李巖 李玉貴

目前，在國內進行的粗顆粒土擊實試驗通常按照我國國家標準GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》或按照水利、水電等行業(yè)標準進行；但具體試驗方法基本相同，通常做法是：調制粒徑小于5 mm 的細顆粒土試樣含水率，按試樣依次相差2%～3%（主要看5 mm 以下顆粒含量），使居中的一個試樣的含水率接近細粒的塑限，而粗顆粒則采用飽和面干的方式。這種將粗、細顆粒分別加水進行制備的方法，操作比較簡便，含水率易于控制，而且易于尋找含水率與干密度之間的相關關系，因而一直以來被業(yè)內同行所普遍認可和采用。

但隨著近年來，軟巖筑壩料的普遍采用，在通過試驗方法找尋以軟巖、極軟巖為主的粗顆粒土的最大干密度和最優(yōu)含水率的擊實試驗中，卻遇到了一個技術問題：做為試樣中粗顆粒的軟巖、極軟巖，其吸水率高達15%以上，甚至高達20%，有的遇水還會部分泥化或完全泥化，這樣以來，在配置粗顆粒試樣時，再用飽和面干的方式就會導致擊實后的試樣中出現局部的泥質團塊。當所配置的細顆粒含水率小于粗顆粒含水率時，這些由粗顆粒軟化、泥化所形成的泥質團塊，一方面使得整個試樣密實度不均勻，另一方面，也使得試樣無法進一步被錘擊而變得更密實，從而影響其最大干密度值，這完全背離了擊實試驗的目的和初衷。

以下從試驗方法和原理方面加以分析和說明。

1 試驗方法的適用條件及存在的問題

通常情況下，在粗顆粒土的擊實試驗中，通常有一個潛在的假設：其中的粗顆粒（5 mm 以上）不會被壓縮（雖有可能由于錘擊而破碎），不會軟化、泥化；粗顆粒吸水率通常較?。ǘ嘣?%以下），在這種情況下，在制備的5 個試樣中，粗顆粒始終處于不可壓縮的狀態(tài)下，且表面濕潤，在擊實過程中易與細顆粒粘結成一體。

當試樣中的粗顆粒為軟巖、極軟巖時，其吸水率一般會很高（12%以上），且吸水后在擊實作用下極容易軟化、泥化，甚至和細顆粒融為一體，在這種情況下，如果使粗顆粒達到飽和面干，而細顆粒的配置含水率小于粗顆粒的飽和含水率，由于土體自身并不易排水，在擊實作用下，粗、細顆粒間的含水率很難達到一致，從而使得擊實后的粗顆粒反而成為細顆粒中的較軟的泥質團塊，而變成較為不密實的部分，試樣不能達到最密實的程度。

從以上分析可以看出，粗顆粒由較硬巖、堅硬巖改換為軟巖、極軟巖，由不可壓縮性變?yōu)榭蓧嚎s性，且其壓縮性與細顆粒一樣，同樣與含水率有關，這樣再把粗顆粒全部采用統一的飽和狀態(tài)進行處理，顯然是不合適的。要達到整個土樣的最密實狀態(tài)或最大干密度，則必須使粗、細顆粒都要達到最緊密狀態(tài)（最大干密度）才行。

2 工程實例及分析

在山東沂蒙抽水蓄能電站可行性研究階段的筑壩料試驗中，有兩種天然土料作為心墻料，一種為全風化泥巖，一種為粉砂質泥巖，他們的自然吸水率基本在15%～20%。

擊實試驗前，首先測定了兩種巖性（碎塊狀）的自然吸水率，分別為20.2%和17.5%，然后按照試驗規(guī)程中的常規(guī)做法，將大于5 mm 的粗顆粒浸水進行自然飽和，使其達到飽和面干的狀態(tài)，然后分別摻入到配置的5 種不同含水率的細顆粒土中，進行擊實試驗。擊實試驗結果見表1，擊實曲線如圖1 所示。

表1 飽和面干法處理粗顆粒后的擊實試驗結果

圖1 WEQ1與WEQ2擊實試驗曲線

從試驗后剖開的試樣內部情況來看，存在較多的泥質團塊，細顆粒配置較低含水率下尤為明顯，顯示出軟化后的處于軟塑狀態(tài)的泥質團塊與周圍擊實后的細顆粒土在可塑狀態(tài)上差異較大，不能相融合。對于細顆粒配置含水率較高時，由于土體基本均處于可塑狀態(tài)，泥化的粗顆粒泥質團塊則變得不再突出。

從以上試驗過程中出現的現象、產生問題的原因以及對擊實試驗的試驗機理和試驗目的的分析，主要存在以下問題：

（1）傳統試驗中，粗顆粒作為土體的一部分，在試樣中作為一個“硬核”的存在，體積始終不變，擊實試驗過程中只存在細顆粒的密實程度與含水率之間的相關關系。

（2）當軟巖粗顆粒遇水軟化、泥化時，重錘擊實作用下，其體積也會發(fā)生改變，由于這種粗顆粒同樣具有黏性，因而其密實程度與其含水率也存在一定的相關關系。

（3）由于水分在試樣內難以自由流動，粗顆粒和細顆粒各自在不同含水率下經過擊實達到各自不同的密實狀態(tài)。

（4）擊實的目的是使整個土體試樣（包括粗顆粒和細顆粒）在某含水率下達到最密實的狀態(tài)，從而使整個土體達到最大的干密度。

（5）由于粗顆粒采取了自然飽和的方式，其飽和含水率基本超過了擊實試驗的最優(yōu)含水率，因而粗顆粒部分在配置的各個試樣中經過擊實均不能達到最大干密度，所以盡管整個土樣能夠根據擊實曲線求得最大干密度和最優(yōu)含水率，但該最大干密度應小于土樣的真正最大干密度，最優(yōu)含水率應大于實際的最優(yōu)含水率。

基于上述分析，上述情況可以按照以下兩種解決思路進行：

（1）對于粗顆粒按最優(yōu)含水率配置，使粗顆粒在配置的各試樣中始終處于最優(yōu)含水率狀態(tài)和最大密實程度。

（2）對于粗顆粒按不同含水率配置，始終保持粗顆粒的含水率與細顆粒一致，這樣就保證了擊實后的粗、細顆粒處于同一含水率狀態(tài)下，由于一般土樣粗、細顆?；緸橥坏V物成分，尤其是全、強風化巖，粗顆粒經擊實破碎、軟化泥化后，其擊實性能基本相同，這樣就保證了其最大干密度和最優(yōu)含水率的一致性。

在上述兩種思路中，第1 種方法的最優(yōu)含水率預先并不容易判斷和準確確定，因而采用第2 種方法更為現實。根據第2 種方法，將上述兩種巖性再次進行含水率配置和擊實試驗，得到如下結果（見表2 和如圖2 所示）。

從兩種制樣方式得出的試驗結果以及試驗曲線對比（如圖3 所示）來看，粗、細顆粒配置相同含水率后，所得的最大干密度有所增大，最優(yōu)含水率有所減小。當試樣小于最優(yōu)含水率時，若粗、細顆粒配置相同含水率，則試樣密度隨含水率的增長率會更大些，主要是粗、細顆粒的密實度都同時在提高；而當超過最優(yōu)含水率時，試樣密度隨含水率的衰減速率同樣也會快些。而若把粗顆粒配置成飽和面干狀態(tài)，則粗顆粒在各試樣中基本處于同一密實狀態(tài)，只有細顆粒會隨含水率的變化密實狀態(tài)在發(fā)生改變，所以變化率相應會小些。

表2 粗、細顆粒配置相同含水率后的擊實試驗結果

圖2 WEQ1與WEQ2擊實試驗曲線

圖3 WEQ1與WEQ2擊實試驗曲線（兩種制樣方式對比）

3 結 語

對軟巖粗顆粒在擊實試驗中含水率的配置和試驗過程中其壓縮性能的變化進行了分析，了解了軟巖，尤其是極軟巖，按照常規(guī)擊實試驗方法進行飽和面干制樣存在的實際問題，通過深入研究擊實試驗的力學機理和試驗目的，提出了現實條件下較為可行的解決方法，并總結得到以下幾點體會：

（1）常規(guī)試驗中，粗顆粒多為較硬巖或堅硬巖，在擊實試驗中通常作為“硬核”存在，體積保持不變，因而擊實試驗過程中只發(fā)生細顆粒的密實程度與含水率之間的相關關系。

（2）軟巖，尤其是極軟巖，遇水后會軟化、泥化，擊實后體積同樣會發(fā)生變化；飽和狀態(tài)下無法使粗顆粒達到最密實的狀態(tài)。

（3）由于水分在試樣內難以自由流動，粗顆粒和細顆粒只能各自在不同含水率下經過擊實達到各自不同的密實狀態(tài)；

（4）粗、細顆粒配置相同的含水率，容易使其同時達到最大干密度和最優(yōu)含水率，從而取得整個土樣的最大干密度。