2018浅谈土工击实试验在工程中的应用

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　　摘要：以工程实际为依托，根据击实试验结果在实际工程中的应用深入浅出的将土工击实试验的理论基础、作用机理做了详细的描述；对试验主要使用仪器、试验所用土样的制样、击实过程及试验数据处理步骤进行了说明；并对可能会影响试验结果的因素进行了归纳和总结。
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　　关键词：土工击实试验:理论及作用机理；试验制备；影响因素
　　中图分类号：TU411文献标识码：B 文章编号
　　
　　Abstract: According to the engineering practice and the test results in the practical application,
　　The author described the test foundation and machismo on soil compaction test; explained the test instrument, the test sample preparation, compaction process and test data processing steps, and summarized the test results factors.
　　Key Words: soil compaction test: theory and mechanism; test preparation; influence factors
　　0 引言
　　压实度是控制公路工程质量的主要技术指标之，控制土基、基层和面层压实度可使强度、刚度、稳定性及耐久性等性能提高。压实度除了受填筑土的含水量，松铺厚度，土质及压实功能等因素影响外，还受衡量压实度的标准密度这一尺度因素影响，一个重要前提就是要求最大干密度准确并与测点实际干密度相对应[1]。
　　除公路路基外，在堤坝、机场等填筑或加固及建筑基础回填等工程建设中，都需要对天然地基或人工填料进行夯实与压密。通过室内土工击实试验，可得到填料含水量与干密度之间的关系曲线，从而得到最优含水量及相应的最大干密度，为工程设计或现场施工时配置含水量提供可供参考的数据。因此，土工击实试验是土木类高职学生必须掌握和运用的一个基本土工试验技能。
　　1 土工标准击实试验理论基础和机理
　　 土是由固态、液态、气态组成的三相体，即土由土颗粒、水、空气三种相态组成。三相体的土在夯实作用下，其含水量几乎不变，压实过程实质是气体排出、体积减小、饱和度增加的过程。当土的含水量过大时，外力不能直接作用于土粒，只能传给土粒周围的水分和被封闭的空气，因此消耗再大的夯实功也很难改变土粒的原本状态，致使不能有效地增大密实度。反之，土粒含水量过小，其粘聚性差，不能成型，亦不能增大密实度。土工标准击实试验就是在模拟现场施工机械和施工方法等条件下，找出填料的最大干密度和相应的最佳含水量，再结合现场填料实测干密度，从而得出填土层的压实度(压实度等于每层压实后填料的实测干密度d与最大干密度dmax的比值)，以便控制现场施工。其试验方法是取同一土样5份以上不同含水量的填料试样，然后按规定的击实功分别进行试筒内击实，称重并测定含水量，得出不同的干密度。在 d-坐标系上，以含水量为横轴，干密度 为纵轴，绘出各个对应点并连成平滑的曲线，绘出pd－关系曲线图，曲线的峰值点对应的含水量和干密度即为最佳含水量(op )及最大干密度(dmax )。其值表明了在最佳含水量及最佳压实状态下填筑材料所能达到的最大干密度(这仅为理想状态)，如图1(某水坝击实试验曲线图)。
　　
　　 图1 最大干密度与最优含水量(300 J)关系曲线图
　　由图1可知，在300 J的击实功下，当试样含水量小于最优含水量时，试样干密度 随着含水量的增加而增加；当试样含水量 大于最优含水量 印时，试样干密度 随着含水量的增大而减小。由此可见，在给定击实功中，击实曲线存在一峰值点，此时的含水量叫即最优含水量 op ，所对应的干密度即最大干密度 。
　　由击实曲线可以看出，当含水量小于或大于最优含水量叫时op ，都不能达到最佳的击实效果。这是因为当土的含水量较小时，土粒周围的结合水膜比较薄，连接比较牢固，粒间摩擦力较强，土粒不易移动，击实时需要克服粒问较强的作用力，故难于击实；而当含水量较大时，土粒的结合水膜比较厚，虽然易于土粒移动，但多余的水分不易及时排除土体，产生一定的孔隙水压力，抵消了击锤冲击作用，阻碍了土粒间的相互接近，因此也难于击实。只有在最优含水量op时，水膜厚度适中，土粒间的连接较弱，同时又不存在多余的水分，易于击实，在击实功的作用下使土粒靠拢而紧密排列，达到最大干密度d。但无论击实功多大，土的饱和度都不能达到100%，实践证明，土被击实到最佳状态时，饱和度一般在8O%左右，正如图1所示，击实曲线一般都位于饱和曲线的左侧，这是因为在击锤迅速冲击作用下，土中的气体不能完全及时的排出土体而以吸附气体、密闭气体的形态滞留于土粒间。
　　2 试验方法及步骤
　　2．1 试验仪器
　　击实仪。由击实筒、击锤和护筒组成。击实筒分为大筒和小筒，试验时根据土的最大粒径来选用，当土样中大于5mm粒径土粒小于30 %时选用小筒进行试验；当土样中大于5mm粒径土粒大于3O％时选用大筒进行试验；当土样中大于40 mm粒径土粒大于3O%时不宜进行击实试验。
　　天平。可称量限1000 g，分度值0．01g。
　　孔径为5 mm的土样标准筛。试样推出器。螺旋式千斤顶。
　　其他。烘箱、喷水设备、碾土设备、盛土器、修土刀和保湿设备等。
　　2．2 土样制备
　　 试样制备。以干法制备土样为例：取一定数量的代表性风干土样(轻型约为2Okg)，放在橡皮板上碾散；轻型击实试验过5mm筛，将筛下土样拌匀，并测定土样的风干含水量；根据土的塑限预估最优含水量，按依次相差约2%的含水量制备一组(不少于5个)试样，其中应有2个含水量大于塑限，2个含水量小于塑限，1个含水量接近塑限。并按(1)式计算应加的水量：
　　
　　 式中：mw为土样所需加水质量(g)；m为风干含水量时的土样质量(g)；o为风干含水量( %)； 为土样所要求的含水量( %)。
　　 再将一定量的土样平铺于不吸水的盛土盘内(轻型击实取土约2．5 kg)，按预定含水量用喷水设备往土样上均匀喷洒所需加水量，拌匀并装人塑料袋内或密封于盛土器内静置备用。静置的时间分别为，高液限粘土不得少于24 h，低液限粘土可酌情缩短，但不应少于12 h。
　　在工程试验中也可按以下方法来进行配土：
　　做小筒击实试验时取2500g，大筒取6000 g作为击实试验的第1点；取与第l点相同重量的土样，小筒加50g水、大筒加100g水作为第1点；取与第1点相同重量的土样，小筒加100g水、大筒加200g水作为第3点；取与第1点相同重量的土样，小筒加150g水、大筒加300g水作为第4点；取与第l点相同重量的土样，小筒加200 g水、大筒加400g水作为第5点。将配好的每点的土样拌和均匀后装入塑料袋，扎紧袋口，静置20h左右(粘性土应静置24h)，之后进行击实试验。
　　2．3 土样击实
   　　将击实仪放在坚实的地面上，击实筒内壁和底板涂一薄层凡士林，连接好击实筒与底板，安装好护筒。检查仪器各部件及配套设备的性能是否正常，并做记录；从制备好的一份试样中称取一定量土样，分3层倒人击实筒内并将土面整平分层击实，每层25击；用修土刀沿护筒内壁削挖后，扭动并取下护筒，测出超高(应取多个测值平均，准确至0．1g)。沿击实筒顶细心修平试样，拆除底板；用推土器从击实筒内推出试样，从试样中心取2个一定量土样(轻型为15～30 g)，平行测定土的含水量，称量准确至0．01g，含水量的平行差值不得大于1% ；重复以上操作步骤对其其他含水量的土样进行击实，一般不得重复使用土样。
　　试样击实过程中每层填上一定要均匀，以保证击实试验后各层厚度均匀。应注意以下几点：① 轻型击实法，每层土料的质量为600～800g，即其量应使击实后的试样高度略高于击实筒的1／3；② 两层交接面处的土应铡毛；③击实完成后，超出击实筒顶的试样高度应小于6mm。
　　2．4 试验数据计算
　　 计算击实后的试样的含水量：
　　
　　式中：为含水量(%)；m为湿土质量(g)；md为干土质量(g)。
　　计算击实后各试样的干密度：
　　
　　式中：为土样密度(g／cm)。
　　计算土的饱和含水量
　　
　　式中：w为水的密度，一般取1g／cm3；Gs为相对比
　　重。
　　3 试验结果影响因素
　　3．1 试样制备的影响
　　最大干密度以烘干土最大，风干土次之，天然土最小；最优含水量以天然土最大，风干土次之，烘干土最小。这种现象以粘土最明显，粉质土类不明显，粘粒含量越大，烘干对最大干密度的影响也越大，显然是烘干影响了粘土的胶结性质，所以粘土一般用天然土或风干土制样，不宜用烘干法制样。此外，不同土按同一土样状态制样，最大干密度以粉土最大，粉制粘土次之，粘土最小；最优含水量以粘土最大，粉质粘土次之，粉土最小。这是因为颗粒直径越小，比表面积就越大，所获得的结合水膜就越厚，含水量就越大。在击实过程中，颗粒间的结合水膜承担的击实功就越多，土粒间的有效应力就越小，土越不易压实，干密度就减小。
　　3．2 润滑剂的影响
　　由以往的试验结果比较可知，当op 时，干密度相差较小。这是由于 op 帅时，土处于偏温状态，此时土体中有大量的自由水存在，起到一定的润滑作用，减少了凡士林对击实效果的影响。因此，抹有凡士林与未抹凡士林情况下的干密度相差不大。
　　3．3 余土高度的影响
　　试样击实后超过筒顶的那部分土的高度称为余土高度。标准的击实曲线指的是余土高度为零时的干密度与含水量的关系曲线。如果击实后余土高度不相等，关系曲线上的各点就不是在相同击实功作用下得出的干密度，试验结果离散性较大。而且，随着余土高度的增大，超出筒顶的那部分土所获得的击实功增大。然而，在击实试验中，无论采用何种试验方法，该试验方法的击实总功是不变的，从而使得简内土体所获的实际击实功减少，干密度减小。因此，余土高度应严格控制。
　　参考文献：
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　　【2】窦宜。盛树馨，马梅英．土工实验室测定技术[M]．北京：水利电力出版社，1987．
　　【3】 杨熙章．土工试验与原理[M]．上海：同济人学出版社，1996．
　　【4】 钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算[M]．北京：中国水利水电出版社，1996．