影響現(xiàn)場填土壓實(shí)效果因素分析

刁占峰，刁姝妍

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽 110122;2.沈陽市排水處，沈陽 110015)

在土木工程建設(shè)中，常用土料填筑土堤、土壩、路基和地基等，如現(xiàn)在的除險加固水庫的土石壩工程、防洪堤工程都是填筑的土石方量多，質(zhì)量要求很高的人工填土。所有這些填土都必須采取夯打、碾壓或振動等方法將土料壓實(shí)到一定密實(shí)程度，從而改善填土的工程性質(zhì)，提高填土的強(qiáng)度，降低壓縮性和滲透性。

現(xiàn)場填筑土料施工質(zhì)量的好壞，不僅影響工程施工進(jìn)度，而且直接涉及整個工程質(zhì)量，乃至工程安全問題。為了技術(shù)上可靠和經(jīng)濟(jì)上合理，必須對填土壓實(shí)性進(jìn)行研究。如何用最少的投入(最小的功能)，把土壓實(shí)到所要求的密度度，保證填筑的質(zhì)量，這就需要分析影響填土壓實(shí)效果的因素，研究土的壓實(shí)性變化規(guī)律。

1 填土壓實(shí)性的基本規(guī)律

土的壓實(shí)是指土體在一定的擊實(shí)功的作用下，土顆?？朔ｉg阻力產(chǎn)生位移，顆粒重新排列，使土中的孔隙體積減小，密度度增加的性質(zhì)。研究土的壓實(shí)性的目的在于尋找干密度、含水率和擊實(shí)功三者之間的關(guān)系和基本規(guī)律，從而選定適合工程需要的填土干密度和相應(yīng)的含水率。擊實(shí)試驗(yàn)是填土工程施工中不可缺少的重要試驗(yàn)項(xiàng)目。對于黏性土室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)是利用標(biāo)準(zhǔn)化的擊實(shí)儀器和規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法，可確定出土的最大干密度ρmax和最優(yōu)含水率ωop(見圖1的擊實(shí)曲線)，為填土工程設(shè)計和施工提供初步的填筑標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)證明，黏性土的擊實(shí)曲線上有一峰值，此處的干密度最大，稱為最大干密度，與最大干密度相應(yīng)的含水率稱為最優(yōu)含水率。這說明當(dāng)擊實(shí)功一定，土料只有在最優(yōu)含水率時，擊實(shí)效果最好，土的含水率小于或大于最優(yōu)含水率，擊實(shí)后的土的干密度都小于最大值。這就揭示了填土的干密度、含水率和擊實(shí)功三者之間的關(guān)系和基本規(guī)律。

2 影響現(xiàn)場填土壓實(shí)效果的主要因素

室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)的干密度、含水率和擊實(shí)功三者之間的關(guān)系和基本規(guī)律為實(shí)際現(xiàn)場填土工程合理選用填筑含水率和填筑密度提供重要的依據(jù)，但是影響現(xiàn)場填筑效果因素非常之多。既有土本身的復(fù)雜性，又加之現(xiàn)場條件的變化，更增加了影響因素的多樣性。

2.1 含水率的影響

含水率的大小對黏性土的壓實(shí)效果影響極大，圖1可以見證。從分析擊實(shí)機(jī)理可以看出，含水率的不同，不僅改變了土中顆粒間的作用力，而且改變了土的結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，從而在一定壓實(shí)功能下，改變著黏性土的壓實(shí)效果。試驗(yàn)統(tǒng)計證明:土中黏粒含量愈高，則最優(yōu)含水率愈大，所以最優(yōu)含水率ωop與土的塑限ωp有關(guān)，一般接近黏性土的塑限，大致為ωop=ωp+2%。在實(shí)際填土工程施工過程中，尤其是在雨季施工時，常常會出現(xiàn)壓不實(shí)的“橡皮土”，這就說明土中含水率過高，加之有封閉氣體存在，導(dǎo)致填土出現(xiàn)這種不良壓實(shí)效果現(xiàn)象。由于黏性土壓實(shí)存在著最優(yōu)含水率，當(dāng)含水率過低或過高，均不易壓實(shí)到較大的密度，因此在施工時應(yīng)將土料的含水率控制在最優(yōu)含水率左右，以期用較小的機(jī)械能獲得最好的壓實(shí)效果。但是，在確定黏性土的施工含水率時，應(yīng)根據(jù)土料的性質(zhì)、填筑部位、施工工藝和氣候條件等因素綜合考慮，一般在最優(yōu)含水率為98% ～103%。

粗粒土(砂和砂礫)的壓實(shí)性也與含水率有關(guān)，但不存在著最優(yōu)含水率。一般在完全干燥或者充分灑水飽和的狀態(tài)下，容易壓實(shí)到較大的干密度。試驗(yàn)結(jié)果已表明:潮濕狀態(tài)，由于毛細(xì)壓力增加，壓實(shí)干密度顯著降低。若粗砂含水率在4%～5%，中砂含水率在7%左右，壓實(shí)的干密度最小。對于飽和的粗粒土，在靜力或動力的作用下，當(dāng)相對密度大于0.70～0.75時，土的強(qiáng)度顯著增加，變形明顯減小，可以認(rèn)為相對密度0.70～0.75是力學(xué)性質(zhì)的一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)。同時，由于大功率振動碾壓機(jī)具的發(fā)展，提高碾壓密度成為可能。

2.2 土的類別和級配的影響

結(jié)合紅花爾基水利樞紐工程的現(xiàn)場土料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，可以看出不同土類、不同顆粒組成和級配對壓實(shí)效果產(chǎn)生的影響，見圖2和表1。

土的顆粒粗細(xì)、級配、礦物成分和添加的材料等因素對壓實(shí)效果有較大影響。在相同壓實(shí)功能下，土顆粒愈粗，最大干密度就愈大，最優(yōu)含水率愈小，土愈容易壓實(shí)。如黏性土顆粒細(xì)，黏粒含量愈高，

表1 不同級配土的擊實(shí)試驗(yàn)成果對比

塑性指數(shù)愈大，能吸收的結(jié)合水膜厚，含水率就大，擊實(shí)過程中，顆粒間的結(jié)合水膜承擔(dān)了一部分擊實(shí)功，粒間所受的有效應(yīng)力減小，所以壓實(shí)愈困難，最大干密度愈小而最優(yōu)含水量愈高。級配良好的土比級配均勻土壓實(shí)后最大干密度大，而最優(yōu)含水率要小。因?yàn)榧壟洳涣嫉耐林蓄w粒粒徑較均勻或是缺少中間某些粒徑，較粗顆粒形成的孔隙很少有細(xì)顆粒去填充。而級配良好的土則相反，有足夠的細(xì)顆粒去填充較粗顆粒形成的孔隙，因而可以獲得較大的密度。土中含有機(jī)質(zhì)多，親水性強(qiáng)，不易壓實(shí)，最大干密度就小，最優(yōu)含水率則大，同時有機(jī)質(zhì)在進(jìn)一步分解中使土性質(zhì)惡化，因此有機(jī)質(zhì)是填筑土料中的有害物質(zhì)，對其對含量有一定的限制。

2.3 壓實(shí)機(jī)具的影響

為了提高填土的承載力，降低其壓縮性，對其填土需要分層壓實(shí)。壓實(shí)填土的施工方法有很多，如重錘夯實(shí)法、機(jī)械碾壓法(平碾、羊足碾、輪胎碾等)、振動壓實(shí)法(如凸塊振動碾)等。根據(jù)施工實(shí)際具體情況和條件，考慮確定填土壓實(shí)的方法。選擇壓實(shí)機(jī)具，涉及到壓實(shí)功能的問題。如果采用夯實(shí)法，則夯擊的壓實(shí)功能與夯錘重量、落距、夯擊次數(shù)和填土層厚度等有關(guān);如果采用碾壓法，則碾壓的壓實(shí)功能與碾壓機(jī)具的重量、接觸面積、碾壓遍數(shù)及填土層厚度等有關(guān)。從上述填土壓實(shí)性基本變化規(guī)律來看，對于同類土，若土偏干時，增加壓實(shí)功能對提高干密度影響較大，偏濕時增加壓實(shí)功能來提高干密度則收效不大。因此，在壓實(shí)填土施工中，當(dāng)土的含水率較小，應(yīng)需選用壓實(shí)功能較大的機(jī)具或增加碾壓的遍數(shù)、夯擊的次數(shù)等，才能把土壓實(shí)至最大干密度;當(dāng)土的含水率較大，應(yīng)需選用壓實(shí)功能較小的機(jī)具進(jìn)行施工，否則會出現(xiàn)“橡皮土”現(xiàn)象。但是，壓實(shí)效果增大的幅度是隨著壓實(shí)功能的增大而降低的，企圖單純用增加壓實(shí)功能來提高土的密度時不經(jīng)濟(jì)的，必須合理控制壓實(shí)時的含水率，選擇適合的壓實(shí)功能，才能達(dá)到壓實(shí)的預(yù)期效果。

2.4 土厚度和碾壓遍數(shù)的影響

室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)為現(xiàn)場填土提供了理論依據(jù)和基本規(guī)律，但實(shí)際工程的填土壓實(shí)如土壩、土堤、路基施工填筑的情況與室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)的條件是有差別的，例如現(xiàn)場填筑時采用的碾壓機(jī)械與擊實(shí)試驗(yàn)的自由落錘的工作條件不一樣，前者大都是碾壓而后者則是沖擊;現(xiàn)場填筑土方的變形條件與擊實(shí)試驗(yàn)時土在擊實(shí)筒中也是不一樣的，前者可產(chǎn)生一定的側(cè)向變形，后者則是完全受側(cè)限。又由于填筑材料的離散特性，故此需要做現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，確定合適的壓實(shí)機(jī)具、壓實(shí)方法，為現(xiàn)場填筑提供合理的施工壓實(shí)參數(shù)。

碾壓試驗(yàn)參數(shù)有多種組合，可以采用逐漸收斂法進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)壓實(shí)機(jī)具選定后，在一定的含水率的條件下，填土鋪土厚度和碾壓遍數(shù)就是影響填土壓實(shí)效果的主要因素，也是碾壓試驗(yàn)主要確定的施工參數(shù)。填土鋪土厚度和碾壓遍數(shù)有一定的反比關(guān)系，填土鋪土厚度薄些，可以采用較少碾壓遍數(shù)，否則就要增加碾壓遍數(shù)(但也不一定達(dá)到要求的密度)。據(jù)有關(guān)現(xiàn)場碾壓測試成果分析得出“土層達(dá)到一定碾壓遍數(shù)后，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)不能提高壓實(shí)度，水利部有關(guān)規(guī)范規(guī)定:當(dāng)采用輕型壓實(shí)機(jī)具(如5～10T平碾)時，鋪料厚度為20～25 cm;當(dāng)采用中型壓實(shí)機(jī)具(如12～15T平碾、5～8T振動碾)時，鋪料厚度為25～30 cm;當(dāng)采用重型壓實(shí)機(jī)具(如10～16T振動碾、加載氣胎碾)時，鋪料厚度為30～50 cm。施工時，到底采用多大的鋪料厚度及相應(yīng)的碾壓遍數(shù)，這不僅涉及填土工程施工質(zhì)量，而且關(guān)系到經(jīng)濟(jì)合理的問題。某填土工程的現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步說明含水率、鋪土厚度、碾壓遍數(shù)與干密度的關(guān)系，見圖3。

2.5 現(xiàn)場的試驗(yàn)檢測取樣深度的影響

試驗(yàn)證明:在填筑土層厚度不大時，土層壓實(shí)度隨深度變化曲線符合二次拋物線規(guī)律。由于取樣位置深度不同，土的干密度是有差異的。見圖4(1線是第一層碾壓后取樣試驗(yàn)成果，2線是第二層后第一層重新取樣試驗(yàn)成果)。當(dāng)取樣干密度大于土層實(shí)際壓實(shí)度時，給工程質(zhì)量和安全造成不利影響;當(dāng)取樣干密度小于土層實(shí)際壓實(shí)度時，給工程造成經(jīng)濟(jì)損失，因此有必要根據(jù)大量現(xiàn)場試驗(yàn)確定選取最具代表性的取樣深度及規(guī)定鋪土厚度的壓實(shí)度保證系數(shù)，這對于保證工程質(zhì)量和合理降低工程成本具有極其現(xiàn)實(shí)的意義。

3 結(jié)語

影響現(xiàn)場填筑效果因素非常之多，不同場地的土料，具有不同的壓實(shí)性。在實(shí)際填土工程中，需要應(yīng)用填土壓實(shí)性基本規(guī)律，分析具體實(shí)際影響填土壓實(shí)的諸因素，通過室內(nèi)和現(xiàn)場的試驗(yàn)合理填筑標(biāo)準(zhǔn)和填土施工技術(shù)參數(shù)，才能保證填土施工的工程質(zhì)量，地基和建筑物的安全。

圖1 干密度與含水率關(guān)系

圖2 顆粒大小分配曲線

圖3 碾壓遍數(shù)與含水率、干密謀關(guān)系

圖4 干密度隨土層深度變化關(guān)系

[1] 劉增榮.土力學(xué)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2005.

[2] 楊康寧.水利水電工程施工技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社，1999.