公路土工試驗(yàn)擬定最佳含水量初探論文
作為指導(dǎo)和控制路基施工壓實(shí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的最佳干密度和最佳含水量，土工擊實(shí)試驗(yàn)最佳含水量的擬定準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到工程的質(zhì)量。曾有人以天然含水量作為擬定最佳含水量的參照依據(jù)，而天然含水量隨自然環(huán)境天氣的變化而不同，同一土質(zhì)、同一取土場(chǎng)的土?xí)蛱烊缓康牟煌贸霾灰粯拥�、甚至相差甚遠(yuǎn)的標(biāo)準(zhǔn)干密度和最佳含水量，是不準(zhǔn)確的。各類土有其本質(zhì)特性，標(biāo)準(zhǔn)干密度和最佳含水量應(yīng)順應(yīng)土的內(nèi)在特性，才能真正做到標(biāo)準(zhǔn)，確保路基工程質(zhì)量。文章在分析最佳含水量特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出精確測(cè)定土的塑性指標(biāo)和土粒比重，以土的塑限含水量和路基設(shè)計(jì)常規(guī)或施工時(shí)應(yīng)達(dá)到的稠度為參照和判別，并以最佳最大干密度和土粒比重按飽和度公式驗(yàn)算擊實(shí)曲線峰值點(diǎn)的飽和度，可優(yōu)化最佳含水量的擬定。
1 最佳含水量特點(diǎn)分析
對(duì)同一土質(zhì)、同一固定擊實(shí)功在擊實(shí)曲線峰值點(diǎn)的最佳含水量狀態(tài)時(shí)的土體，有如下特點(diǎn)：（1）干密度d最大；（2）孔隙比e最�。唬�3）飽和需水量Wset最��；（4）含水量W最趨近于1/dmax-1/Gs，即W≈1/dmax-1/Gs。[注：由Sr=W* Gs/e，e=（Gs-d/）/d，當(dāng)Sr=100%時(shí)，W=1/dmax-1/ Gs，式中：dmax——最大干密度；Gs——土粒真密度，Sr——飽和度]。
正是由于擊實(shí)曲線峰值點(diǎn)的土體有此“四最”，其對(duì)應(yīng)的含水量才被稱之為“最佳含水量”。同樣的土質(zhì)、同樣的擊實(shí)功能，僅含水量不同，在峰值點(diǎn)的含水量的土體擁有“四最”，顯然水在其中起了至關(guān)重要的作用——對(duì)土的易壓縮性產(chǎn)生了“催化”作用。這時(shí)候的土顆粒被一層足夠厚的與土質(zhì)本身特性有關(guān)的水膜包裹著，水膜使土顆粒間引力變小，水膜的潤滑作用使土粒在外部擊實(shí)功的作用下比較容易移動(dòng)、擠緊，土的內(nèi)摩阻力、粘聚力、抗變形能力、抗剪強(qiáng)度提高，從而使路基水穩(wěn)性和強(qiáng)度增強(qiáng)。
當(dāng)所擬定的含水量使固定的擊實(shí)功能最大限度地使土顆粒擠緊并使土體飽和度達(dá)到100%，同時(shí)土顆粒間無自由水存在時(shí)峰值就會(huì)出現(xiàn)。這是我們理想中的土體最佳壓實(shí)狀態(tài)。然而，由于試驗(yàn)操作人員對(duì)含水量預(yù)估的偏差、固定擊實(shí)功能的所限等諸多因素的影響，我們往往得到的最佳含水量和最大干密度狀態(tài)的土其飽和度只是一個(gè)近似值，約為90%左右。那么如何擬定符合要求，使土體出現(xiàn)“四最”的最佳含水量呢？
2 最佳含水量的擬定
土工擊實(shí)試驗(yàn)前，首先可從土的液塑限值及篩分試驗(yàn)中估算最佳含水量和最大干密度。一般來說，土中含粉粒和黏粒愈多，塑性指數(shù)愈大，最優(yōu)含水量愈大。因此，一般砂性土壤的最優(yōu)含水量小于黏性土，最大干密度大于黏粒土。細(xì)粒土的最優(yōu)含水率一般在塑限附近，約為液限的0.55～0.65倍，而砂土的情況有些不同，視其含水狀態(tài)而定。此外輕型擊實(shí)試驗(yàn)中，最優(yōu)含水量接近土的塑限；重型擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水量則小于土的塑限。確定材料的路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性，與水含量和壓實(shí)度有關(guān)，公路建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，處于干燥或中濕狀態(tài)的路基，其強(qiáng)度和水穩(wěn)性得到了有效的保持�；谶@個(gè)事實(shí)，路基設(shè)計(jì)一般要求路基處于干燥或中濕狀態(tài)，而路基干濕類型由土的稠度值劃分。由“自然區(qū)劃分界稠度表”（引見JTJ014-97，P106，表6），各類型的土組的干燥或中濕狀態(tài)時(shí)的稠度大都大于1。當(dāng)土的含水量W=Wp時(shí)，WC=1.0，土質(zhì)處于半固體與硬塑狀態(tài)；W=WL時(shí)，WC=0，土質(zhì)處于流塑與流動(dòng)狀態(tài)；WP<w<wl時(shí)，土質(zhì)處于可塑狀態(tài)（wp，wl—土的塑限和液限，wc—土稠度）。由壓密理論可知，適宜施工碾壓的土的含水量應(yīng)當(dāng)使土不在可塑狀態(tài)。含水量小于塑限含水量的土符合這一要求，所以采用塑限含水量作為擬定最佳含水量的參照依據(jù)，是科學(xué)的。 < p>
為了準(zhǔn)確擬定最佳含水量，除了準(zhǔn)確測(cè)定土的塑性指標(biāo)外，土粒比重的準(zhǔn)確測(cè)定，是又一個(gè)有效手段，它關(guān)系到土在壓實(shí)后飽和度是否合理的問題。如前所述，擊實(shí)曲線峰值點(diǎn)含水量最趨近于1/dmax-1/Gs，飽和度合理的土在不利季節(jié)和施工后期吸收自然界的水份少，可避免土體膨脹失穩(wěn)。在精確測(cè)定土的塑性指標(biāo)和土粒比重的前提下，以塑限為參照擬定最佳含水量W0并由擊實(shí)試驗(yàn)得出dmax后，把得到的dmax代入該式，計(jì)算出在dmax時(shí)土的飽和含水量Wmax，由飽和度公式Sr=（W/Wmax）×100計(jì)算含W0時(shí)土的飽和度。
[例1]經(jīng)測(cè)定粘質(zhì)土的塑性指標(biāo)WL=36.7，WP=18.3；土粒比重Gs=2.644，天然含水量W=22.6%。某試驗(yàn)人員據(jù)此試驗(yàn)得出最大干密度dmax=1.88g/cm3，最佳含水量W0=13.2%，請(qǐng)判別該標(biāo)干是否準(zhǔn)確。
[解]（1）驗(yàn)算W0時(shí)稠度是否符合要求。
W0時(shí)土的稠度值WC，0=（WL-W0）/（WL-WP）=（36.7-13.2）/（36.7-18.3）=1.28，且W01.10的規(guī)定。
�。�2）驗(yàn)算W0、dmax時(shí)土體的飽和度
由Sr=W*Gs/e，e=（Gs-d）/d，得e=（2.644-1.88）/1.88=0.41；Sr=13.2×2.644/0.41=85.1%，Sr在90%附近，飽和度較高，是可信的。
�。�3）驗(yàn)算天然含水量條件下，該土是否適宜施工
天然稠度WC=（WL-W）/（WL-WP）=0.77，由JTJ033—95知在天然含水量時(shí)，該土宜采取措施方能使用。
如果由天然含水量擬定最佳含水量，將得出不同的、有可能自相矛盾的結(jié)果。
如果Sr值在90%左右，那么說明W0是合適的，可信的；如果Sr過�。�<75%），則w0不準(zhǔn)確，需重新擬定w0，調(diào)整方向是縮小w0與wp的差值。如sr>100%，說明土體過飽和，土粒間出現(xiàn)了自由水，此時(shí)W0作為土的最佳含水量顯然壓實(shí)效果不理想。以這時(shí)的W0和其相應(yīng)干密度制作的CBR試件在泡脹試驗(yàn)中不會(huì)有吸水，曾有一些試驗(yàn)單位在以往的土工資料中，在此類試件泡脹試驗(yàn)時(shí)有不小的吸水，這樣的結(jié)果是自相矛盾的，除非前面的試驗(yàn)不準(zhǔn)確。同樣也重?cái)MW0，調(diào)整方向是增大W0與WP的差值。
[例2]土的塑性指標(biāo)、dmax土粒比重、天然含水量同[例1]，現(xiàn)有人試驗(yàn)得到dmax=1.81g/cm3，W0=11.5%，請(qǐng)?jiān)u價(jià)該標(biāo)干是否準(zhǔn)確？
[解]（1）按例1驗(yàn)算稠度符合要求。
�。�2）驗(yàn)算W0、dmax時(shí)土體飽和度
e=0.46；Sr=65%<75%，所以Sr過小，應(yīng)重?cái)MW0，W0適當(dāng)調(diào)大。
（3）驗(yàn)算天然含水量條件下，該土是否適宜施工。算法同[例1]，略。
泡脹試驗(yàn)是模仿路基土體在不利季節(jié)吸水飽和，引起含水量、密度改變的情況下，以CBR試驗(yàn)測(cè)定土體的承載強(qiáng)度是否符合要求的一個(gè)重要的驗(yàn)證性試驗(yàn)。具有最大干密度和最佳含水量的試件，泡脹試驗(yàn)前的飽和度越高，飽和吸水量越小，密度改變就小，有利保持原有的最佳壓實(shí)狀態(tài)下的路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
3 擊實(shí)試驗(yàn)注意事項(xiàng)
3.1 土的均勻性
取樣時(shí)樣品的均勻性不好控制，如果取樣不準(zhǔn)，即使其他方面控制的多么準(zhǔn)確，最終的擊實(shí)數(shù)據(jù)也是不可靠的。所以取樣一定要認(rèn)真細(xì)致，確保試樣能夠代表母體。對(duì)于中粗粒土，必須嚴(yán)格用四分法將試樣縮分至需要的總數(shù)量，然后再分成5個(gè)試樣，每個(gè)試樣6kg左右。這5個(gè)試樣要代表原土樣的實(shí)際級(jí)配，不能因粗細(xì)顆粒離析而影響試樣的均勻性。否則，由此引起的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)變異大，無規(guī)律，擊實(shí)曲線無峰值或呈波浪線等。
3.2 重型和輕型的選擇
輕型和重型的核心區(qū)別是輕型擊實(shí)的單位體積擊實(shí)功小，重型大約為輕型的4.5倍。因此，在相同含水量下，由于重型的單位體積擊實(shí)功大，對(duì)土體結(jié)構(gòu)破壞力強(qiáng)，土體被壓得更密實(shí)，濕密度大，相應(yīng)干密度也更大。由于曲線上5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)存在同樣原因，重型試驗(yàn)得出的最大干密度大于輕型。因此檢測(cè)單位接受委托時(shí)，應(yīng)根據(jù)客戶意愿和現(xiàn)場(chǎng)土樣綜合確定采用何種擊實(shí)方法。土工壓實(shí)度報(bào)告在引用擊實(shí)報(bào)告干密度和最優(yōu)含水量數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)注明擊實(shí)報(bào)告編號(hào)或明確何種擊實(shí)，以便于對(duì)結(jié)果的判讀與理解。
3.3 干法和濕法
《公路規(guī)范》條文說明中注明，大量試驗(yàn)證明：干法和濕法求得的結(jié)果有很大差別，對(duì)于最大干密度，前者大后者�。粚�(duì)于最優(yōu)含水量，前者小后者大。既然兩者有很大差別，在擊實(shí)報(bào)告中應(yīng)明確注明是干法還是濕法，以利于對(duì)報(bào)告的判讀和應(yīng)用。對(duì)于高含水量的土采用濕法比較符合實(shí)際，如仍按干法做擊實(shí)試驗(yàn)，無形中增加了對(duì)地基壓實(shí)難度，甚至根本達(dá)不到規(guī)范要求的壓實(shí)度。
4 結(jié)語
�。�1）在固定擊實(shí)功能和相同土質(zhì)的前提下，最佳含水量時(shí)的土體所含的水份是使土體獲得最佳壓實(shí)狀態(tài)的“催壓劑”。土體在該含水量下的壓實(shí)，呈現(xiàn)干密度最大；孔隙比最�。伙柡托杷孔钚�；含水量最趨近于土體在最大干密度下飽和時(shí)含水量的特點(diǎn)。
（2）精確測(cè)定土的塑性指標(biāo)和土粒比重，針對(duì)路基常規(guī)設(shè)計(jì)要求的綜合了土的塑性特性的稠度值，采用塑限含水量作為擬定最佳含水量的參照依據(jù)，并以土粒比重和最大干密度按飽和度公式驗(yàn)算，能夠優(yōu)化最佳含水量的擬定，獲得更為準(zhǔn)確的最佳含量。
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