擊實試驗中最大干密度和最優含水率影響因素分析

王 龍 王 健

(1.核工業西南勘察設計研究院有限公司，四川成都 610061;2.成都軍區空軍勘察設計院，四川成都 610041)

0 引言

在工程建設中，采用回填土作為填筑材料，不可避免的遇到填土壓實度問題，例如堤壩、道路、機場、運動場、擋土墻、埋設管道、建筑物地基等。為提高填土體的強度，增加填土的密實度，降低透水性和壓縮性，需按照國家相應標準，可采用重錘夯實、機械碾壓或振動等方法將土壓實到一定密實度，以滿足工程的質量標準。一般用最大干密度表征土的擊實效果，最優含水率是在一定的擊實能下最大干密度所對應的含水率。室內擊實試驗是目前研究填土擊實特性的重要方法，室內擊實試驗可以測得土的最優含水率和最大干密度，是近似的模擬現場填筑的一種半經驗性的試驗，借以了解土的擊實特性，作為選擇施工方法、機械碾壓或夯實次數以及擊實工具等的主要依據。

輕型擊實試驗和重型擊實試驗是目前國內常用的兩種室內擊實試驗方法。下面以JTG E40-2007公路土工試驗規程[2]為試驗方法標準，說明在擊實試驗過程中影響土最大干密度的一些主要因素。

1 影響因素分析

擊實就是指土體在擊實能量作用下，土顆粒克服粒間的阻力，進而產生一定的位移，從而使土顆粒重新排列，使得土體孔隙減小，密實度增大。擊實功能則是指每單位體積所消耗的能量，擊實功能愈大，得到的最優含水率則愈小，相應的最大干密度愈高，但耗費的擊實功能也相應的增加，可見擊實功能是影響擊實效果的一個重要因素，在特定擊實功能下影響擊實效果的因素主要有以下幾個方面，下面逐一進行分析。

1.1 土樣重復使用與否的影響

圖1是土樣在不重復使用和重復使用時采用干土法所做的擊實試驗曲線，分析可知，在相近最大干密度情況下，最優含水率卻有所不同，最優含水率大的為重復使用時的土體。

圖1 擊實試驗曲線對比圖

最優含水率產生此種變化的主要原因為土體在同一夯實錘的反復夯打下，土體的顆粒結構及膠結狀況發生了改變，導致土體的粒徑變細，比表面積增大。比表面積的增大使得土體能夠吸收更多的結合水，其最優含水率也相應發生了變化[3]。

1.2 余土高度的影響

試樣擊實后會有部分土高度超過筒頂，此部分土柱則是余土[4]。標準擊實試驗的擊實曲線是余土高度為零時在單位體積擊實功能下土的含水率和干密度的關系曲線，但由于實際的操作中總會存在一定的余土高度，如果余土高度過大，試驗結果的誤差會增大，則擊實曲線上的干密度就不是一定擊實功能下的干密度。圖2是對同一土樣按同一含水率，在擊實后余土高度控制在3 mm～11 mm時的干密度的結果對比。從圖2可以看出，擊實試驗中余土高度越大，干密度越小。因為隨著余土高度的增加，試樣的體積相對增大，而試樣所受的單位體積擊實功能則相應減小，干密度也隨之變小。試驗中的干密度發生了變化，那么最大干密度和最優含水率必然也會隨之發生改變。

圖2 余土高度與干密度關系圖

1.3 試樣分層高度的影響

根據試驗規程，擊實試驗時，試樣是分3層裝入試筒的，每層試樣高度宜相等，即為筒高的1/3。表1是對同一種土進行擊實試驗時，每層試樣高度基本一致與不一致的干密度比對結果。從表1中可看出，1號和2號樣的每層試樣高度基本一致(約為筒高的1/3)，其干密度約為1.85 g/cm3，3號、4號、5號樣的每層高度不一致，其干密度比1號和2號樣要低10 g/cm3～30 g/cm3。

表1 不同分層厚度下干密度統計表

根據分析，試筒試樣的每層高度均等時，擊實功能是最大的，實驗顯示相應的干密度也是最大的。當有一層高度大于筒高的1/3時，分析可知，體積相對增大，則該層填土所受的擊實功能相對減小，土體的密實度相對變小;當某層土體高度小于筒高的1/3時，土體浪費了一定的擊實功能，土體總體承受的擊實功能就減弱，土體的擊實也就不能達到最大。

1.4 試樣均勻性的影響

送檢的試樣中常夾有碎石等粒徑較大的顆粒，在試驗中，一般要將較大顆粒篩出，將篩出的大顆粒均勻地摻入每份所要配制的試樣中，使得各份試驗中大顆粒含量相同，否則試樣的干密度會出現異常，表2是對同一種土按同一含水率，分別摻入不同含量大顆粒所做的擊實試驗結果對比。

表2 不同含量粗顆粒下干密度統計表

從表2可看出，在實驗中的大顆粒摻入量相近時，可得出試樣的干密度基本相等，而實驗中大顆粒摻入量差距相對較大時，試樣的干密度則呈現出離散性。

1.5 最大干密度與含水率的關系

對于同一種土來說，干密度越大，其孔隙比就越小，因此最大干密度對應于試驗所達到的最小孔隙比。在某一特定的含水率下，將土壓至最密實，理論上就是將土中所有的氣體都從土中排出，使土體達到飽和狀態，得到理論上的最大壓實曲線，即Sr=100%的壓實曲線，稱為飽和曲線[3]。土中含水率過大或過小都不能使之達到最大干密度。含水率過小，土中基本上只有強結合水，強結合膜太薄，由于土粒間摩阻力和引力，使土顆粒間不易移動，從而達不到密實狀態;含水率過大，土中的一定的空間被自由水所占據，從而導致土體達不到密實狀態;而當土的含水率為最優含水率時，土顆粒間具有一定的弱結合水膜，此弱結合水膜的潤滑作用使土顆粒較易移動，填充孔隙、擠密，使土體達到最大密實度。

1.6 土性對最大干密度的影響

在擊實功能一定的情況下，土的性質影響著土的最大密實度和最優含水率。級配良好的土，因為粗顆粒間被細顆粒所填充，所以具有較好的壓實性能。同理，顆粒級配不好的土在同樣的壓實條件下，壓實性能就較差。表3列出了據本次實驗所得幾種不同的土的最優含水率和最大干密度。

表3 不同的土的最優含水率和最大干密度

由表3可知，顆粒越細的土，其最大干密度愈小，而最優含水率愈大。最大密實度與最優含水量之間呈負相關關系，最優含水率大的土，最大干密度小，反之，最優含水率小的土，最大干密度卻大。

2 結語

室內擊實試驗雖實驗步驟相對來說比較簡單，但試驗過程中的影響因素卻很多，在這些因素中有土樣自身的性質問題，如土體性質、含水率情況、土樣的均勻性等，還有人為操作問題，如土樣是否重復使用、余土高度的控制、每層試樣高度、土樣的調配等。因此在實際的工作中，必須持嚴謹的工作態度，嚴格執行規范的要求，控制試驗條件，盡量接近實際情況，降低實驗人為因素的影響，提高試驗數據的準確性、可靠性、真實性，為工程實際設計提供最真實的科學參照，祛除實驗影響，以此為合理的選擇碾壓工具、施工程序、夯實次數及間隔等提供科學依據。

[1] 米建華.擊實試驗中最大干密度和最優含水率因素分析[J].河南水利與南水北調，2011(20):20-21.

[2] JTG E40-2007，公路土工試驗規程[S].

[3] 康 紅.土工試驗方法中幾個常見問題分析[J].黑龍江交通科技，2011(7):30-31.

[4] 張建輝，王 敏.淺談土工擊實試驗在工程中的應用[J].楊凌職業技術學院學報，2011，10(2):15-16.