宋效蘭

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 山西太原 030024）

0 引言

黃土是第四紀(jì)的一種特殊堆積物，具有很明顯的特點(diǎn)，即以黃色為主（如灰黃、褐黃等顏色），富含碳酸鈣成分及其結(jié)核，天然剖面成垂直節(jié)理，具有肉眼可見的大孔隙，含有大量的粉土顆粒，結(jié)構(gòu)疏松，無層理，質(zhì)地均勻。山西地處黃土高原地區(qū)，為了促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，在水利工程、道路、城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)等，會大量采用黃土作為工程的填筑材料。黃土具有特殊的工程性質(zhì)，作為填筑材料大量使用，其壓實(shí)特性是影響工程質(zhì)量的重要因素。工程實(shí)際中采用壓實(shí)度對填筑工程質(zhì)量進(jìn)行評價，因此室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)測得的最大干密度、最優(yōu)含水率尤其重要。

1 試驗(yàn)方法

1.1 土樣準(zhǔn)備

在建筑工程的料場按照規(guī)定要求采取一定組數(shù)的土樣，每組土樣不少于25 kg，送到試驗(yàn)室，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）的要求，將每組土樣風(fēng)干，并放在橡皮板上碾散，然后過5 mm 篩，將篩下的土樣拌勻，稱取相同質(zhì)量的五份，每份2 500 g，根據(jù)土的塑限預(yù)估最優(yōu)含水率，配制5 個不同含水率的土樣，滿足相鄰兩個含水率差值在2%左右。同時取土樣，測定風(fēng)干土的含水率和顆粒級配。

1.2 儀器設(shè)備

采用JDS-2 型數(shù)控電動輕型擊實(shí)儀，錘質(zhì)量2.5kg，落高305 mm，擊實(shí)筒內(nèi)徑102 mm，筒高116 mm，容積947.4 cm3，單位體積擊實(shí)功592.2 kJ/m3。

1.3 試驗(yàn)檢測

把配制好的土樣，分三次倒入擊實(shí)筒，每層擊實(shí)次數(shù)為25 次，擊實(shí)后的每層試樣高度應(yīng)大致相等，每層擊實(shí)完畢，兩層交界面的土層應(yīng)刨毛，再進(jìn)行下一層擊實(shí)。擊實(shí)完成后，修平擊實(shí)筒上下面土樣，稱量出擊實(shí)筒內(nèi)土樣的重量，并測出筒內(nèi)土的含水率，計(jì)算出對應(yīng)的干密度。以干密度為縱坐標(biāo)，含水率為橫坐標(biāo)，繪制干密度與含水率的關(guān)系曲線，在曲線上的峰值，縱坐標(biāo)對應(yīng)的為最大干密度，橫坐標(biāo)對應(yīng)的為最優(yōu)含水率。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本資料

土料檢測樣品共有80 組，來自近幾年10 個水利水電工程勘察項(xiàng)目，取樣地點(diǎn)涉及山西省由北向南多個地域，有大同新榮區(qū)、朔州朔城區(qū)、靈丘縣、興縣、清徐縣、隰縣、壺關(guān)縣、新絳縣、萬榮縣等區(qū)域，土樣少量為Q2的黃土，大部分為Q3的黃土。試驗(yàn)室對每一組土料樣品分別進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)、顆粒分析，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本情況統(tǒng)計(jì)

3 擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)相互之間關(guān)系

3.1 最大干密度與最優(yōu)含水率的關(guān)系

依據(jù)80 組土樣檢測的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以最大干密度為縱坐標(biāo)，以最優(yōu)含水率為橫坐標(biāo)，建立直角坐標(biāo)系，如圖1。從圖1 可以看出：1）最大干密度越大，最優(yōu)含水率越小，呈反向相關(guān)關(guān)系。2）80 組檢測樣品中，90%最大干密度介于1.6～1.8 g/cm3，90%的最優(yōu)含水率處于13.0%～21.0%。

圖1 最大干容重與最優(yōu)含水率關(guān)系圖

3.2 原因分析

當(dāng)土中的含水率較低時，土顆粒周圍的水膜較薄，表面張力形成的毛管壓力大，增加了土顆粒之間的摩擦阻力，土粒移動相對困難，因此，壓實(shí)過程較難；當(dāng)含水率增加時，土顆粒周圍的水膜變厚，使得土顆粒之間的摩擦力減弱，水契入顆粒之間，也起到潤滑作用，在外力作用下，顆粒發(fā)生移動，更容易壓實(shí)，干密度增大，在最優(yōu)含水率時，水膜厚度適中，且不存在多余的水分，此時對應(yīng)的干密度為最大干密度。

4 最大干密度與顆粒級配之間的關(guān)系

4.1 土的顆粒級配

土的顆粒級配，即土顆粒的大小及各種粒組占該土總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。工程上把大小相近的土粒合并成為組，稱為粒組，不同的粒組賦予土不同的性質(zhì)，根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50145-2007），粒徑劃分為0.075～2 mm 砂粒，0.005～0.075 mm 粉粒，<0.005 mm 黏粒。

土顆粒的大小及其組成情況，通常以顆粒級配累計(jì)曲線表示。在累計(jì)曲線上，通過不均勻系數(shù)Cu 和曲率系數(shù)Cc 兩個重要指標(biāo)來判讀土顆粒級配的優(yōu)劣。Cu越大表示土粒大小的分布范圍越大，其級配良好，Cc反映曲線的整體形態(tài)，當(dāng)Cc 很小時，曲線很陡，表示土粒均勻。

4.2 最大干密度與砂粒、粉粒、黏粒的關(guān)系

將80 組土樣檢測的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用散點(diǎn)圖匯總擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度隨砂粒、粉粒、黏粒含量的變化，見圖2、圖3、圖4 所示。

圖2 最大干密度與砂粒含量的關(guān)系

圖3 最大干密度與粉粒含量的關(guān)系

圖4 最大干密度與黏粒含量的關(guān)系

1）從圖2、圖3、圖4 可以看出，單獨(dú)看無論是砂粒、粉粒還是黏粒，與最大干密度的相關(guān)性都比較弱。

2）從圖3 可以看出，所有檢測樣品粉粒的含量都非常高，有98%的土樣粉粒含量大于55%，符合黃土的特征。由于砂粒、粉粒、黏粒含量總和為100%，可以得出，不同的檢測樣品粉粒的含量相似，那么黏粒和砂粒含量的比例在決定最大干密度的貢獻(xiàn)中就非常重要了。

3）從圖2 看出，檢測樣品整體的含砂量較小，符合黃土的特點(diǎn)。

4）從圖2、圖4 可以看出，當(dāng)砂粒和黏粒都相對較高時，最大干密度較大。

4.3 最大干密度與不均勻系數(shù)Cu 曲率系數(shù)Cc的關(guān)系

土的最大干密度與顆粒級配整體組成的關(guān)系，即與不均勻系數(shù)Cu、曲率系數(shù)Cc 的關(guān)系，見圖5、圖6。

圖5 最大干密度與不均勻系數(shù)Cu 關(guān)系圖

圖6 最大干密度與曲率系數(shù)Cc 關(guān)系圖

1）從圖5 可以看出，土的最大干密度隨土的不均勻系數(shù)Cu 增大而增大，屬于正相關(guān)，相關(guān)性非常明顯，其中99%的土料檢測樣品中Cu≥5。

2）從圖6 看出，土的最大干密度與土的曲率系數(shù)Cc 相關(guān)性較弱，其中82%的土料檢測樣品中Cc 值集中在1～3。

3）從圖6 看出，少量土樣Cc<1，或Cc>4，但最大干密度反而很大。分析：Cc<1，Cu≥5 時，說明粉土集中在一個粒徑，同時含有砂粒、黏粒，Cc>4，Cu≥5 時，土樣中粗粉粒含量相對較高，這樣干密度也會增大。

4.4 最大干密度與顆粒級配關(guān)系原因分析

最大干密度與土的成分和顆粒級配有關(guān)，同一地區(qū)，土的成分相近，那么顆粒級配的影響就很大。統(tǒng)計(jì)的檢測樣品為黃土，黃土的最大特點(diǎn)就是含有大量的粉土顆粒，尤其是在0.05～0.005 mm 的粉土占55%以上，大于0.25 mm 的顆粒含量很少，因此整體上看，其粒徑分布相對集中。這樣就導(dǎo)致土樣的最大干密度與土的不均勻系數(shù)Cu 有很大的關(guān)系，在外力作用下，小顆粒會填充到大顆粒的孔隙之中，更容易壓密實(shí)，大顆粒的存在更影響最大干密度。

5 結(jié)語

對山西省部分地區(qū)的黃土，就最大干密度與最優(yōu)含水率關(guān)系、最大干密度與土樣顆粒級配關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析：1）最大干密度與最優(yōu)含水率呈線性關(guān)系，最大干密度越大，最優(yōu)含水率越?。?）80 組檢測樣品，90%的黃土最大干密度介于1.6～1.8 g/cm3；3）Cu≥時，最大干密度隨土的不均勻系數(shù)Cu 增大而增大，屬于正相關(guān)；4）土樣中粗顆粒（砂粒、粗粉粒組）的多少對最大干密度有明顯影響。

以上僅對山西部分黃土進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對不同地區(qū)由于土粒成分、級配等不同，需根據(jù)實(shí)際情況分析。