影響土的擊實試驗的因素分析

徐 濤

(上海海洋地質(zhì)勘察設(shè)計有限公司，上海 200120)

0 前 言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，各項基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也日益增多。在大量的工程建設(shè)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(yù)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(xiàn)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(jié)果是判斷填土壓實度、施工工藝、施工機械、作業(yè)流程以及工程驗收等的主要依據(jù)，還可以檢驗各種地基處理效果。擊實試驗結(jié)果直接影響到工程質(zhì)量的檢驗，該試驗過程中有很多細節(jié)因素，直接或間接的影響著結(jié)果的準確性。本文結(jié)合設(shè)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(xiàn)場的夯實或壓實等施工原理，利用室內(nèi)標準化的擊實儀和操作規(guī)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(yōu)含水率，并研究含水率與干密度的關(guān)系，為工程施工與控制施工質(zhì)量提供有效、可靠的檢測數(shù)據(jù)。

1.2 試驗方法

擊實試驗是將土樣分層裝入擊實筒內(nèi)，用標準重量的重錘按規(guī)定落距對土樣錘擊相同的擊數(shù)，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(yīng)的含水率和干密度，最后繪制干密度和含水率的關(guān)系曲線。兩者的關(guān)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(yīng)的含水率稱為最優(yōu)含水率ωopt。各個檢測和驗收標準根據(jù)該試驗測得的最大干密度和最佳含水率，計算現(xiàn)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(shè)計或標準要求。

2 土的性質(zhì)對試驗結(jié)果的影響

2.1 土的含水率

土顆粒表面都有一層結(jié)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(jié)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(yīng)增大。當含水率超過某一數(shù)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(jié)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(xù)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(guī)律是先增加，達到一個峰值后又隨之減小，呈現(xiàn)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(zhì)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(shè)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(zhì)黏土>黏土；最優(yōu)含水率的排列順序剛好相反，黏土>粉質(zhì)黏土>粉土。這主要是因為黏土的土粒直徑最小，相應(yīng)的比表面積最大，與水結(jié)合需要的質(zhì)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(jié)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(yīng)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(jié)果影響較大。表1是選取的4個土樣擊實試驗結(jié)果對比表，其中1號和2號土樣為粉質(zhì)黏土，塑性指數(shù)分別為13.0和13.5，相差不大；3號和4號土樣為黏質(zhì)粉土，兩種土的塑性指數(shù)也比較接近。根據(jù)1號和3號土樣顆粒分析試驗測得土樣的不均勻系數(shù)CU和曲率系數(shù)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(jié)合表1的對比結(jié)果，當同一土性且塑性指數(shù)相近時，最大干密度的比較結(jié)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?？梢杂行У靥畛漭^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(tài)。

表1 顆粒級配良好與級配不良的土擊實試驗結(jié)果對比

2.4 有機質(zhì)的含量

土樣中如果有機質(zhì)含量較多，會對土的擊實試驗結(jié)果產(chǎn)生不良影響。這主要是因為有機質(zhì)的親水性較強，擊實過程中會對土顆粒產(chǎn)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(tài)，同時有機質(zhì)還可能發(fā)生化學反應(yīng)，使各方面土性變差，這些影響都將導致試驗和計算結(jié)果測得的干密度偏低。因此，相應(yīng)規(guī)范中對含有機質(zhì)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(jié)果也有所不同。大量試驗證明：干法和濕法測得的結(jié)果有很大差別。對于最大干密度，前者大后者小；對于最優(yōu)含水率，前者小后者大。這種現(xiàn)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(jié)性質(zhì)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(jié)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?？朔w粒間的阻力，產(chǎn)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(yōu)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(shù)；Ne為土層數(shù)；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(shù)和每層擊數(shù)成正比，和擊實筒的容積成反比，因此，試驗過程中應(yīng)按照標準要求進行。

3.2.1 兩種試驗方法

目前國內(nèi)常用的室內(nèi)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(jié)果是不一樣的?！锻凉ぴ囼灧椒藴省?GB/T50123-2019)中規(guī)定了土樣粒徑應(yīng)<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(qū)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(yīng)干密度也越大。同一土樣的兩種擊實試驗結(jié)果對比，重型擊實試驗測得的最大干密度較輕型的大，最優(yōu)含水率重型較輕型的小。試驗過程中應(yīng)結(jié)合標準規(guī)范要求，以及客戶委托要求，選擇合適的擊實方法完成室內(nèi)擊實試驗，獲取滿足各方要求的試驗數(shù)據(jù)。

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(nèi)并將土面整平，分層擊實。擊實后的每層試樣高度應(yīng)大致相等，兩層交界面的土面應(yīng)刨毛。為了研究分層高度不同對最終試驗數(shù)據(jù)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(jié)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(nèi)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(yīng)盡量一致，以保證試驗結(jié)果的準確性。

表2 每層試樣高度不同時干密度試驗結(jié)果

3.3 余土高度

試樣擊實后，超過擊實筒筒頂?shù)哪遣糠指叨确Q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(nèi)有效高度內(nèi)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(shù)據(jù)離散性就會偏大。

圖2是同一含水率的粉質(zhì)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(guān)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?！锻凉ぴ囼灧椒藴省?GB/T 50123-2019)中也要求了余土高度<6 mm，試驗過程中也應(yīng)嚴格按照標準要求進行，否則將會影響最終的試驗結(jié)果。

圖2 干密度與余土高度關(guān)系曲線

3.4 擊實筒側(cè)壁摩阻力

擊實試驗前，標準要求在擊實筒和護筒內(nèi)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(guān)，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(zhì)量和厚度都增加了，減少了側(cè)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(nèi)壁以及底板都應(yīng)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(jié)束語

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

2)試樣土性、顆粒級配、有機質(zhì)含量等對擊實試驗結(jié)果有較大影響，試驗過程中應(yīng)有效區(qū)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(nèi)試驗時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件、工藝以及設(shè)計標準要求選擇試驗方法。

4)擊實試驗前應(yīng)注意在擊實筒內(nèi)壁和底板涂一薄層潤滑油，一方面減少側(cè)阻力，另一方面方便脫模。同時土樣的分層高度應(yīng)盡量一致，并且嚴格控制余土高度<6 mm，以保證試驗結(jié)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(yīng)嚴格按照試驗規(guī)程及相關(guān)標準的要求操作，注意試驗細節(jié)，根據(jù)土性做好試驗方案，理論和實踐相結(jié)合，不斷積累不同土樣的試驗經(jīng)驗，只有這樣才能使試驗結(jié)果客觀、真實、符合實際，為工程施工與控制施工質(zhì)量提供有效、可靠的檢測數(shù)據(jù)。

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