的擊實(shí)試驗(yàn)項(xiàng)目受限時(shí)，可以采用本文得到的關(guān)系式，通過液限、塑限或顆粒級配的成果間接確定擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)，初步判斷土料的碾壓特性或填筑土堤的質(zhì)量。

（3）由于擬合的多項(xiàng)式存在局限性，在地質(zhì)條件較為復(fù)雜的大型土料場，應(yīng)補(bǔ)充擊實(shí)試驗(yàn)成果，完善、修正多項(xiàng)式，使其更加符合實(shí)際情況。