论述压实度与含水率的关系—对现场施工的指导

孟稳定 李洁 杨东妮娅

中建新疆建工（集团）第五建筑工程有限公司 新疆 乌鲁木齐 830058

一、概述:

土木工程中，土是指覆盖在地面上的碎散的，没有胶凝或胶凝很弱的颗粒堆积物，地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而破碎后，生成不同形状、大小不一的颗粒。这些颗粒受各种自然力的作用，在各种不同的环境下堆积下来，形成通常所说的土，堆积下来的土，在很长的地质年代中发生复杂的物理化学变化，因此，土是自然界漫长的地质年代内所形成的性质复杂、不均匀、各向异性且随时间不断变化的材料。自然界的土一般由固体颗粒、水和气三种成分所构成。

土中水除了一部分以结晶水的形式存在于固体颗粒的内部外,可以分成结合水和自由水，受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水，称为结合水；不受颗粒电场引力作用的水称为自由水。土中气体按其所处的状态和结构特点可以分为下几种类型:吸附于土颗粒表面的气体，溶解于水中的气体，四周为颗粒和水所封闭的气体以及自由气体，通常认为自由气体与大气连通，对土的性质无大影响，密闭气体的体积与压力有关，压力增加，则体积缩小，压力减小，则体积膨大。因此密闭气体的存在增加了土的弹性，同时还可阻塞土中的渗流通道，减小土的渗透性，其它两种气体对土性质影响尚未完全清楚。

二、压实度检测的理论依据：

压实就是指土体在压实能量作用下，土颗粒克服颗粒间阻力，产生位移，使土中的孔隙减小，密度增加。

K:压实度（%）；

三、压实度检测的方法：

施工过程中填料压实度控制是施工质量控制的关键所在，检测压实度的常用方法有：环刀法、灌砂法、蜡封法、灌水法、取芯法、核子湿密度仪法等，但无论用何种方法，其理论依据都大同小异，都是以压实土的干密度（即检测的干密度成果）与试验室标准击实所得的最大干密度的比值来确定压实程度的，以百分率表示。

1. 灌砂法

灌砂法是利用均匀颗粒的砂去置换试洞的体积，它是当前最通用的方法，很多工程都把灌砂法列为现场测定密度的主要方法。该方法适用于在现场测定基层（或底基层）、砂石路面及路基土的各种材料压实层的密度和压实度检测。但不适用于填石路堤等有大孔洞或大孔隙的材料压实层的压实度检测。它的缺点是：需要携带较多量的砂，而且称量次数较多，因此它的测试速度较慢。

2. 核子湿密度仪法

该方法适用于现场用核子密湿度仪以散射法或直接透射法测定路基或路面材料的密度和含水率，并计算施工压实度。这类仪器的特点是测量速度快，需要人员少。该类方法可检测土壤、碎石、土石混合物、沥青混合料和非硬化水泥混凝土等材料，有些进口仪器可贮存打印测试结果。它的缺点是，放射性物质对人体有害，另外需要打洞的仪器，在打洞过程中使洞壁附近的结构遭到破坏，影响测定的准确性，对于核子湿密度仪法，可作施工控制使用，但需与常规方法比较，以验证其可靠性。

3. 环刀法

环刀法是测量现场密度的传统方法，国内习惯采用的环刀容积通常为200 cm3，环刀高度通常约5cm。用环刀法测得的密度是环刀内土样所在深度范围内的平均密度。它不能代表整个碾压层的平均密度。由于碾压土层的密度一般是从上到下减小的，若环刀取在碾压层的上部，则得到的数值往往偏大，若环刀取的是碾压层的底部，则所得的数值将明显偏小，就检查路基土和路面结构层的压实度而言，我们需要的是整个碾压层的平均压实度，而不是碾压层中某一部分的压实度，因此，在用环刀法测定土的密度时，应使所得密度能代表整个碾压层的平均密度。然而，这在实际检测中是比较困难的；只有使环刀所取的土恰好是碾压层中间的土，环刀法所得的结果才可能与灌砂法的结果大致相同。另外，环刀法适用面较窄，对于含有粒料的稳定土及松散性材料无法使用。环刀法虽然是规范允许使用的方法，但它也有自身的缺点，那就是试样的质量过小，使试验数值的精度和稳定度受到一定的影响进而使人们对该实验结果的代表性表示忧虑。而灌砂法则因其数值的准确性、操作过程的可控性和结果的可代表性而得到建设各方的广泛认可，成为目前建设工程中应用最广泛的压实度检测方法 。

四、压实度的理论计算与分析

1.根据现场实际检测数据的分析：

施工现场通长采用灌砂法来检测压实度，以灌砂法为例来分析含水率与压实度的关系（不考虑其它外界条件的影响）。

K: 压实度（%） ；

其中为实验室检测土的最大干密度，数值准确，保持不变。

ω: 代表土样的含水率；

m5：代表试洞内的湿土质量；

m4：代表试洞内的标准砂质量；

rs：代表标准砂密度；取rs=1.37g/cm3；

2.下面以工程实际中所发生的具体数据为依据计算土的压实度，该材料为级配良好的戈壁料，由实验击实曲线得：最大干密度=2.35g/cm3，最佳含水率为；

根据以上数据所得：随着含水率的增加，压实度逐渐增加；

3.根据击实曲线的理论分析：

⑴下图为击实曲线数据

第一份击实曲线数据

第二份击实曲线数据

第三份击实曲线数据

⑵从上图中可以看出：当含水率为5%左右时，戈壁料的最大干密度为2.3g/cm3左右

经过大量的实验数据验证，含水率与土的干密度为曲线关系，设该曲线为开口向下的抛物线，则该曲线可以用二次函数式表达为：

4.含水率与干密度的函数关系理论分析现场压实度；

⑶ 现场只考虑含水率对压实度的影响，由于在工程应用中，超过最佳含水率时的压实度和不超过最佳含水率的压实度效果大致相同，考虑到工程经济的问题，现场只考虑含水率在零到最优含水率之间的压实度，即区间为ω=[0,5%]之间的压实度；当现场含水率达到最优含水率时，，即压实度K=100%;(考虑戈壁料的最优含水率为ω=5%，最大干密度为=2.3g/cm3）；

5.以现场实际情况验证理论公式（戈壁料）：

压实度的记录表

⑴第一组数据验证：

①现场测得含水率为3.1%时，用灌砂法测得现场压实度为95.7%。

②理论计算压实度为：

得出结论：理论值可以指导现场的实际工作；

⑵第二组数据验证：

①现场测得含水率为3.2%时，用灌砂法测得现场压实度为99.1%。

②理论计算压实度为：

得出结论：理论数据依然可以指导现场实际工作（理论值偏小），若理论值不符合设计要求，可以重新压实。若理论值符合设计要求，现场实际值也符合设计要求；

⑶第三组数据验证：

①现场测得含水率为3.4%时，用灌砂法测得现场压实度为99.6%。

②理论计算压实度为：

得出结论：同理理论值也可以指导现场实际工作；

六、总结：

实际工程应用中，压实度是保证建筑地基基础、公路、水坝等分部分项工程质量合格的重要检测依据，尤其在公路工程中，环境条件恶劣，水电供应困难的路段。用假设对称的二次函数根据实验室的击实实验求得的最佳含水率与最大干密度的关系可以求出该函数的具体表达式，再根据压实度的公式，（其中为已知数），根据设计要求的压实度，即可求出含水率ω，依据含水率的计算公式，按照换填材料的质量可以大致估算出需要水的质量。这样提前的估算可以加快工程进度，保证土的含水率满足压实度的要求，保证质量施工质量，节约工程成本，在实际工程中，每当材料发生变化时，只需在实验做击实实验，即可把控含水率的参数，能够方便、经济、快捷的处理工程现场实际的问题。