余土高度對擊實試驗的影響研究及優化設計

陳大偉

(重慶交通大學,重慶 400074)

余土高度對擊實試驗的影響研究及優化設計

陳大偉

(重慶交通大學,重慶 400074)

摘要：擊實試驗的應用范圍極其廣泛，為進一步提高試驗的質量，針對目前傳統擊實試驗存在的不足，以余土高度對擊實試驗質量的影響為研究對象，展開相關室內試驗以及提出優化設計。室內試驗主要對比了余土高度對修補后土樣干密度的影響；優化設計方面主要是設計一種護筒脫離的裝置，并對其工作機理、操作流程進行了簡要介紹。試驗結果表明：現有公路土工試驗規程有關護筒的脫離技術沒有詳細規定。文中提出的小擊實筒的護筒的脫離器能有效避免擊實土樣余土高度出現負值的情況，降低土樣擊實試驗的返工頻率，提高試驗的效率。

關鍵詞：擊實試驗;余土高度;干密度;優化設計

土樣擊實試驗是試驗人員按照規范規程的要求，通過對土樣施加擊實功以了解土的壓實特性的一種方法。這個方法可以測定出土樣相應的干密度，進而獲得土樣的最大干密度、最優含水量，可作為填土工程設計、施工的重要依據。因為擊實試驗的質量直接影響到填土工程的總體質量和安全性，所以擊實試驗的成果是十分重要的參數。擊實試驗的試驗質量會受到許多因素的影響，其中包括土樣準備方法的影響、余土高度的影響、含水量的影響、潤滑劑的影響和土樣重復使用的影響等。許多影響因素都是人為造成的，因此很有必要通過對試驗過程的設計進行優化以降低某些因素的影響程度，從而提高試驗數據的參考價值[1-4]。

在本研究中，使用室內試驗的方法，對余土高度，這一影響擊實試驗質量的因素進行研究。研究分析了不同余土高度下修平后土樣干密度的變化規律，其中土樣的余土高度并不是刻意控制的；指出現有土樣擊實試驗中有關脫離護筒方面存在的不足，提出相關優化設計。

1余土高度對擊實試驗效率的影響

土樣擊實完成后，擊實筒內的土體與擊實筒的高度往往并不能完全一致，一般總會有部分土超過或未達到筒頂高度,這部分土的高度稱為余土高度。試驗中，當余土高度出現負值時，根據有關試驗規程的規定是需要重做的。在這種情況下，試驗的效率勢必會受到影響，尤其當試驗量十分巨大時影響更為突出。為此，關于余土高度對修平后干密度的影響進行了大量實驗及數據分析。

1.1試驗概況及試驗結果分析

試驗在重慶交通大學土木工程學院的教學實驗室進行，試驗室條件符合公路土工試驗規程的要求。考慮到經濟性和試驗的代表性，采用某種粉質黏土摻入石灰進行壓實處理。該種粉質黏土的性質見表1。試驗所用的石灰為熟化后的石灰粉。

表1　土的物理性質

試驗共分為3組，每組擊實10個。含水量都是20%，第一組摻灰比是0%，第二組摻灰比是9%，第三組摻灰比是12%。相應的不同摻灰比aω時灰土的余土高度見表2，其中余土高度為負值的原因是土樣與護筒之間的摩擦力所導致的土樣被拔出，這在土樣擊實試驗的操作過程中極為常見且很難避免。

表2　各試驗組余土高度 　mm

在進行土樣擊實試驗時，對于上述試驗所用粉質黏土以及其他物理性質與此種土樣相近的土，將余土高度控制為正值，對于控制好土樣的干密度大有裨益。這也與公路土工試驗規程中關于擊實土樣余土高度的有關規定相接近。但是，筆者認為現有的公路土工試驗規程中，對于余土高度的規定稍有欠缺。

1.2現有護筒脫離方法的缺陷

公式1為土樣干密度的計算公式[5]，由公式1可以看出，土樣的濕密度和含水量直接決定了土樣干密度的大小，土樣的濕密度和含水量由作用在土樣上的擊實功決定，然而在目前的土樣擊實試驗中，關于土樣小擊實筒護筒的脫離方法沒有詳細規定。試驗操作人員一般使用小錘敲擊護筒兩側用于固定的側耳，使護筒與小擊實筒分離。完成該步操作后，即可將擊實筒內多余土樣修平以進行土樣擊實試驗的余下操作步驟。

(1)

式中：ρd為干密度，g/cm3，計算至0.01；ρ為濕密度，g/cm3；ω為含水量，%。

然而不難看出現有公路土工試驗規程在脫離護筒方面有待補充。對于缺乏試驗經驗的操作人員，往往不能很好地將余土高度控制在公路土工試驗規程要求的高度以內，并且即使能夠將余土高度控制在規定的高度以內，由于土樣與護筒之間摩擦力的存在、土不具有抗拉的能力以及木槌敲擊護筒側耳時導致的不均勻受力，一般會導致土樣小擊實筒內的土樣帶出，在應該修平的土樣表面上形成凹向土樣小擊實筒內部的凹坑，此時一般的做法是往凹坑內填補上土樣，然后修平，如圖1所示。

需要進行修補的擊實土樣，其修補后整體干密度的大小由凹坑內修補進去的土樣的干密度和凹坑以下土樣的干密度決定。凹坑以下土樣受標準擊實功的作用，其干密度較為接近實際水平；而凹坑內修補進去的土樣往往是采用人工錘擊補土的方式，其擊實功得不到保證，因此這部分土樣的干密度很難達到凹坑以下土樣所達到的干密度，并且，這種影響是會隨著凹坑的大小而變化的，凹坑體積越大，對土樣整體干密度的影響就越大。由此可以看出，傳統的土樣小擊實筒護筒的脫離方法容易導致修平后的擊實土樣的重量出現偏差，因為修補進去的土樣達不到擊實試驗的擊實效果。這會給實驗結果造成誤差，對土樣擊實曲線的生成造成影響。

圖1　現有護筒脫離方法的缺陷示意圖

2優化設計

由前述試驗可以看出，在實際的土樣擊實試驗中，難以避免由于試驗操作所導致的余土高度為負值的情況，控制好余土高度對于減小試驗返工次數、提高試驗效率有極大的現實意義。

2.1小擊實筒的護筒的脫離器簡介

為避免現有土樣小擊實筒的護筒與小擊實筒脫離時容易導致擊實土樣被帶出，造成余土高度不合格的情況，筆者提出一種小擊實筒護筒的脫離器，這是一套土樣擊實試驗的輔助裝置。其主要的工作機理是利用杠桿原理，在不影響擊實土樣穩定的條件下，通過頂推盤頂住試樣，將護筒脫離。在該試驗輔助裝置研制成功的基礎上，筆者通過室內試驗驗證了該試驗輔助裝置的效果，可以有效避免余土高度出現不合格的情況，提高土樣擊實試驗的試驗質量，并給出了相應的操作流程。但由于其未進行多種素土、灰土的室內試驗，故該套試驗輔助裝置的實際應用效果還有待驗證。

本試驗輔助裝置解決技術問題所采用的技術方案是：不對現有土樣小擊實筒作改動，在土樣擊實完成后，將護筒和小擊實筒從底板上取下，采用一個外徑略小于土樣小擊實筒內徑的鋼制圓盤壓于護筒內擊實土樣表面，通過對鋼制圓盤施加外力，使護筒從小擊實筒上脫離，達到提高土樣擊實試樣精確度的目的。本試驗輔助裝置的有益效果是，可以保證修平后的擊實土樣的重量不出現偏差，保證土樣擊實實驗的準確性，并且結構簡單，操作方便。

小擊實筒護筒的脫離器(簡稱脫離器)是一種小擊實筒的護筒的脫離裝置。主要由上握桿、下握桿、傳力栓、固定盤、頂推盤5部分組成，其結構見圖2和圖3。

圖2　小擊實筒護筒的脫離器結構簡圖

圖3　小擊實筒護筒的脫離器立體圖

小擊實筒護筒的脫離器基本工作原理是將組裝完成的土樣小擊實筒護筒的脫離器安裝在護筒上，安裝方式為首先將固定盤嵌入護筒上部，然后握緊上、下握桿的后端使之并攏，利用杠桿原理頂出護筒，如圖4所示。

圖4　脫離器工作機理示意圖

2.2小擊實筒的護筒的脫離器操作流程

考慮到土樣擊實試驗的試驗流程并結合公路土工試驗規程(JTG E40—2007)，制定如下小擊實筒的護筒的脫離器試驗操作流程：

(1)按照公路土工試驗規程(JTG E40—2007)的規定將土樣擊實完成，將小擊實筒連同護筒從底板上小心地取下，注意做好土樣外露面的防失水措施[5]。

(2)將組裝好的土樣小擊實筒的護筒的脫離器安裝在護筒上，安裝方式為首先將固定盤嵌入護筒上部，然后使用將脫離器固定在護筒的側耳上。

(3)用手握住上、下握桿后端，用力握緊兩桿后端使之并攏，護筒被頂出，取下脫離器。

(4)取下脫離器，將多余土樣仔細削去并擦凈小擊實筒外表面。

(5)按照公路土工試驗規程(JTG E40—2007)的規定進行土樣擊實試驗余下實驗步驟。

整個小擊實筒的護筒的脫離器操作流程可概括為上述5個步驟，主要的操作流程、操作示意如圖5和圖6所示。

圖5　脫離器的工作流程

在整個操作過程中，需要做好土樣的防失水工作，對于擊實試驗中所用到的勞保用品以不吸水為宜。

圖6　脫離器的操作示意圖

3結論

(1)利用筆者提出的護筒脫離器將護筒與擊實筒分離，使余土不受干擾、結構簡單、操作方便。

(2)采用筆者提出的小擊實筒的護筒的脫離器能有效避免脫離護筒后余土高度為負值的情況，減少試驗重做的次數。當土樣擊實試驗的試驗量很大時，這對提高試驗效率是十分有利的。

由于在本次試驗中，對擊實土樣進行修補是采用人工補土的方式，不同試驗操作人員所修補土樣的干密度往往會產生差異，試驗的代表性略有欠缺，因此需要在后續的工作中進行完善。

參考文獻：

[1]陳輝，雷勝友.土的擊實試驗影響因素[J].建筑科學與工程學報，2005,22(2):69-71.

[2]劉鵬.室內土工試驗數據準確性探討[J].科技信息，2011(23):60-61.

[3]朱孟春.室內土工試驗的質量提高方法研究[J].建筑科學，2014(22):64-65.

[4]曾凡穩.土的室內擊實試驗結果影響因素及分析[J].中外公路，2009,29(6):250-253.

[5]中華人民共和國交通部.公路土工試驗規程：JTG E40-2007[S].北京：人民交通出版社，2007.

Study and optimized design of compaction test affected by residual soil’s height

CHEN Dawei

(ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074，China)

Abstract：The application of compaction test is extremely sweeping. In order to improve the quality of the test, emphasize on the affect by residual soil’s height, some relevant lab test was carried out and the optimized design was put forward as well which based on the actual compaction test experience and blotted out the disadvantages of traditional test. The lab test mainly analyzed the dry density of the soil sample which was repaired and affected by residual soil’s height after and before test. In the optimized stage, an device was produced that its liners can be separated, which was told by its principle and operation. The conclusion shows that no details about detachment technology can be ascertained in the existing highway soil test specification, the device that is developed by the author, can effectively avoid the negative value of compaction soil sample’s height. The reworking frequency of making soil sample is reduced, therefore the efficiency is improved.

Key words：compaction test; residual soil’s height; dry density; optimized design

作者簡介：陳大偉(1991-)，男，碩士研究生，主要從事港口、海岸及近海結構工程研究。

中圖分類號：TU411

文獻標志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)04-0004-05