土料的擊實特性及其擊實后的力學(xué)性質(zhì)

沈英朋，陸海玉，劉 猛，田桂莉，侯玉松，蔣偉春

(1. 招遠(yuǎn)市水利勘測設(shè)計院，山東 煙臺 265400；2. 山東省水利勘測設(shè)計院有限公司，山東 濟(jì)南 250013；3. 濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；4. 中天昊建設(shè)管理集團(tuán)股份有限公司，山東 東營 257091)

土料是工程建設(shè)中的重要材料。在我國水利水電、道路橋梁等建設(shè)工程的不斷發(fā)展中，多采用室內(nèi)試驗測定土料的物理力學(xué)指標(biāo)，而擊實作為一種普遍的施工方法，被廣泛應(yīng)用于回填和筑堤土料的工程質(zhì)量控制[1]。

通過室內(nèi)擊實試驗得到土料的擊實試驗曲線是獲得土料最大干密度的經(jīng)濟(jì)、有效手段。壓實度是野外實際達(dá)到的干密度與室內(nèi)擊實試驗所得最大干密度的比值。工程上通過控制一定的壓實度保證土體的密實程度。通過室內(nèi)擊實試驗制備符合一定壓實度的擊實后土樣后進(jìn)行壓縮和剪切等力學(xué)性質(zhì)試驗[2-4]，可以掌握土料在達(dá)到某壓實度后的力學(xué)性質(zhì)。土料的擊實試驗曲線會受到土料的類型、土料的顆粒級配、擊實功、余土高度、尺寸效應(yīng)、試驗人員的經(jīng)驗等諸多因素的影響，因此不同土料表現(xiàn)出不同的擊實效果[5-10]。已有研究中雖然較多地對擊實試驗結(jié)果的影響因素進(jìn)行了分析，但是對擊實試驗結(jié)果的分析不夠系統(tǒng)，并且對土料擊實后的力學(xué)性質(zhì)的研究較少。為了完善試驗規(guī)范中擊實試驗操作規(guī)程，幫助土工試驗從業(yè)人員更深入地理解擊實試驗原理，進(jìn)而提高理論水平，并指導(dǎo)野外填土工程施工，本文中針對某水利工程勘察范圍內(nèi)不同類型的土料進(jìn)行擊實試驗，獲得土料的最大干密度和最優(yōu)含水率指標(biāo)，然后按壓實度進(jìn)行擊實后土樣的力學(xué)性質(zhì)試驗，探索土料擊實后的力學(xué)性質(zhì)，從而為實際工程諸如利用土料筑堤、回填地基等提供相應(yīng)的參數(shù)，作為野外填土工程設(shè)計和施工等的參考。

1 土樣的基本特性

本文中6種土樣取自某水利工程沿線深度3.0 m范圍內(nèi)的淺層土，6種土樣的顆粒組成如表1所示。

表1 土樣的顆粒組成

2 試驗

2.1 土樣與擊實后土樣的制備

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123—2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]中有關(guān)規(guī)定，制備擊實試驗所用土樣和壓縮試驗、三軸剪切試驗所用擊實后土樣。本文中采用輕型擊實試驗，利用干法制備擊實試驗所用土樣。取代表性土樣風(fēng)干到一定含水率，避免烘干土樣時因黏粒含量差異而對最大干密度產(chǎn)生影響。將利用四分法所得土樣風(fēng)干后，過孔徑為5 mm的篩，稱取拌合均勻后的風(fēng)干土樣，質(zhì)量為2 200 g。配制不同含水率的土樣后，密封于不透氣的塑料袋中12 h以上，以備進(jìn)行擊實試驗。

在擊實試驗中，由每種土樣制得一組擊實土柱。根據(jù)每組擊實土柱的干密度和對應(yīng)的含水率，繪制對應(yīng)土樣的擊實曲線。利用擊實試驗結(jié)果得到每種土樣的最大干密度后，每種土樣均按照壓實度為0.95計算控制干密度，并在所得擊實曲線中查找對應(yīng)的控制含水率，計算制備擊實后土樣所需加水量，加至與該種土樣對應(yīng)的留土中，同樣密封12 h以上后，在每種用于制備擊實后土樣的3個代表性位置處復(fù)測實際含水率。當(dāng)實測含水率等于計算含水率時，按擊實試驗方法進(jìn)行擊實，制得符合壓實度的擊實后土樣。

制備擊實后土樣時，土樣內(nèi)所需加水量計算公式[11]為

(1)

式中：mw為制備擊實后土樣時所需加水質(zhì)量，g；m0為風(fēng)干后土樣質(zhì)量，g；w0為風(fēng)干土樣含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；w′為擊實后土樣所需達(dá)到的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

2.2 試驗方法

首先進(jìn)行擊實試驗，得到每種土樣的一組擊實土柱。所用擊實儀的內(nèi)徑為102 mm，筒高為116 mm，容積為947.4 cm3，護(hù)筒高度為50 mm。在對每種土樣的每個擊實土柱進(jìn)行擊實前，都在擊實筒內(nèi)壁涂抹一薄層潤滑油，原因是在擊實筒的底板涂抹潤滑油有時會因含水率及土類的不同而導(dǎo)致?lián)魧嵑笥休^多余土殘留在底板上，因此為了保證擊實土柱底部的完整性，本次擊實試驗中只在擊實筒內(nèi)壁涂抹潤滑油。為了保證擊實試驗結(jié)果的相對穩(wěn)定性，每種土樣的每個擊實土柱由固定試驗人員分3層進(jìn)行擊實，層與層的交界處作刨毛處理，控制每層的高度，使擊實第3層后的余土高度不超過6 mm。擊實完成后，沿?fù)魧嵧驳倪呇匦奁綋魧嵧林鶅啥耍羶敉餐獗诤蠓Q量，然后利用推土器將擊實土柱推出。切去每個擊實土柱周圍及上下兩端的余土，然后在擊實土柱中心的不同位置處取有代表性的3份進(jìn)行含水率測定，繪制干密度與含水率的關(guān)系曲線，即擊實曲線。在根據(jù)擊實試驗結(jié)果制得的擊實后土樣上切取環(huán)刀樣和三軸土柱，分別利用北京華勘科技有限責(zé)任公司研發(fā)的全自動三軸壓縮試驗、固結(jié)試驗系統(tǒng)進(jìn)行三軸剪切試驗和壓縮試驗，并結(jié)合該公司研發(fā)的KTG軟件中三軸壓縮試驗、固結(jié)試驗數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行三軸剪切試驗和壓縮試驗數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 擊實試驗

擊實試驗所得6種土樣的擊實曲線如圖1所示。從圖中可以看出，6種土樣的干密度均先隨著含水率的增大而增大，當(dāng)干密度增至一定值時，隨著含水率的增大，干密度開始減小。根據(jù)每種土樣擊實曲線的峰值點，可以得到該種土樣的最大干密度以及相應(yīng)的最優(yōu)含水率。6種土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率如表2所示。

圖1 土樣的擊實曲線

表2 土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率

從圖1中可以看出，根據(jù)6種土樣的擊實曲線，可將6種土樣分為2組：土樣1、2、3為第1組，土樣4、5、6為第2組。從表2中可以看出，相對于第2組土樣，第1組土樣的最大干密度較小，同時第1組土樣對應(yīng)的最優(yōu)含水率較大。從表1中可以看出，第1組土樣中黏粒含量較多，黏性較強(qiáng)，而第2組土樣中黏粒含量較少，黏性較弱。當(dāng)黏粒含量在同一范圍內(nèi)時，擊實曲線較相似。從圖1中還可以看出，6種土樣的擊實曲線基本呈順滑的下凹趨勢，但是土樣5的擊實曲線左側(cè)有平緩下凸趨勢。研究[7]表明，當(dāng)?shù)玫饺珘簩嵡€時，在最優(yōu)含水率的左側(cè)干側(cè)區(qū)域內(nèi)，擊實曲線隨含水率的減小而變得平緩，干密度趨于常數(shù)，即干側(cè)區(qū)域的干密度界限值。土樣5擊實曲線的左側(cè)呈平緩趨勢，說明土樣5的最干點較接近干側(cè)的干密度界限值。雖然可以將擊實曲線分為2組；但是即使是顆粒組成相近的土樣，擊實曲線的離散性也較大，因此在對土料的擊實特性進(jìn)行研究時，不能只根據(jù)土樣的單一的黏粒含量或顆粒組成相同就認(rèn)為土料的擊實特性相同。顆粒組成會影響擊實曲線及擊實試驗結(jié)果，但是存在一定的離散性，即使是定名相同的土料或黏粒含量接近的土料，最大干密度也會有所不同。根據(jù)1節(jié)中制備符合壓實度的擊實后土樣的方法，所制得擊實后土樣的基本物理指標(biāo)如表3所示。

表3 擊實后土樣的基本物理指標(biāo)

3.2 壓縮試驗

對擊實后土樣取環(huán)刀樣后進(jìn)行壓縮試驗。利用全自動固結(jié)試驗系統(tǒng)自動采集各級壓力時的變形量，分別計算初始孔隙比e0和第i(i=1, 2, 3, 4, 5，對應(yīng)壓力為50、100、200、300、400 kPa)級壓力時固結(jié)穩(wěn)定后的孔隙比ei，計算公式[11]為

(2)

(3)

式中：ρw為水的密度，g/cm3；Gs為土粒比重，即土粒與等體積4 ℃純水的質(zhì)量比；wc為擊實后土樣的控制含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ρ為擊實后土樣的密度，g/cm3；∑Δhi為第i級壓力時擊實后土樣的高度總變形量，cm；h0為擊實后土樣的初始高度，cm。

圖2所示為擊實后土樣的孔隙比-壓力曲線。從圖中可以看出，黏粒含量較多的第1組擊實后土樣的壓縮曲線位于黏粒含量較少的第2組擊實后土樣的壓縮曲線上方，說明第1組擊實后土樣的初始孔隙比以及在同一級壓力時的各孔隙比都大于第2組擊實后土樣的。主要原因是由擊實試驗及壓實度確定的第1組擊實后土樣的初始干密度更小，黏粒含量更多，顆粒表面附著的結(jié)合水更多，固體顆粒所占的空間相對更少。

圖2 擊實后土樣的孔隙比-壓力曲線

由圖2可得單位壓力增量所引起的孔隙比的變化，即反映土料壓縮性的壓縮系數(shù)。工程中常利用壓力區(qū)間100～200 kPa對應(yīng)的壓縮系數(shù)評價土料的壓縮性，計算公式[11]為

(4)

式中：a1-2為壓力區(qū)間100～200 kPa對應(yīng)的壓縮系數(shù)，MPa-1；p1、p2分別為100、200 kPa這2級壓力；e1、e2分別為壓力為100、200 kPa時的孔隙比。

擊實后土樣的壓縮系數(shù)如表4所示。從表中可以看出，黏粒含量較多的第1組擊實后土樣的壓縮性比黏粒含量較少的第2組擊實后土樣的強(qiáng)。主要原因是第1組擊實后土樣的初始孔隙比較大，初始密實度較小，同時由表3可知，第1組擊實后土樣的初始含水率較大，因此在相同的壓力增量時，孔隙中的水排出更多，土樣更易被壓縮，即壓縮性較強(qiáng)。

表4 擊實后土樣的壓縮系數(shù)

3.3 三軸剪切試驗

土料的抗剪強(qiáng)度受到多重因素的影響，如顆粒組成、黏粒含量、密度、含水率、土的結(jié)構(gòu)等。利用全自動三軸試驗系統(tǒng)，對擊實后土樣進(jìn)行三軸剪切試驗，根據(jù)所得三軸剪切試驗數(shù)據(jù)，利用KTG軟件繪制莫爾圓，得到擊實后土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角。圖3所示為擊實后土樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角與土樣最大干密度的關(guān)系。

從圖3(a)中可以看出，隨著最大干密度的增大，總黏聚力和有效黏聚力可能增大也可能減小，規(guī)律性不明顯，但是總體來說，黏聚力隨最大干密度的增大有減小的趨勢。原因是當(dāng)壓實度相同時，最大干密度越大，則擊實后土樣的干密度越大，而干密度較大時，含水率較小，導(dǎo)致黏聚力減小。同時，黏粒含量有所不同，水和黏粒含量的聯(lián)合效應(yīng)對黏聚力的影響大于干密度對黏聚力的影響。影響?zhàn)ぞ哿Φ囊蛩剌^多，顆粒級配、干密度等都會對黏聚力產(chǎn)生影響。各因素相互作用，當(dāng)某種因素占主導(dǎo)地位時，擊實后土樣的黏聚力則主要由該因素決定。從圖3(b)中可以看出，隨著最大干密度的增大，各擊實后土樣的總內(nèi)摩擦角和有效內(nèi)摩擦角表現(xiàn)出較好的規(guī)律性，總體趨勢是隨著干密度的增大，內(nèi)摩擦角逐漸增大。這是因為密實度是影響內(nèi)摩擦角的主要因素[10]，當(dāng)干密度增大時，土顆粒形成的骨架結(jié)構(gòu)更致密，土樣更密實，所以決定內(nèi)摩擦角的土顆粒間的摩阻力及咬合力[10]更大。

(a)黏聚力

(b)內(nèi)摩擦角圖3 擊實后土樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角與土樣最大干密度的關(guān)系

4 結(jié)論

本文中選取6種土樣進(jìn)行擊實試驗及擊實后的壓縮和三軸剪切試驗，探討擊實試驗原理，并分析擊實后土樣的力學(xué)性質(zhì)，得到以下主要結(jié)論：

1)土樣的擊實試驗結(jié)果表明，土樣的擊實曲線可以分為黏粒含量較多的土樣和黏粒含量較少的土樣2組，黏粒含量相近的土樣的擊實曲線特性較接近，說明黏粒含量對擊實曲線有一定影響，但是即使顆粒組成接近的土樣的擊實曲線也是有差異的，說明擊實試驗的結(jié)果不完全由顆粒組成決定。

2)擊實后土樣的壓縮試驗結(jié)果表明，相對于黏粒含量較少的擊實后土樣，黏粒含量較多的擊實后土樣的初始孔隙比和各級壓力時的孔隙比都較大，并且壓縮性較強(qiáng)。

3)擊實后土樣的三軸剪切試驗結(jié)果表明，最大干密度對黏聚力的影響規(guī)律性較差，最大干密度與內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系有較好的規(guī)律性，說明干密度對黏聚力的影響受到其他因素的綜合作用較大，但是在對內(nèi)摩擦角的影響因素中起主導(dǎo)作用。