压实质量影响因素分析

陈州文

摘 要：路基是路面的基础，直接承受路面自重和汽车传来的荷载，利用机械对路基进行高标准压实，路基的压实质量影响着路面的行车和安全，做好路基的压实质量控制尤其重要。本文结合路基施工工程实际，通过对大量的工程施工资料进行研究并结合前人研究成果，对影响土基压实质量的诸多因素进行分析，阐述如何控制控制土基压实质量。

关键词：压实机理;干密度;含水率;压实指标

1 土的压实机理

土的压实实质上是土在外力短暂重复冲击作用下三相重新组合密实的过程。此时，土的物理性质和力学性质都产生了变化。土壤被压实后，空气被排出，孔隙率减少，密度提高，相应的承载能力也逐渐增大。不同类型的土工程特性各异，其压实質量受土质、土颗粒级配、含水率、击实功等影响。我们可以将土的压实过程描述为“排列、填充、排出、夯实”。

排列：土颗粒在碾压机械施加短时间荷载或振动荷载后重新排列。在压实过程中，不同土的构成新的三相组成所需要的压实功不同。一定数量的水在土颗粒之间起到润滑作用，可以减小土颗粒之间的摩阻力，有利于土颗粒重新排列。因此含水率在土颗粒重排列中起着重要作用。

填充：由于土颗粒粒径组成不同，在荷载的作用下，在大颗粒周边的小颗粒被挤入大颗粒之间的空隙。很明显，大小颗粒的相互填充即土的颗粒级配是影响这个过程的主要因素。级配良好的土在外力作用下小颗粒容易嵌入大颗粒之间的空隙中，使土体密实，压实质量提高。

排出：在外荷载的作用下土颗粒之间的空隙中的水和气体被排出。工程上对土的压实主要是排出气体。

夯实：土中单个颗粒或不规则颗粒在较大压实能量的作用下被破碎成细小颗粒后填充在大颗粒中，被压碎后土的颗粒级配产生变化。

由此可见，土质，土的三相构成，含水率，土颗粒级配，压实功是影响压实的主要因素。不同类别的土在压实特性不同。

2 土基压实意义

路基是保证路面质量的根本，直接承受着结构自重及路面传来的车辆荷载，是一条带状结构物，具有较长长度，与大自然接触面广，受影响因素多等特点，尤其是路基在施工过程中经历挖、运、填、压、修等施工工序后，易造成土粒松散不密实。压实是改变土体特性满足土基工程质量的一种经济、高效的途径。压实强度高的土基，可以减缓在土基自然沉降或在重型汽车重复荷载作用下产生的永久变形，减小塑性变形，降低透水性，减少毛细水上升高度，大大提高其强度，能在一定程度上防止因季节等因素造成的病害。公路路基质量的好坏决定了整条公路的使用寿命。因此，利用机械对路基进行高标准压实，做好路基的压实质量控制尤其重要。

3 影响因素分析

3.1 施工含水率

路基暴露在大气环境中，常年经历着温度和水共同作用产生的冷热干湿变化而产生沉陷、波浪、翻浆、开裂等病害。土基只有被充分压实后才能获得足够的承载能力以保证路面的使用质量。通过击实试验可知，土基在最佳含水率时压实才能获得最大的干密度。然而，现场土基现场施工时，由于作业顺序、外界环境等因素对填土压实时的含水率产生影响。最佳含水率干侧和最佳含水率湿侧对土基压实性能的影响见下表1。

从上表可以看出，当控制含水率在最佳含水率的干侧时，压实后的土基达到了施工中所需要的抗剪强度，孔隙压力较低，但土基后期的质量却受到较大影响。干侧土体遇水时易产生冻胀现象，土基易失稳;当控制含水率在湿侧时，土的变形模量和强度较低。因此，应根据施工现场填料的压实特性及现场施工的自然环境对最佳含水率使用范围进行合理的控制。

从微观结构对土的物理力学研究发现，在最佳含水率干侧时压实土明显呈双重结构。在湿侧，呈均匀结构而非定向排列的分散结构。土体内部结构的受含水率的变化而变化，因而使土的压实特性产生较大差异。杨世基在风化残积土的试验中，采用干法和湿法得到的土的压实性能也是不相同的。为了更真实地模拟现场土基压实的实际情况，建议土的室内标准击实试验应采用湿法。

3.2 碾压机具

从图1不同击实功对干密度的影响可以推导，在最佳含水率条件下，不同碾压机具对压实效果有较大区别。振动比光轮压实质量好。重型压路机压实功大，轻型压路机压实功小，前者压实质量好。然而，在土基施工中，盲目的通过增加压实功来获得较好的压实质量是不经济的，应在工程进度、工程质量、工程成本控制等方面考虑具体工程情况选择合适的碾压机具，其单位压力应小于土体的抗剪强度极限值。

对碾压机械及与适用土的类别、碾压机具与适应的松铺厚度在《公路路基施工技术规范》（JTG F10-2006）中作了如下表（表2，表3）规定。

注：（1）表中符号：A代表适用;B代表无适当的机械时可用;C代表不适用;（2）土的类别按《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）的规定划分;（3）对黄土（CLY）、膨胀土（CHE）、盐渍土等的压实机械选择可按细粒土考虑;（4）自行式压路机宜用于一般路堤、路堑基底的换算等的压实，宜采用直线式进退运行;（5）羊足碾应有光轮压路机配合使用。

从上表可以看出，可用多种机械压实同一类土，一种土可用多种机械压实，但对碾压遍数、碾压方式和压实能量没有作出明确规定。而且，土的室内标准击实试验无法对现场施工机械压实过程进行真实模拟，各类施工机械所适用的最大干密度和最佳含水率与室内击实试验所得的相对比，在数值取用上存在一定幅度的偏差，不是完全相同的。现场压实检测采用室内击实试验所得的最大干密度作为压实度的标准参数，压实度无法得到真实的反应。

3.3 碾压参数（碾压厚度、碾压遍数、碾压方式、碾压速度）

松铺厚度与碾压机具适用情况如下表（表3）。

碾压厚度的影响：压实质量一般情况下随着压实厚度的增加而降低。大量工程实践表明，最高的密实度在距离土体表层5 cm处。如表3所示，在路基压实施工时，应根据碾压机械选择与之对应的松铺厚度，使碾压层压实质量满足工程要求。

碾压遍数的影响：大量工程实践证明，土基压实度随着碾压遍数的增加而有所增大。但是，压实度所增加与压实功的增加是不对等的，为了获得与压实度相应增加速率的压实度所需增加的压实功是非常大的。在土基施工过程中，应从工程质量、成本出发综合考虑选择合适的压实遍数，使压实后土基的质量满足工程要求，且节约成本。

碾压方式的影响：为了保障土基的密实度和平整度，在碾压土基的过程中，遵循“先慢后快、先静后振、先轻后重、先低后高、先两边后中间”的原则。

碾压速度的影响：碾压速度大小反映了外力作用在单位体积土体上持续时间的长短。碾压速度慢，持续时间长，外力施加在填料上的单位能量高。实践证明，碾压机械应匀速行驶，碾压速度一般不超过4 km/h为宜，应先慢压后快压。

3.4 压实能量

从前述分析可知，与最大干密度不同的是土的最佳含水率随着压实能量增大而变小，但这种增长是非直线式的有限度增长。当土体压实达到紧密状态时，土颗粒间的阻力已经非常大，如果想要将土体继续压实为超紧密状态，就需要更大的压实能量来克服土颗粒相对移动的阻力。在1987年制定水利电力部的土工试验规程时，用“南实处”击实仪和“标准普氏”击实仪这两张击实仪做了多组比对试验，“南实处”击实仪比“标准普氏击”实仪的击实能量提高43%，也只能将压实度为90%的土样提高到压实度为92%。1998年Blotz应用最小二乘回归法对22组不同土样（液限WL为17%～70%）的进行试所得的压实能量、最大干密度、最佳含水率的实验数据进行分析，发现压实能量与最大干密度的指数、压实能量与最佳含水率的指数呈线性关系。并拟合后得到下面两个式子（1）（2）：

式中：E，EK-压实能量，已知压实能量，单位kJ/m³;

ρdmax，E，ρdmax，K-最大干密度，已知最大干密度，单位kN/m³;

ωL-土的液限（%）;

ωopt，E，ωopt，K-最佳含水率，已知最佳含水率，单位%。

下表4和下图1是根据王钊等人对高速公路高路堤填土（粉质粘土：液限28.7%塑限17.5%）采用重型击实试验数据，用上式（1）计算所得的压实能量与压实度关系表和击实功和干密度的关系图。

从表4中数据可以看出，压实度在区间[90%，93%]，每增加1%的压实度，需要增加的击实功分别为20.14%，43.06%，72.22%，击实功增长梯度相对压实度的要高很多，而且随着相应压实度的增加，击实功所需增加的速率越来越快。这说明，在土基达到90%的压实度后，为了获得压实度较小的增长，必须耗费相对较大输出的击实功。

通过图1可以看出，击实功与干密度是非线性关系，在击实功大于740 kJ/cm³之后，其曲线坡度开始变小，当击实功到达一定数值之后曲线基本保持水平，干密度增长缓慢。鉴于室内标准击实试验是模拟现场施工的条件，根据图中的击实功与干密度的关系，可以在曲线上找到一个合适的点，在该点对应的干密度达到压实度标准时，所用的击实功比较经济。从研究成果可以得出，最佳含水率附近才能达到最经济最好的压实质量。在工程中选用合适的“经济压实功”，有利于降低工程施工成本。

3.5 其他因素

人员配备及机械设备的配备情况与质量保证体系是保证路基压实质量的重要因素。施工准备，填前检测及填前对原地面的处理，测量控制，上料、摊铺、整平，碾压前检测等也是路基压实质量控制的关键环节。压实土层的松铺厚度、碾压方式、碾压机械类型和压实参数这些因素也是必须得到合理的控制。

4 小结

通过土颗粒级配试验和土的液塑限联合测定法试验，对工程用土进行了分类，并证明了该黏土的级配良好，可用来填筑路基。通过工程试验数据分析、图表分析并结合前人研究成果对土的室内击实和现场压实施工分析研究后，总结出如下结论：

（1）土是由大小不同的土粒组成的，不同的土有着不同的颗粒级配，土的压实特性随着颗粒粒径大小及颗粒级配的不同而各异。良好的级配是指粗颗粒、细颗粒相互填充形成空隙率最小值，堆积密度最大的最密实结构，因而有较好的压实性能，而颗粒级配不良的土透水性较强，粘性和可塑性较低，压实性能較差，级配好坏会影响击实试验的结果。

（2）对土体进行击实，在击实功相同的前提下，只有合适的含水率（称为最佳含水率）才能获得理想的击实效果。相同土质在不同的击实功作用下的击实曲线不同。最大干密度随着击实功的增加而增大，最佳含水率随着击实功的增加而减小。为了获得干密度较小的增长，必须耗费相对较大输出的击实功，这是不合理的，提出应结合工程质量、工程要求选择经济压实功。

（3）现场土基现场施工时，由于作业顺序、外界环境等因素对填土压实时的含水率产生影响，且土的压实特性在最佳含水率干侧和实测存在差异，施工中应根据现场填筑路堤用土的压实特性及现场施工的自然环境对最佳含水率使用范围进行合理的控制。

（4）压实能量来源于压实机具。对碾压机具的选择、确定碾压参数是压实土基施工最关键的控制，选择合适的碾压机械，选择合理的碾压参数是保证路基压实质量的关键。

参考文献：

[1]中华人民共和国交通部.公路土工试验规程（JTG E40-2007）[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]冯忠居，谢永利.标准击实试验最佳含水量和最大干密度的理论计算[J].长安大学学报（自然科学版），2002（2）：10-13.