影響土的擊實試驗的因素分析

徐 濤

(上海海洋地質勘察設計有限公司，上海 200120)

0 前 言

隨著經濟的快速發展，各項基礎設施建設也日益增多。在大量的工程建設中，時常會遇到局部軟弱土層或填土層需要換填和壓實處理，如新建道路、堆場、運動場、護岸圍堤、地下管道、淺層地基處理等，為了提高填土的承載力，常采用振動碾壓、強夯，振沖或堆載預壓等多種地基處理方式，提高填土的密實度，達到提高填土的地基承載力等目的。擊實試驗就是模擬施工現場各種地基處理方式，采用錘擊方法使土的顆粒得到重新排列，孔隙比變小，密度增加，壓縮性及滲透性降低，從而提高土體強度等。擊實試驗得到的試驗結果是判斷填土壓實度、施工工藝、施工機械、作業流程以及工程驗收等的主要依據，還可以檢驗各種地基處理效果。擊實試驗結果直接影響到工程質量的檢驗，該試驗過程中有很多細節因素，直接或間接的影響著結果的準確性。本文結合設置的不同類型土的擊實試驗進行分析研究，對試驗的影響因素做了初步探討。

1 試驗原理及方法

1.1 試驗原理

土的擊實試驗是模擬工程現場的夯實或壓實等施工原理，利用室內標準化的擊實儀和操作規程，對土樣施加一定的沖擊荷載能量使之壓實。因顆粒的緊密排列，增強了顆粒表面的摩擦力和顆粒之間的咬合力，使土體變得更加密實。通過這些試驗過程確定所需的最大干密度和最優含水率，并研究含水率與干密度的關系，為工程施工與控制施工質量提供有效、可靠的檢測數據。

1.2 試驗方法

擊實試驗是將土樣分層裝入擊實筒內，用標準重量的重錘按規定落距對土樣錘擊相同的擊數，檢測擊實后的土樣含水率和干密度。同一種土樣，一般配制5～6個不同含水率的樣品進行擊實試驗，測得相應的含水率和干密度，最后繪制干密度和含水率的關系曲線。兩者的關系一般為：隨著含水率的增加，擊實后土樣測得的干密度先增加后降低。在擊實曲線上可以找到一個峰值，稱為最大干密度ρdmax，與之相應的含水率稱為最優含水率ωopt。各個檢測和驗收標準根據該試驗測得的最大干密度和最佳含水率，計算現場壓實后的各種填土的壓實度，進而檢驗和判定地基處理效果是否滿足設計或標準要求。

2 土的性質對試驗結果的影響

2.1 土的含水率

土顆粒表面都有一層結合水薄膜，當土的含水率較低時，薄膜較薄，土顆粒間的引力起主導作用，在擊實過程中，土顆粒相互移動阻力較大，顆粒排列比較隨意，因此，試驗測得的干密度就會較低。但隨著含水率的增加，結合水膜厚度也隨之增加，顆粒間的排斥力也增大，擊實過程中顆粒移動相對容易，土顆粒排列更加緊密，干密度也就相應增大。當含水率超過某一數值后，雖然擊實動能可以克服土顆粒間的引力，但顆粒間相對較厚的結合水膜承擔了一部分擊實動能，土顆粒間受到的有效沖擊動能則相對減小，每層土體壓實的緊密度相對降低，試驗測得的干密度也隨之降低。當含水率繼續增加時，土顆粒之間的有效沖擊也減小，干密度會隨之下降。整體上干密度隨含水率的變化規律是先增加，達到一個峰值后又隨之減小，呈現一個拋物線的形狀。

2.2 土的種類

本次研究選取了三種土類，分別為粉土、粉質黏土和黏土，三種土在相同的試驗條件下按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)中的檢測要求，采用同一自動擊實儀設備、重型擊實試驗方法制樣，得出的試驗曲線圖見圖1。從圖1中可看出：最大干密度的排列順序是粉土>粉質黏土>黏土；最優含水率的排列順序剛好相反，黏土>粉質黏土>粉土。這主要是因為黏土的土粒直徑最小，相應的比表面積最大，與水結合需要的質量就越多，達到最大干密度時試驗測得含水率就越大。隨著含水率的增加，土顆粒間的結合水膜承擔的較大部分的擊實功，土粒間所受到的有效沖擊力就相應變小，導致土體不易壓實，干密度也就減小。

圖1 不同土性的擊實試驗曲線

2.3 土的顆粒級配

在同一類土中，土的顆粒級配對擊實結果影響較大。表1是選取的4個土樣擊實試驗結果對比表，其中1號和2號土樣為粉質黏土，塑性指數分別為13.0和13.5，相差不大；3號和4號土樣為黏質粉土，兩種土的塑性指數也比較接近。根據1號和3號土樣顆粒分析試驗測得土樣的不均勻系數CU和曲率系數Cc，滿足CU≥5，Cc=1～3的要求，屬于級配良好的土。但2號和4號土樣的顆粒級配曲線不滿足CU和Cc的要求，為級配不良的土類。結合表1的對比結果，當同一土性且塑性指數相近時，最大干密度的比較結果是：級配良好的土>級配不良的土。這主要是因為級配良好的土粗細均衡，土在擊實過程中較細顆粒可以有效地填充較粗顆粒形成的孔隙，土體受擊實后更加緊密，因此，試驗測得的干密度就較大。級配不良的土擊實過程中的孔隙較多較大，不容易達到密實的狀態。

表1 顆粒級配良好與級配不良的土擊實試驗結果對比

2.4 有機質的含量

土樣中如果有機質含量較多，會對土的擊實試驗結果產生不良影響。這主要是因為有機質的親水性較強，擊實過程中會對土顆粒產生隔離作用，同樣的擊實功不易將土擊實到最佳的緊密狀態，同時有機質還可能發生化學反應，使各方面土性變差，這些影響都將導致試驗和計算結果測得的干密度偏低。因此，相應規范中對含有機質的填料的使用都有一定的限制要求。

3 試驗過程中的影響

3.1 試樣制備

土樣的制備方法不同，擊實試驗結果也有所不同。大量試驗證明：干法和濕法測得的結果有很大差別。對于最大干密度，前者大后者小；對于最優含水率，前者小后者大。這種現象以黏土最明顯，粉土類則不是很明顯。烘干后的土樣，黏粒含量越大，測得的最大干密度影響也較大，主要是因為黏土烘干后變得堅硬，膠結性質也受到影響，一般情況下黏土都是采用濕法進行試驗，很多文章也專門研究了兩種制樣方法對試驗結果的影響[1]。

3.2 擊實功

壓實就是指土體在重錘的錘擊作用下，土顆粒克服顆粒間的阻力，產生位移，顆粒重新排序，使土體中的孔隙逐漸減小，土體密實度增大。擊實功是指每單位體積土體所受到的沖擊能量，擊實功能愈大，土體更加緊密，得到的最大干密度愈高，而最優含水率愈小。可見擊實功是影響擊實效果的一個重要因素。單位體積擊實功的表達式為[2]：

(1)

式中，Ec為單位體積擊實功，kJ/m3；We為擊錘重量，N；H為錘落距，cm；Nb為每層土的擊數；Ne為土層數；V為擊實筒容積，cm3。

從公式(1)可以看出，擊實功與擊實筒的錘重、落高、分層制樣的層數和每層擊數成正比，和擊實筒的容積成反比，因此，試驗過程中應按照標準要求進行。

3.2.1 兩種試驗方法

目前國內常用的室內擊實試驗方法有輕型和重型擊實兩種。同一試樣分別采用輕型和重型擊實，試驗結果是不一樣的。《土工試驗方法標準》(GB/T50123-2019)中規定了土樣粒徑應<20 mm，輕型擊實試驗的單位體積擊實功約為592.2 kJ/m3；重型擊實試驗的單位體積擊實功約為2 684.9 kJ/m3[3]。

輕型和重型擊實試驗的直觀區別是：重型擊實的單位體積擊實功大約為輕型的4.5倍。因此，同一土樣采用重型擊實，單位體積擊實功增大，對土顆粒的沖擊力越強，土體壓實得更緊密，測得樣品的濕密度越大，相應干密度也越大。同一土樣的兩種擊實試驗結果對比，重型擊實試驗測得的最大干密度較輕型的大，最優含水率重型較輕型的小。試驗過程中應結合標準規范要求，以及客戶委托要求，選擇合適的擊實方法完成室內擊實試驗，獲取滿足各方要求的試驗數據。

3.2.2 每層試樣高度

《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)中要求：試樣分3層或5層倒入擊實筒內并將土面整平，分層擊實。擊實后的每層試樣高度應大致相等，兩層交界面的土面應刨毛。為了研究分層高度不同對最終試驗數據的影響，選取了相同濕度的同一種土樣，采用重型擊實的5組樣品。其中2組試樣分層高度大致相等，另外3組試樣分層高度有明顯差異。表2是對比試驗結果表。從表2中可以看出：土樣的分層試樣高度基本一致(約為筒高的1/3)的A和B兩個樣品，試驗測得的干密度均為1.73 g/cm3，C、D、E三個試樣，上中下三層中其中一層厚度較大，試驗測得的干密度比均勻分層的試樣要小，低約(0.02～0.04) g/cm3。主要原因為：

每層高度大致相等時，每一層的土體的在擊實過程中所受的擊實功能也相對均等，受力均勻。如果某一層土較厚時，由于這一層厚度和體積增大，該深度范圍內的土體所受的擊實功也相對減小，這一層土體的緊密度相對其他兩個薄層，就顯得相對松散。因此，在試驗過程中，土樣的分層高度應盡量一致，以保證試驗結果的準確性。

表2 每層試樣高度不同時干密度試驗結果

3.3 余土高度

試樣擊實后，超過擊實筒筒頂的那部分高度稱為余土高度。標準要求擊實后的試樣余土高度<6 mm[4]。最后一層擊實完成后，余土高度>6 mm，超出筒外的試樣都被修平，筒內有效高度內的土樣所受的擊實功就有大大減少，該層樣品擊實后的緊密度與其他兩層相比就會變小，測得的干密度就會偏小，如果余土高度控制得不好，忽大忽小，導致最終的檢測數據離散性就會偏大。

圖2是同一含水率的粉質黏土，分層擊實后最后一層余土高度不同，擊實完成后匯總的干密度與余土高度關系曲線，從曲線圖可看出：土樣相同的含水率，余土高度在0～6 mm時，干密度在1.63 g/cm3左右，干密度變化較小。但當余土高度越大時，試驗測得的干密度變化較大，干密度反而越小。《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)中也要求了余土高度<6 mm，試驗過程中也應嚴格按照標準要求進行，否則將會影響最終的試驗結果。

圖2 干密度與余土高度關系曲線

3.4 擊實筒側壁摩阻力

擊實試驗前，標準要求在擊實筒和護筒內壁及底板均勻地涂一薄層潤滑油，這樣擊實過程中就可以減少土體與筒壁的摩擦力，筒壁周邊的土樣也容易被緊密擊實。同時摩擦力也與土樣的含水率相關，隨著樣品含水率的增加，摩擦力相對減小。這主要是因為土樣中的自由水質量和厚度都增加了，減少了側壁摩擦力，阻力也相對減小。因此標準要求在擊實前，擊實筒、護筒內壁以及底板都應該均勻地抹上一薄層潤滑油，減少土樣與筒壁的摩擦力，同時也方便試樣脫模。

4 結束語

1)干密度隨含水率的變化規律是先增加，達到一個峰值后，又隨之減小，呈現一個拋物線的形狀。

2)試樣土性、顆粒級配、有機質含量等對擊實試驗結果有較大影響，試驗過程中應有效區分并引起重視。

3)擊實試驗分為輕型和重型擊實兩種方法，室內試驗時應根據現場條件、工藝以及設計標準要求選擇試驗方法。

4)擊實試驗前應注意在擊實筒內壁和底板涂一薄層潤滑油，一方面減少側阻力，另一方面方便脫模。同時土樣的分層高度應盡量一致，并且嚴格控制余土高度<6 mm，以保證試驗結果的準確性。

在實際的檢測工作中，從事該項試驗的檢測人員應嚴格按照試驗規程及相關標準的要求操作，注意試驗細節，根據土性做好試驗方案，理論和實踐相結合，不斷積累不同土樣的試驗經驗，只有這樣才能使試驗結果客觀、真實、符合實際，為工程施工與控制施工質量提供有效、可靠的檢測數據。

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