影響室內土工擊實試驗結果的幾個問題

陳 華

(攀枝花天譽工程檢測有限公司，四川攀枝花617023))

影響室內土工擊實試驗結果的幾個問題

陳 華

(攀枝花天譽工程檢測有限公司，四川攀枝花617023))

擊實試驗是工程試驗檢測土石填筑中不可缺少的標準試驗項目,擊實試驗中的諸多因素都會影響擊實試驗的結果。文中介紹了幾個影響因素對試驗結果的影響分析。希望對現場壓實度檢測提供一些有實際意義的借鑒。

土工; 擊實試驗; 影響因素; 結果分析

壓實度是控制現場填筑工程質量的重要技術指標。為了控制土的壓實質量,需要對填料進行室內擊實試驗,測出土的最大干密度和最佳含水量。試驗方法是取至少5份不同含水量的填料按照規定的擊實功進行筒內擊實，之后稱重并測定含水率，以得出不同的干密度及含水量，通過繪出圖表的方法得出土的最大干密度和最佳含水量。而在室內土工擊實試驗中,諸多細節因素影響著試驗結果的準確度以及試驗的成功率。筆者對近年公司大量的土工擊實試驗通過分析，分析了填筑土樣的制備、含水率、余土高度對試驗結果的影響。

1 擊實試驗方法標準

土的擊實過程,實際是土顆粒和粒組在不排水條件下的重新組構過程。要將土壓實,必須使其水分降低到飽和度以下,擊實試驗就是用標準的計時方法測定土的干密度和含水率的關系,從而確定土的最大干密度和最優含水量。由于工程的具體要求不同,所用的填筑材料也不盡相同。因此,選用的擊實試驗方法也不同。標準的室內擊實試驗主要分為輕型和重型兩種(標準GB/T 50123-1999要求):輕型擊實試驗的試驗方法是分3層填筑土樣,每層錘擊25次;重型擊實儀器可以分3層填筑土樣,每層錘擊94次,也可分5層填筑土樣,每層錘擊56次。根據不同的填筑材料要選擇不同的試驗方法。輕型擊實儀適用于最大粒徑不超過5 mm的細粒土;重型擊實儀5層擊實適用于最大粒徑不超過20 mm的土。重型擊實儀3層擊實方法適用于最大粒徑不超過40 mm的土。具體的擊實試驗方法又包括干法和濕法2種。一般而言,對于高含水量的土宜選用濕法;非高含水量土則選用干法。主要原因是干法是將試樣風干或低溫烘干，之后碾碎過篩;濕法則是將天然含水率的試樣碾碎過篩，高含水率土可省略過篩步驟 。試驗顯示對于高含水率土體而言,干法求得的最大干密度較濕法求得的最大干密度大，而最佳含水率則較小。形成原因主要是含水率高時要將大部分土團原結構破壞重新排列幾乎不可能，而實際施工中的粉碎程度也很難達到風干或低溫烘干過篩的程度，故將導致最大干密度大，最佳含水率小;而對于非高含水率的土體而言，因其相對易粉碎，故兩種檢測方法結果差別并不明顯。因此對于高含水量的土體則適于濕法試驗，若采用干法則無形中會提高對土基壓實標準的要求，而在實際施工中則往往很難達到，最終必然導致檢測不合格的假象，并會增加施工成本。具體的試驗步驟詳見相關標準：《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-1999)或《公路土工試驗規程》(JTG E40-2007)。

2 試樣的制備

試樣制備方法不同將導致試驗結果不同，通過對同一土樣(昔格達土)對天然、風干、烘干狀態下的擊實結果分析見表1。

表1 同一土樣三種狀態擊實試驗結果

由試驗結果可以看出:最大干密度以烘干土最大,風干土樣次之,天然土樣最小;最優含水率以烘干土樣最小,天然土樣次之,風干土樣最大。烘干土對最大干密度的影響最大，由于在制備過程中土料事先烘干導致其散失基本的含水率而導致土體顆粒間封閉氣泡隨水分散失而消失，雖在擊實土料制作時添加水份但在短時間形成的封閉氣泡畢竟有限，而土體顆粒為承擔擊實功能的主體并導致土體發生永久性體積變化，最終得到較高的干密度; 同時烘干過程中的粉碎過篩處理將得到足夠的細顆粒來填充粗顆粒間的孔隙而獲得較高密實度。而濕法制料雖土料含有一定的水分，且在試驗前經過適當的暴曬或風干處理，但其最終土樣內保留了一定的含水率，因此土體內封閉氣泡絕大部分得以保存，導致試驗過程中很大一部分擊實功由孔隙氣承擔而轉化為孔隙壓力，而擊實時氣泡體積減小也是短暫的，且在土體擊實后的回彈量較大導致永久性變形較小，同時濕法制料過程中不易進行粉碎過篩處理，導致土體顆粒相對較大而不能填充大顆粒間孔隙，因此建議應盡量采用風干土樣或天然土樣。

3 試驗方法的影響

相關試驗規程中要求土體積不能高出擊實筒頂面5～6 mm,此時土樣接受總擊實功相同,密度具有可比性,但由于不知每層裝多少土才能使擊實后體積符合規范要求,因此,常出現土超過或未達到筒頂高度,這部分土的高度稱為余土高度。余土高度如果超過規范要求則試驗必須重做,因此為了提高試驗的成功率必須控制好余土高度。

(1)由擊實最大影響深度理論公式H=(Wh/10)1/2,式中:

H為擊實影響深度,m;W為擊實錘重,kN;h為落距,m。可以計算出標準重型擊實儀工作最大影響深度為(以標準GB/T 50123-1999中的筒高116 mm，余高6 mm計算)：

H=(4.5×9.8×0.001×0.457/10)1/2=0.0449 m=4.49 cm

每層擊實高度約為(116+6)/3=40.07 mm=4.01 cm；

(以標準JTG E40-2007中的筒高120 mm，余高6 mm計算)：

H=(4.5×9.8×0.001×0.450/10)1/2=0.0445m=4.45cm

每層擊實高度約為(120+6)/3=42.00 mm=4.20 cm；

通過兩組數據的比較，每層的擊實高度與計算出的標準重型擊實儀工作最大影響深度相差不大，因此擊實后一層對前面已擊實各層無多大影響,前面各層體積不再變化,所以三層的裝土量可以一致,從而可以預先估算每層該裝多少土樣。

(2)計算:根據我們大量的試驗驗證，重型擊實小筒按三次裝料，每次取約800～900 g土樣，設質量為m1裝入擊實筒,擊實后測量高度為h1;設高度為h2=4.20 cm(以標準JTG E40-2007中的筒高120 mm，余高6 mm計算),需裝入質量為m2,則約得出：

m1/m2=h1/h2

討論:當h1>4.20 cm時,則說明每層的填料加多了。因此,為使所裝土樣高度為4.20 cm,需取出多余土量的土;同理h1<4.20 cm時,需多加入一部分土。那么得出每層加入理論上的土量為m2=m1×h2/h1。

4 土體含水率的影響

土體含水率是影響土體壓實效果的最為重要的因素，含水率過大或過小都不能使土體達到最為緊密狀態。當土體內含水率較小則土粒表面的結合水膜較薄，而強結合水更少，土體顆粒間主要通過引力結合，因此其相對錯動較為困難，并趨向于任意排列，因此其不易密實最終導致干密度值偏低，含水率增加則其結合水膜增厚，土體顆粒間排斥力增大，顆粒間存在的弱結合水膜將起到一定的潤滑作用，易導致顆粒錯動，顆粒將定向排列增多，其干密度也隨之增大，而當含水率超過某限值則土體顆粒間引力仍減小，但顆粒間結合水膜承擔了部分擊實功，顆粒間的有效應力則減小。導致土體不易壓實，隨含水率繼續增加只能導致密度降低。

5 結 論

通過上述簡要分析可以得出以下結論: 在進行試樣的擊實試驗時應盡量采用風干土樣或天然土樣；余土高度對于干密度的影響是不可忽略的,要嚴格控制余土高度,一般不超過6 mm為宜，在擊實過程中每層土料質量盡量相等; 土體含水率也是影響土體壓實效果的最為重要的因素，所以土樣的含水量應適當。除了上述因素外,由于土樣性質差異很大,要求操作人員在實際工作中,掌握試樣的實際變化,試驗人員一定要嚴格執行規范的要求,控制好試驗條件,降低各種因素的影響,提高土的擊實效果,從而測定出科學真實的指標數據,作為施工技術控制的準確依據。

[1] GB/T50123-1999土工試驗方法標準[S].

[2] JTG E40-2007公路土工試驗規程[S].

[3] 何建平.土工試驗中存在的一些問題及建議[J].巖土工程界,2006(1):22-24.

[4] 趙樹德． 土力學[M]． 北京: 高等教育出版社，2001.

陳華(1979～)，男，本科，高級工程師，從事工程試驗檢測工作。

TU411.2

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[定稿日期]2015-03-26