論述壓實度與含水率的關系—對現場施工的指導

孟穩定 李潔 楊東妮婭

中建新疆建工（集團）第五建筑工程有限公司 新疆 烏魯木齊 830058

一、概述:

土木工程中，土是指覆蓋在地面上的碎散的，沒有膠凝或膠凝很弱的顆粒堆積物，地球表面的整體巖石在大氣中經受長期的風化作用而破碎后，生成不同形狀、大小不一的顆粒。這些顆粒受各種自然力的作用，在各種不同的環境下堆積下來，形成通常所說的土，堆積下來的土，在很長的地質年代中發生復雜的物理化學變化，因此，土是自然界漫長的地質年代內所形成的性質復雜、不均勻、各向異性且隨時間不斷變化的材料。自然界的土一般由固體顆粒、水和氣三種成分所構成。

土中水除了一部分以結晶水的形式存在于固體顆粒的內部外,可以分成結合水和自由水，受顆粒表面電場作用力吸引而包圍在顆粒四周，不傳遞靜水壓力，不能任意流動的水，稱為結合水；不受顆粒電場引力作用的水稱為自由水。土中氣體按其所處的狀態和結構特點可以分為下幾種類型:吸附于土顆粒表面的氣體，溶解于水中的氣體，四周為顆粒和水所封閉的氣體以及自由氣體，通常認為自由氣體與大氣連通，對土的性質無大影響，密閉氣體的體積與壓力有關，壓力增加，則體積縮小，壓力減小，則體積膨大。因此密閉氣體的存在增加了土的彈性，同時還可阻塞土中的滲流通道，減小土的滲透性，其它兩種氣體對土性質影響尚未完全清楚。

二、壓實度檢測的理論依據：

壓實就是指土體在壓實能量作用下，土顆粒克服顆粒間阻力，產生位移，使土中的孔隙減小，密度增加。

K:壓實度（%）；

三、壓實度檢測的方法：

施工過程中填料壓實度控制是施工質量控制的關鍵所在，檢測壓實度的常用方法有：環刀法、灌砂法、蠟封法、灌水法、取芯法、核子濕密度儀法等，但無論用何種方法，其理論依據都大同小異，都是以壓實土的干密度（即檢測的干密度成果）與試驗室標準擊實所得的最大干密度的比值來確定壓實程度的，以百分率表示。

1. 灌砂法

灌砂法是利用均勻顆粒的砂去置換試洞的體積，它是當前最通用的方法，很多工程都把灌砂法列為現場測定密度的主要方法。該方法適用于在現場測定基層（或底基層）、砂石路面及路基土的各種材料壓實層的密度和壓實度檢測。但不適用于填石路堤等有大孔洞或大孔隙的材料壓實層的壓實度檢測。它的缺點是：需要攜帶較多量的砂，而且稱量次數較多，因此它的測試速度較慢。

2. 核子濕密度儀法

該方法適用于現場用核子密濕度儀以散射法或直接透射法測定路基或路面材料的密度和含水率，并計算施工壓實度。這類儀器的特點是測量速度快，需要人員少。該類方法可檢測土壤、碎石、土石混合物、瀝青混合料和非硬化水泥混凝土等材料，有些進口儀器可貯存打印測試結果。它的缺點是，放射性物質對人體有害，另外需要打洞的儀器，在打洞過程中使洞壁附近的結構遭到破壞，影響測定的準確性，對于核子濕密度儀法，可作施工控制使用，但需與常規方法比較，以驗證其可靠性。

3. 環刀法

環刀法是測量現場密度的傳統方法，國內習慣采用的環刀容積通常為200 cm3，環刀高度通常約5cm。用環刀法測得的密度是環刀內土樣所在深度范圍內的平均密度。它不能代表整個碾壓層的平均密度。由于碾壓土層的密度一般是從上到下減小的，若環刀取在碾壓層的上部，則得到的數值往往偏大，若環刀取的是碾壓層的底部，則所得的數值將明顯偏小，就檢查路基土和路面結構層的壓實度而言，我們需要的是整個碾壓層的平均壓實度，而不是碾壓層中某一部分的壓實度，因此，在用環刀法測定土的密度時，應使所得密度能代表整個碾壓層的平均密度。然而，這在實際檢測中是比較困難的；只有使環刀所取的土恰好是碾壓層中間的土，環刀法所得的結果才可能與灌砂法的結果大致相同。另外，環刀法適用面較窄，對于含有粒料的穩定土及松散性材料無法使用。環刀法雖然是規范允許使用的方法，但它也有自身的缺點，那就是試樣的質量過小，使試驗數值的精度和穩定度受到一定的影響進而使人們對該實驗結果的代表性表示憂慮。而灌砂法則因其數值的準確性、操作過程的可控性和結果的可代表性而得到建設各方的廣泛認可，成為目前建設工程中應用最廣泛的壓實度檢測方法 。

四、壓實度的理論計算與分析

1.根據現場實際檢測數據的分析：

施工現場通長采用灌砂法來檢測壓實度，以灌砂法為例來分析含水率與壓實度的關系（不考慮其它外界條件的影響）。

K: 壓實度（%） ；

其中為實驗室檢測土的最大干密度，數值準確，保持不變。

ω: 代表土樣的含水率；

m5：代表試洞內的濕土質量；

m4：代表試洞內的標準砂質量；

rs：代表標準砂密度；取rs=1.37g/cm3；

2.下面以工程實際中所發生的具體數據為依據計算土的壓實度，該材料為級配良好的戈壁料，由實驗擊實曲線得：最大干密度=2.35g/cm3，最佳含水率為；

根據以上數據所得：隨著含水率的增加，壓實度逐漸增加；

3.根據擊實曲線的理論分析：

⑴下圖為擊實曲線數據

第一份擊實曲線數據

第二份擊實曲線數據

第三份擊實曲線數據

⑵從上圖中可以看出：當含水率為5%左右時，戈壁料的最大干密度為2.3g/cm3左右

經過大量的實驗數據驗證，含水率與土的干密度為曲線關系，設該曲線為開口向下的拋物線，則該曲線可以用二次函數式表達為：

4.含水率與干密度的函數關系理論分析現場壓實度；

⑶ 現場只考慮含水率對壓實度的影響，由于在工程應用中，超過最佳含水率時的壓實度和不超過最佳含水率的壓實度效果大致相同，考慮到工程經濟的問題，現場只考慮含水率在零到最優含水率之間的壓實度，即區間為ω=[0,5%]之間的壓實度；當現場含水率達到最優含水率時，，即壓實度K=100%;(考慮戈壁料的最優含水率為ω=5%，最大干密度為=2.3g/cm3）；

5.以現場實際情況驗證理論公式（戈壁料）：

壓實度的記錄表

⑴第一組數據驗證：

①現場測得含水率為3.1%時，用灌砂法測得現場壓實度為95.7%。

②理論計算壓實度為：

得出結論：理論值可以指導現場的實際工作；

⑵第二組數據驗證：

①現場測得含水率為3.2%時，用灌砂法測得現場壓實度為99.1%。

②理論計算壓實度為：

得出結論：理論數據依然可以指導現場實際工作（理論值偏小），若理論值不符合設計要求，可以重新壓實。若理論值符合設計要求，現場實際值也符合設計要求；

⑶第三組數據驗證：

①現場測得含水率為3.4%時，用灌砂法測得現場壓實度為99.6%。

②理論計算壓實度為：

得出結論：同理理論值也可以指導現場實際工作；

六、總結：

實際工程應用中，壓實度是保證建筑地基基礎、公路、水壩等分部分項工程質量合格的重要檢測依據，尤其在公路工程中，環境條件惡劣，水電供應困難的路段。用假設對稱的二次函數根據實驗室的擊實實驗求得的最佳含水率與最大干密度的關系可以求出該函數的具體表達式，再根據壓實度的公式，（其中為已知數），根據設計要求的壓實度，即可求出含水率ω，依據含水率的計算公式，按照換填材料的質量可以大致估算出需要水的質量。這樣提前的估算可以加快工程進度，保證土的含水率滿足壓實度的要求，保證質量施工質量，節約工程成本，在實際工程中，每當材料發生變化時，只需在實驗做擊實實驗，即可把控含水率的參數，能夠方便、經濟、快捷的處理工程現場實際的問題。