影响现场填土压实效果因素分析

2010-06-26刁占峰刁姝妍

黑龙江水利科技 2010年1期

刁占峰，刁姝妍

(1.沈阳农业大学高等职业技术学院，沈阳 110122;2.沈阳市排水处，沈阳 110015)

在土木工程建设中，常用土料填筑土堤、土坝、路基和地基等，如现在的除险加固水库的土石坝工程、防洪堤工程都是填筑的土石方量多，质量要求很高的人工填土。所有这些填土都必须采取夯打、碾压或振动等方法将土料压实到一定密实程度，从而改善填土的工程性质，提高填土的强度，降低压缩性和渗透性。

现场填筑土料施工质量的好坏，不仅影响工程施工进度，而且直接涉及整个工程质量，乃至工程安全问题。为了技术上可靠和经济上合理，必须对填土压实性进行研究。如何用最少的投入(最小的功能)，把土压实到所要求的密度度，保证填筑的质量，这就需要分析影响填土压实效果的因素，研究土的压实性变化规律。

1 填土压实性的基本规律

土的压实是指土体在一定的击实功的作用下，土颗粒克服粒间阻力产生位移，颗粒重新排列，使土中的孔隙体积减小，密度度增加的性质。研究土的压实性的目的在于寻找干密度、含水率和击实功三者之间的关系和基本规律，从而选定适合工程需要的填土干密度和相应的含水率。击实试验是填土工程施工中不可缺少的重要试验项目。对于黏性土室内击实试验是利用标准化的击实仪器和规定的标准方法，可确定出土的最大干密度ρmax和最优含水率ωop(见图1的击实曲线)，为填土工程设计和施工提供初步的填筑标准。试验证明，黏性土的击实曲线上有一峰值，此处的干密度最大，称为最大干密度，与最大干密度相应的含水率称为最优含水率。这说明当击实功一定，土料只有在最优含水率时，击实效果最好，土的含水率小于或大于最优含水率，击实后的土的干密度都小于最大值。这就揭示了填土的干密度、含水率和击实功三者之间的关系和基本规律。

2 影响现场填土压实效果的主要因素

室内击实试验的干密度、含水率和击实功三者之间的关系和基本规律为实际现场填土工程合理选用填筑含水率和填筑密度提供重要的依据，但是影响现场填筑效果因素非常之多。既有土本身的复杂性，又加之现场条件的变化，更增加了影响因素的多样性。

2.1 含水率的影响

含水率的大小对黏性土的压实效果影响极大，图1可以见证。从分析击实机理可以看出，含水率的不同，不仅改变了土中颗粒间的作用力，而且改变了土的结构与状态，从而在一定压实功能下，改变着黏性土的压实效果。试验统计证明:土中黏粒含量愈高，则最优含水率愈大，所以最优含水率ωop与土的塑限ωp有关，一般接近黏性土的塑限，大致为ωop=ωp+2%。在实际填土工程施工过程中，尤其是在雨季施工时，常常会出现压不实的“橡皮土”，这就说明土中含水率过高，加之有封闭气体存在，导致填土出现这种不良压实效果现象。由于黏性土压实存在着最优含水率，当含水率过低或过高，均不易压实到较大的密度，因此在施工时应将土料的含水率控制在最优含水率左右，以期用较小的机械能获得最好的压实效果。但是，在确定黏性土的施工含水率时，应根据土料的性质、填筑部位、施工工艺和气候条件等因素综合考虑，一般在最优含水率为98% ～103%。

粗粒土(砂和砂砾)的压实性也与含水率有关，但不存在着最优含水率。一般在完全干燥或者充分洒水饱和的状态下，容易压实到较大的干密度。试验结果已表明:潮湿状态，由于毛细压力增加，压实干密度显著降低。若粗砂含水率在4%～5%，中砂含水率在7%左右，压实的干密度最小。对于饱和的粗粒土，在静力或动力的作用下，当相对密度大于0.70～0.75时，土的强度显著增加，变形明显减小，可以认为相对密度0.70～0.75是力学性质的一个转折点。同时，由于大功率振动碾压机具的发展，提高碾压密度成为可能。

2.2 土的类别和级配的影响

结合红花尔基水利枢纽工程的现场土料击实试验结果，可以看出不同土类、不同颗粒组成和级配对压实效果产生的影响，见图2和表1。

土的颗粒粗细、级配、矿物成分和添加的材料等因素对压实效果有较大影响。在相同压实功能下，土颗粒愈粗，最大干密度就愈大，最优含水率愈小，土愈容易压实。如黏性土颗粒细，黏粒含量愈高，

表1 不同级配土的击实试验成果对比

塑性指数愈大，能吸收的结合水膜厚，含水率就大，击实过程中，颗粒间的结合水膜承担了一部分击实功，粒间所受的有效应力减小，所以压实愈困难，最大干密度愈小而最优含水量愈高。级配良好的土比级配均匀土压实后最大干密度大，而最优含水率要小。因为级配不良的土中颗粒粒径较均匀或是缺少中间某些粒径，较粗颗粒形成的孔隙很少有细颗粒去填充。而级配良好的土则相反，有足够的细颗粒去填充较粗颗粒形成的孔隙，因而可以获得较大的密度。土中含有机质多，亲水性强，不易压实，最大干密度就小，最优含水率则大，同时有机质在进一步分解中使土性质恶化，因此有机质是填筑土料中的有害物质，对其对含量有一定的限制。

2.3 压实机具的影响

为了提高填土的承载力，降低其压缩性，对其填土需要分层压实。压实填土的施工方法有很多，如重锤夯实法、机械碾压法(平碾、羊足碾、轮胎碾等)、振动压实法(如凸块振动碾)等。根据施工实际具体情况和条件，考虑确定填土压实的方法。选择压实机具，涉及到压实功能的问题。如果采用夯实法，则夯击的压实功能与夯锤重量、落距、夯击次数和填土层厚度等有关;如果采用碾压法，则碾压的压实功能与碾压机具的重量、接触面积、碾压遍数及填土层厚度等有关。从上述填土压实性基本变化规律来看，对于同类土，若土偏干时，增加压实功能对提高干密度影响较大，偏湿时增加压实功能来提高干密度则收效不大。因此，在压实填土施工中，当土的含水率较小，应需选用压实功能较大的机具或增加碾压的遍数、夯击的次数等，才能把土压实至最大干密度;当土的含水率较大，应需选用压实功能较小的机具进行施工，否则会出现“橡皮土”现象。但是，压实效果增大的幅度是随着压实功能的增大而降低的，企图单纯用增加压实功能来提高土的密度时不经济的，必须合理控制压实时的含水率，选择适合的压实功能，才能达到压实的预期效果。

2.4 土厚度和碾压遍数的影响

室内击实试验为现场填土提供了理论依据和基本规律，但实际工程的填土压实如土坝、土堤、路基施工填筑的情况与室内击实试验的条件是有差别的，例如现场填筑时采用的碾压机械与击实试验的自由落锤的工作条件不一样，前者大都是碾压而后者则是冲击;现场填筑土方的变形条件与击实试验时土在击实筒中也是不一样的，前者可产生一定的侧向变形，后者则是完全受侧限。又由于填筑材料的离散特性，故此需要做现场碾压试验，确定合适的压实机具、压实方法，为现场填筑提供合理的施工压实参数。

碾压试验参数有多种组合，可以采用逐渐收敛法进行试验。当压实机具选定后，在一定的含水率的条件下，填土铺土厚度和碾压遍数就是影响填土压实效果的主要因素，也是碾压试验主要确定的施工参数。填土铺土厚度和碾压遍数有一定的反比关系，填土铺土厚度薄些，可以采用较少碾压遍数，否则就要增加碾压遍数(但也不一定达到要求的密度)。据有关现场碾压测试成果分析得出“土层达到一定碾压遍数后，继续增加碾压遍数不能提高压实度，水利部有关规范规定:当采用轻型压实机具(如5～10T平碾)时，铺料厚度为20～25 cm;当采用中型压实机具(如12～15T平碾、5～8T振动碾)时，铺料厚度为25～30 cm;当采用重型压实机具(如10～16T振动碾、加载气胎碾)时，铺料厚度为30～50 cm。施工时，到底采用多大的铺料厚度及相应的碾压遍数，这不仅涉及填土工程施工质量，而且关系到经济合理的问题。某填土工程的现场碾压试验结果进一步说明含水率、铺土厚度、碾压遍数与干密度的关系，见图3。

2.5 现场的试验检测取样深度的影响

试验证明:在填筑土层厚度不大时，土层压实度随深度变化曲线符合二次抛物线规律。由于取样位置深度不同，土的干密度是有差异的。见图4(1线是第一层碾压后取样试验成果，2线是第二层后第一层重新取样试验成果)。当取样干密度大于土层实际压实度时，给工程质量和安全造成不利影响;当取样干密度小于土层实际压实度时，给工程造成经济损失，因此有必要根据大量现场试验确定选取最具代表性的取样深度及规定铺土厚度的压实度保证系数，这对于保证工程质量和合理降低工程成本具有极其现实的意义。