山西黄土击实特性分析.pdf

2023 年 5 月山西水利科技Analysis on Compaction Characteristics of Loess in Shanxi ProvinceSONG Xiao-lanAbstract:Shanxi Province is located in the Loess Plateau region.In the construction of water conservancyprojects袁roads袁and urban infrastructure袁a large number of loess will be used as the filling material for projects.Due to the characteristics of loess particles such as concentrated silt content袁loose structure袁and uniform texture袁it is very important to study the compaction characteristics.Based on the statistics of 80 sets of compaction testdata collected in water conservancy projects袁the interrelationships between maximum dry density and optimalwater content袁maximum dry density and particle composition and gradation were analyzed.The analysisconclusions can provide references for further clarifying the compaction characteristics of loess in ShanxiProvince.Keywords:loess曰maximum dry density曰optimal water content曰particle grading文章编号：1006-8139渊2023冤02-058-03山西黄土击实特性分析宋效兰（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原 030024）摘要：山西地处黄土高原地区，在水利工程、道路、城市基础设施的建设中，会大量采用黄土作为工程的填筑材料。由于黄土颗粒具有粉粒含量集中，结构疏松，质地均匀等特点，研究压实特性非常重要。对水利工程中收集的 80 组击实试验数据进行统计，分析了最大干密度与最优含水率、最大干密度与颗粒组成及级配的相互关系，分析结论可为进一步明确山西黄土击实特性提供参考。关键词：黄土；最大干密度；最优含水量；颗粒级配中图分类号：TU444文献标识码：B0引言黄土是第四纪的一种特殊堆积物，具有很明显的特点，即以黄色为主（如灰黄、褐黄等颜色），富含碳酸钙成分及其结核，天然剖面成垂直节理，具有肉眼可见的大孔隙，含有大量的粉土颗粒，结构疏松，无层理，质地均匀。山西地处黄土高原地区，为了促进当地经济发展，在水利工程、道路、城市基础设施的建设等，会大量采用黄土作为工程的填筑材料。黄土具有特殊的工程性质，作为填筑材料大量使用，其压实特性是影响工程质量的重要因素。工程实际中采用压实度对填筑工程质量进行评价，因此室内击实试验测得的最大干密度、最优含水率尤其重要。1试验方法1.1 土样准备在建筑工程的料场按照规定要求采取一定组数的土样，每组土样不少于 25 kg，送到试验室，进行击实试验。依据 土工试验方法标准（GB/T50123-1999）的要求，将每组土样风干，并放在橡皮板上碾散，然后过5 mm 筛，将筛下的土样拌匀，称取相同质量的五份，每份 2 500 g，根据土的塑限预估最优含水率，配制 5 个不同含水率的土样，满足相邻两个含水率差值在 2%左右。收稿日期：2023-03-28修回日期：圆园圆3原04原03作者简介：宋效兰（1973 年-），女，1997 年毕业于山西师范大学，高级工程师。58山西水利科技第 2 期（总第 228 期）宋效兰：山西黄土击实特性分析同时取土样，测定风干土的含水率和颗粒级配。1.2 仪器设备采用 JDS-2 型数控电动轻型击实仪，锤质量 2.5kg，落高 305 mm，击实筒内径 102 mm，筒高 116 mm，容积947.4 cm3，单位体积击实功 592.2 kJ/m3。1.3 试验检测把配制好的土样，分三次倒入击实筒，每层击实次数为 25 次，击实后的每层试样高度应大致相等，每层击实完毕，两层交界面的土层应刨毛，再进行下一层击实。击实完成后，修平击实筒上下面土样，称量出击实筒内土样的重量，并测出筒内土的含水率，计算出对应的干密度。以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，绘制干密度与含水率的关系曲线，在曲线上的峰值，纵坐标对应的为最大干密度，横坐标对应的为最优含水率。2试验数据基本资料土料检测样品共有 80 组，来自近几年 10 个水利水电工程勘察项目，取样地点涉及山西省由北向南多个地域，有大同新荣区、朔州朔城区、灵丘县、兴县、清徐县、隰县、壶关县、新绛县、万荣县等区域，土样少量为Q2的黄土，大部分为 Q3的黄土。试验室对每一组土料样品分别进行了击实试验、颗粒分析，统计数据见表 1。表 1试验数据基本情况统计3击实试验指标相互之间关系3.1 最大干密度与最优含水率的关系依据 80 组土样检测的试验数据，以最大干密度为纵坐标，以最优含水率为横坐标，建立直角坐标系，如图 1。从图 1 可以看出：1）最大干密度越大，最优含水率越小，呈反向相关关系。2）80 组检测样品中，90%最大干密度介于 1.61.8 g/cm3，90%的最优含水率处于13.0%21.0%。3.2 原因分析当土中的含水率较低时，土颗粒周围的水膜较薄，表面张力形成的毛管压力大，增加了土颗粒之间的摩擦阻力，土粒移动相对困难，因此，压实过程较难；当含水率增加时，土颗粒周围的水膜变厚，使得土颗粒之间的摩擦力减弱，水契入颗粒之间，也起到润滑作用，在外力作用下，颗粒发生移动，更容易压实，干密度增大，在最优含水率时，水膜厚度适中，且不存在多余的水分，此时对应的干密度为最大干密度。4最大干密度与颗粒级配之间的关系4.1 土的颗粒级配土的颗粒级配，即土颗粒的大小及各种粒组占该土总质量的百分数。工程上把大小相近的土粒合并成为组，称为粒组，不同的粒组赋予土不同的性质，根据 土的工程分类标准（GB/T50145-2007），粒径划分为 0.0752 mm 砂粒，0.0050.075 mm 粉粒，0.005 mm 黏粒。土颗粒的大小及其组成情况，通常以颗粒级配累计曲线表示。在累计曲线上，通过不均匀系数 Cu 和曲率系数 Cc 两个重要指标来判读土颗粒级配的优劣。Cu越大表示土粒大小的分布范围越大，其级配良好，Cc反映曲线的整体形态，当 Cc 很小时，曲线很陡，表示土粒均匀。4.2 最大干密度与砂粒、粉粒、黏粒的关系将 80 组土样检测的试验数据，用散点图汇总击实试验的最大干密度随砂粒、粉粒、黏粒含量的变化，见图 2、图 3、图 4 所示。图 2最大干密度与砂粒含量的关系1）从图 2、图 3、图 4 可以看出，单独看无论是砂粒、粉粒还是黏粒，与最大干密度的相关性都比较弱。2）从图 3 可以看出，所有检测样品粉粒的含量都非常高，有 98%的土样粉粒含量大于 55%，符合黄土的特征。由于砂粒、粉粒、黏粒含量总和为 100%，可以得出，统计量最大干密度/（g/cm3）最优含水量/（豫）颗粒含量/（%）不均匀系数曲率系数砂粒 粉粒 黏粒CuCc最小值1.5712.11.348.42.54.60.5最大值1.9221.434.3 95.3 31.4378图 1最大干容重与最优含水率关系图592023 年 5 月山西水利科技图 3最大干密度与粉粒含量的关系不同的检测样品粉粒的含量相似，那么黏粒和砂粒含量的比例在决定最大干密度的贡献中就非常重要了。3）从图 2 看出，检测样品整体的含砂量较小，符合黄土的特点。4）从图 2、图 4 可以看出，当砂粒和黏粒都相对较高时，最大干密度较大。4.3 最大干密度与不均匀系数 Cu 曲率系数 Cc的关系土的最大干密度与颗粒级配整体组成的关系，即与不均匀系数 Cu、曲率系数 Cc 的关系，见图 5、图 6。图 4最大干密度与黏粒含量的关系图 5最大干密度与不均匀系数 Cu 关系图图 6最大干密度与曲率系数 Cc 关系图1）从图 5 可以看出，土的最大干密度随土的不均匀系数 Cu 增大而增大，属于正相关，相关性非常明显，其中 99%的土料检测样品中 Cu逸5。2）从图 6 看出，土的最大干密度与土的曲率系数Cc 相关性较弱，其中 82%的土料检测样品中 Cc 值集中在 13。3）从图 6 看出，少量土样 Cc4，但最大干密度反而很大。分析：Cc4，Cu逸5 时，土样中粗粉粒含量相对较高，这样干密度也会增大。4.4 最大干密度与颗粒级配关系原因分析最大干密度与土的成分和颗粒级配有关，同一地区，土的成分相近，那么颗粒级配的影响就很大。统计的检测样品为黄土，黄土的最大特点就是含有大量的粉土颗粒，尤其是在 0.050.005 mm 的粉土占 55%以上，大于 0.25 mm 的颗粒含量很少，因此整体上看，其粒径分布相对集中。这样就导致土样的最大干密度与土的不均匀系数 Cu 有很大的关系，在外力作用下，小颗粒会填充到大颗粒的孔隙之中，更容易压密实，大颗粒的存在更影响最大干密度。5结语对山西省部分地区的黄土，就最大干密度与最优含水率关系、最大干密度与土样颗粒级配关系进行统计分析：1）最大干密度与最优含水率呈线性关系，最大干密度越大，最优含水率越小；2）80 组检测样品，90%的黄土最大干密度介于 1.61.8 g/cm3；3）Cu逸时，最大干密度随土的不均匀系数 Cu 增大而增大，属于正相关；4）土样中粗颗粒（砂粒、粗粉粒组）的多少对最大干密度有明显影响。以上仅对山西部分黄土进行统计分析，对不同地区由于土粒成分、级配等不同，需根据实际情况分析。宋效兰：山西黄土击实特性分析60