水利水电工程设计DWRHE·2020年第39卷第4期
击实试验中软岩颗粒含水率的分析与研究
李岩李玉贵
摘要按照GB/T150123—2019《土工试验方法标准》中粗粒土击实试验的试样制备方法，通常是调制粒径小于5mm的试样含水率，使居中的一个试样的含水率接近细粒的塑限，而粗颗粒则采用饱和面干的方式，这对于坚硬岩或较硬岩是毫无疑问的，因为它们的饱和吸水率多在3%以下，而且不会因吸水而明显软化。但对于软岩颗粒，尤其是泥岩、泥质页岩、泥灰岩等软岩、极软岩和许多强风化岩类，岩石的自然吸水率和饱和吸水率多在15%以上，粗颗粒会遇水泥化，在这种情况下，如果仍采用饱和面干方式进行制备，会导致这些粗颗粒在击实后变成极软的泥质团块，而引起击实后的土体密实程度极不均匀，也会使试样的最优含水率偏高，最大干密度偏低。就击实试验中出现的这些问题进行分析和研究，并提出解决对策。
关键词含水率软岩泥化粗颗粒细颗粒击实试验试验方法标准
中图分类号TV41文献标识码B文章编号1007-6980（2020）04-0046-03
目前，在国内进行的粗颗粒土击实试验通常按照我国国家标准GB/T50123—2019《土工试验方法标准》
或按照水利、水电等行业标准进行；但具体试验方法基本相同，通常做法是：调制粒径小于5mm的细颗粒土试样含水率，按试样依次相差
2%～3%（主要看5mm以下颗粒含量），使居中的一个试样的含水率接近细粒的塑限，而粗颗粒则采用饱和面干的方式。这种将粗、细颗粒分别加水进行制备的方法，操作比较简便，含水率易于控制，而且易于寻找含水率与干密度之间的相关关系，因而一直以来被业内同行所普遍认可和采用。
但随着近年来，软岩筑坝料的普遍采用，在通过试验方法找寻以软岩、极软岩为主的粗颗粒土的最大干密度和最优含水率的击实试验中，却遇到了一个技术问题：做为试样中粗颗粒的软岩、极软岩，其吸水率高达15%以上，甚至高达20%，有的遇水还会部分泥化或完全泥化，这样以来，在配置粗颗粒试样时，再用饱和面干的方式就会导致击实后的试样中出现局部的泥质团块。当所配置的细颗粒含水率小于粗颗粒含水率时，这些由粗颗粒软化、泥化所形成的泥质团块，一方面使得整个试样密实度不均匀，另一方面，也使得试样无法进一步被锤击而变得更密实，从而影响其最大干密度值，这完全背离了击实试验的目的和初衷。
以下从试验方法和原理方面加以分析和说明。1试验方法的适用条件及存在的问题通常情况下，在粗颗粒土的击实试验中，通常有一个潜在的假设：其中的粗颗粒（5mm以上）不会被压缩（虽有可能由于锤击而破碎），不会软化、泥化；粗颗粒吸水率通常较小（多在3%以下），在这种情况下，在制备
的5个试样中，粗颗粒始终处于不可压缩的状态下，且表面湿润，在击实过程中易与细颗粒粘结成一体。
当试样中的粗颗粒为软岩、极软岩时，其吸水率一般会很高（12%以上），且吸水后在击实作用下极容易软化、泥化，甚至和细颗粒融为一体，在这种情况下，如果使粗颗粒达到饱和面干，而细颗粒的配置含水率小于粗颗粒的饱和含水率，由于土体自身并不易排水，在击实作用下，粗、细颗粒间的含水率很难达到一致，从而使得击实后的粗颗粒反而成为细颗粒中的较软的泥质团块，而变成较为不密实的部分，试样不能达到最密实的程度。
从以上分析可以看出，粗颗粒由较硬岩、坚硬岩改换为软岩、极软岩，由不可压缩性变为可压缩性，且其压缩性与细颗粒一样，同样与含水率有关，这样再把粗颗粒全部采用统一的饱和状态进行处理，显然是不合适的。要达到整个土样的最密实状态或最大干密度，则必须使粗、细颗粒都要达到最紧密状态（最大干密度）才行。
2工程实例及分析
在山东沂蒙抽水蓄能电站可行性研究阶段的筑坝料试验中，有两种天然土料作为心墙料，一种为全风化泥岩，一种为粉砂质泥岩，他们的自然吸水率基本在15%～20%。
击实试验前，首先测定了两种岩性（碎块状）的
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李岩等·击实试验中软岩颗粒含水率的分析与研究
自然吸水率，分别为20.2%和17.5%，然后按照试验规程中的常规做法，将大于5mm的粗颗粒浸水进行自然饱和，使其达到饱和面干的状态，然后分别掺入到配置的5种不同含水率的细颗粒土中，进行击实试验。击实试验结果见表1，击实曲线如图1所示。
表1饱和面干法处理粗颗粒后的击实试验结果
试样编号WEQ 1
WEQ J2
粗颗粒
岩性
全风化
泥岩
粉砂质
泥岩
自然吸水
率/%
20.2
17.5
含水
率/%
12.25
15.22
17.89
做梦梦见好多蛇
绿网高手19.68
21.74
11.67
13.72
14.87
15.89
17.58
干密度/
（g·cm-3）
1.645
1.688
1.712
1.697
1.667
1.853
1.876峨眉山旅游景点
1.883
1.871
1.841
最优含
水率/%
18.0
14.9
最大干密度/
（g·cm-3）
1.712
1.883
1.72
1.71
1.70
1.69
1.68
1.67
1.66
1.65
1.641012141618202224
含水率/%
干
密
度
/
（
g
·
c
m
-
3
）
ρdmax=1712g/cm3
w op =18.0%
1.89
1.89
1.88
1.88
1.87
刘裕北伐1.87
1.86
1.86
1.85
1.85
1.84
1.84
干
密
度
/
（
g
·
c
m
-
3
）
ρdmax=1.883g/cm3
w op=14.9%
1113151719
含水率/%
图1WEQ1与WEQ2击实试验曲线
（粗颗粒采用饱和面干方式制样后）
从试验后剖开的试样内部情况来看，存在较多
的泥质团块，细颗粒配置较低含水率下尤为明显，显示出软化后的处于软塑状态的泥质团块与周围击实后的细颗粒土在可塑状态上差异较大，不能相融合。对于细颗粒配置含水率较高时，由于土体基本均处于可塑状态，泥化的粗颗粒泥质团块则变得不再突出。
从以上试验过程中出现的现象、产生问题的原因以及对击实试验的试验机理和试验目的的分析，主要存在以下问题：
（1）传统试验中，粗颗粒作为土体的一部分，在试样中作为一个“硬核”的存在，体积始终不变，击实试验过程中只存在细颗粒的密实程度与含水率之间的相关关系。
（2）当软岩粗颗粒遇水软化、泥化时，重锤击实作用下，其体积也会发生改变，由于这种粗颗粒同样具有黏性，因而其密实程度与其含水率也存在一定的相关关系。
（3）由于水分在试样内难以自由流动，粗颗粒和细颗粒各自在不同含水率下经过击实达到各自不同的密实状态。
（4）击实的目的是使整个土体试样（包括粗颗粒和细颗粒）在某含水率下达到最密实的状态，从而使整个土体达到最大的干密度。
（5）由于粗颗粒采取了自然饱和的方式，其饱和含水率基本超过了击实试验的最优含水率，因而粗颗粒部分在配置的各个试样中经过击实均不能达到最大干密度，所以尽管整个土样能够根据击实曲线求得最大干密度和最优含水率，但该最大干密度应小于土样的真正最大干密度，最优含水率应大于实际的最优含水率。
基于上述分析，上述情况可以按照以下两种解决思路进行：
（1）对于粗颗粒按最优含水率配置，使粗颗粒在配置的各试样中始终处于最优含水率状态和最大密实程度。
（2）对于粗颗粒按不同含水率配置，始终保持粗颗粒的含水率与细颗粒一致，这样就保证了击实后的粗、细颗粒处于同一含水率状态下，由于一般土样粗、细颗粒基本为同一矿物成分，尤其是全、强风化岩，粗颗粒经击实破碎、软化泥化后，其击实性能基本相同，这样就保证了其最大干密度和最优含水率的一致性。
在上述两种思路中，第1种方法的最优含水率预先并不容易判断和准确确定，因而采用第2种方法更为现实。根据第2种方法，将上述两种岩性再次进行含水率配置和击实试验，得到如下结果（见表2和如图2所示）。
从两种制样方式得出的试验结果以及试验曲线对比（如图3所示）来看，粗、细颗粒配置相同含水率后，所得的最大干密度有所增大，最优含水率有所减小。当试样小于最优含水率时，若粗、细颗粒配置相同含水率，则试样密度随含水率的增长率会更大些，主要是粗、细颗粒的密实度都同时在提
·
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DWRHE ·2020年第39卷第4期
高；而当超过最优含水率时，试样密度随含水率的衰减速率同样也会快些。而若把粗颗粒配置成饱和面干状态，则粗颗粒在各试样中基本处于同一密实状态，只有细颗粒会随含水率的变化密实状态在发生改变，所以变化率相应会小些。
1.75
1.741.731.721.711.701.691.681.671.661.65
1.64
干密度/（g ·c m -3）
101214
1618
2022
含水率/%
ρdmax =1736g/cm 3w op =16.0%
（a ）WEQ 1
ρdmax =1896g/cm 3w op =13.3%
1.901.891.881.871.861.851.841.83
干密度/（g ·c m -3）
8
10
1214
1618
含水率/%
（b ）WEQ 2
图2
WEQ1与WEQ2击实试验曲线
（粗、细颗粒采用相同含水率制样后）
1.76
1.741.72
1.701.681.661.64
干密度/（g ·c m -3）
8
10
1214
161820
222426
含水率/%
粗细颗粒配置相同含水率ρdmax =1.736g/cm 3
w op =16.0%ρdmax =1.712g/cm 3w op =18.0%
如果我变成回忆
粗颗粒饱和面干（a ）WEQ 1
1.921.911.901.891.881.871.861.851.841.83
干密度/（g ·c m -3）
8
10
12
14161820
含水率/%
粗颗粒饱和面干ρdmax =1883g/cm 3w op =14.9%
粗细颗粒配置相同含水率
ρdmax =1.896g/cm 3
W op =13.3%（b ）WEQ 2
图3
WEQ1与WEQ2击实试验曲线（两种制样方式对比）
3结语
对软岩粗颗粒在击实试验中含水率的配置和试
验过程中其压缩性能的变化进行了分析，了解了软岩，尤其是极软岩，按照常规击实试验方法进行饱和面干制样存在的实际问题，通过深入研究击实试验的力学机理和试验目的，提出了现实条件下较为可行的解决方法，并总结得到以下几点体会：
（1）常规试验中，粗颗粒多为较硬岩或坚硬岩，在击实试验中通常作为“硬核”存在，体积保持不变，因而击实试验过程中只发生细颗粒的密实程度与含水率之间的相关关系。
（2）软岩，尤其是极软岩，遇水后会软化、泥化，击实后体积同样会发生变化；饱和状态下无法使粗颗粒达到最密实的状态。
（3）由于水分在试样内难以自由流动，粗颗粒和细颗粒只能各自在不同含水率下经过击实达到各自不同的密实状态；
（4）粗、细颗粒配置相同的含水率，容易使其同时达到最大干密度和最优含水率，从而取得整个土样的最大干密度。
参
考
文
献
[1]孙丽萍.山东沂蒙抽水蓄能电站土工试验报告[R].北京：中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，2011.
[2]郭庆国.粗粒土的工程特性及应用[M].郑州：黄河水利出版社，1996
[3]杨进良.土力学[M].北京：中国水利水电出版社，2006[4]陈希哲，叶菁.土力学地基基础[M].北京：清华大学出版社，1982
[5]GB/T 50123—2019，土工试验方法标准[S].[6]DL/T 5356—2006，水电水利工程粗粒土试验规程[S].
作者简介李
岩
男助理工程师聊城市位山灌区管理处
山东
聊城
252100
李玉贵
男
教授级高级工程师
中水北方勘测设计研究有限责任公司
天津
300222（收稿日期
2020-08-14）
表2粗、细颗粒配置相同含水率后的击实试验结果
试样编号
BSJ11BSJ12粗颗
粒岩性
全风化泥岩
粉砂质泥岩自然
风声鹤唳的故事吸水率/%20.2
17.5
含水率/%10.8713.5615.6617.8620.9810.3712.1213.2414.1616.09
干密度/
（g·cm -3）
1.6501.7081.7351.7241.6471.8561.8851.8961.8851.839
最优
含水率/%16.0
13.3
最大干密度/
（g·cm -3）1.736
1.896
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白米虾
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