壓實質量影響因素分析

陳州文

摘 要：路基是路面的基礎，直接承受路面自重和汽車傳來的荷載，利用機械對路基進行高標準壓實，路基的壓實質量影響著路面的行車和安全，做好路基的壓實質量控制尤其重要。本文結合路基施工工程實際，通過對大量的工程施工資料進行研究并結合前人研究成果，對影響土基壓實質量的諸多因素進行分析，闡述如何控制控制土基壓實質量。

關鍵詞：壓實機理;干密度;含水率;壓實指標

1 土的壓實機理

土的壓實實質上是土在外力短暫重復沖擊作用下三相重新組合密實的過程。此時，土的物理性質和力學性質都產生了變化。土壤被壓實后，空氣被排出，孔隙率減少，密度提高，相應的承載能力也逐漸增大。不同類型的土工程特性各異，其壓實質量受土質、土顆粒級配、含水率、擊實功等影響。我們可以將土的壓實過程描述為“排列、填充、排出、夯實”。

排列：土顆粒在碾壓機械施加短時間荷載或振動荷載后重新排列。在壓實過程中，不同土的構成新的三相組成所需要的壓實功不同。一定數(shù)量的水在土顆粒之間起到潤滑作用，可以減小土顆粒之間的摩阻力，有利于土顆粒重新排列。因此含水率在土顆粒重排列中起著重要作用。

填充：由于土顆粒粒徑組成不同，在荷載的作用下，在大顆粒周邊的小顆粒被擠入大顆粒之間的空隙。很明顯，大小顆粒的相互填充即土的顆粒級配是影響這個過程的主要因素。級配良好的土在外力作用下小顆粒容易嵌入大顆粒之間的空隙中，使土體密實，壓實質量提高。

排出：在外荷載的作用下土顆粒之間的空隙中的水和氣體被排出。工程上對土的壓實主要是排出氣體。

夯實：土中單個顆粒或不規(guī)則顆粒在較大壓實能量的作用下被破碎成細小顆粒后填充在大顆粒中，被壓碎后土的顆粒級配產生變化。

由此可見，土質，土的三相構成，含水率，土顆粒級配，壓實功是影響壓實的主要因素。不同類別的土在壓實特性不同。

2 土基壓實意義

路基是保證路面質量的根本，直接承受著結構自重及路面?zhèn)鱽淼能囕v荷載，是一條帶狀結構物，具有較長長度，與大自然接觸面廣，受影響因素多等特點，尤其是路基在施工過程中經歷挖、運、填、壓、修等施工工序后，易造成土粒松散不密實。壓實是改變土體特性滿足土基工程質量的一種經濟、高效的途徑。壓實強度高的土基，可以減緩在土基自然沉降或在重型汽車重復荷載作用下產生的永久變形，減小塑性變形，降低透水性，減少毛細水上升高度，大大提高其強度，能在一定程度上防止因季節(jié)等因素造成的病害。公路路基質量的好壞決定了整條公路的使用壽命。因此，利用機械對路基進行高標準壓實，做好路基的壓實質量控制尤其重要。

3 影響因素分析

3.1 施工含水率

路基暴露在大氣環(huán)境中，常年經歷著溫度和水共同作用產生的冷熱干濕變化而產生沉陷、波浪、翻漿、開裂等病害。土基只有被充分壓實后才能獲得足夠的承載能力以保證路面的使用質量。通過擊實試驗可知，土基在最佳含水率時壓實才能獲得最大的干密度。然而，現(xiàn)場土基現(xiàn)場施工時，由于作業(yè)順序、外界環(huán)境等因素對填土壓實時的含水率產生影響。最佳含水率干側和最佳含水率濕側對土基壓實性能的影響見下表1。

從上表可以看出，當控制含水率在最佳含水率的干側時，壓實后的土基達到了施工中所需要的抗剪強度，孔隙壓力較低，但土基后期的質量卻受到較大影響。干側土體遇水時易產生凍脹現(xiàn)象，土基易失穩(wěn);當控制含水率在濕側時，土的變形模量和強度較低。因此，應根據(jù)施工現(xiàn)場填料的壓實特性及現(xiàn)場施工的自然環(huán)境對最佳含水率使用范圍進行合理的控制。

從微觀結構對土的物理力學研究發(fā)現(xiàn)，在最佳含水率干側時壓實土明顯呈雙重結構。在濕側，呈均勻結構而非定向排列的分散結構。土體內部結構的受含水率的變化而變化，因而使土的壓實特性產生較大差異。楊世基在風化殘積土的試驗中，采用干法和濕法得到的土的壓實性能也是不相同的。為了更真實地模擬現(xiàn)場土基壓實的實際情況，建議土的室內標準擊實試驗應采用濕法。

3.2 碾壓機具

從圖1不同擊實功對干密度的影響可以推導，在最佳含水率條件下，不同碾壓機具對壓實效果有較大區(qū)別。振動比光輪壓實質量好。重型壓路機壓實功大，輕型壓路機壓實功小，前者壓實質量好。然而，在土基施工中，盲目的通過增加壓實功來獲得較好的壓實質量是不經濟的，應在工程進度、工程質量、工程成本控制等方面考慮具體工程情況選擇合適的碾壓機具，其單位壓力應小于土體的抗剪強度極限值。

對碾壓機械及與適用土的類別、碾壓機具與適應的松鋪厚度在《公路路基施工技術規(guī)范》（JTG F10-2006）中作了如下表（表2，表3）規(guī)定。

注：（1）表中符號：A代表適用;B代表無適當?shù)臋C械時可用;C代表不適用;（2）土的類別按《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2007）的規(guī)定劃分;（3）對黃土（CLY）、膨脹土（CHE）、鹽漬土等的壓實機械選擇可按細粒土考慮;（4）自行式壓路機宜用于一般路堤、路塹基底的換算等的壓實，宜采用直線式進退運行;（5）羊足碾應有光輪壓路機配合使用。

從上表可以看出，可用多種機械壓實同一類土，一種土可用多種機械壓實，但對碾壓遍數(shù)、碾壓方式和壓實能量沒有作出明確規(guī)定。而且，土的室內標準擊實試驗無法對現(xiàn)場施工機械壓實過程進行真實模擬，各類施工機械所適用的最大干密度和最佳含水率與室內擊實試驗所得的相對比，在數(shù)值取用上存在一定幅度的偏差，不是完全相同的。現(xiàn)場壓實檢測采用室內擊實試驗所得的最大干密度作為壓實度的標準參數(shù)，壓實度無法得到真實的反應。

3.3 碾壓參數(shù)（碾壓厚度、碾壓遍數(shù)、碾壓方式、碾壓速度）

松鋪厚度與碾壓機具適用情況如下表（表3）。

碾壓厚度的影響：壓實質量一般情況下隨著壓實厚度的增加而降低。大量工程實踐表明，最高的密實度在距離土體表層5 cm處。如表3所示，在路基壓實施工時，應根據(jù)碾壓機械選擇與之對應的松鋪厚度，使碾壓層壓實質量滿足工程要求。

碾壓遍數(shù)的影響：大量工程實踐證明，土基壓實度隨著碾壓遍數(shù)的增加而有所增大。但是，壓實度所增加與壓實功的增加是不對等的，為了獲得與壓實度相應增加速率的壓實度所需增加的壓實功是非常大的。在土基施工過程中，應從工程質量、成本出發(fā)綜合考慮選擇合適的壓實遍數(shù)，使壓實后土基的質量滿足工程要求，且節(jié)約成本。

碾壓方式的影響：為了保障土基的密實度和平整度，在碾壓土基的過程中，遵循“先慢后快、先靜后振、先輕后重、先低后高、先兩邊后中間”的原則。

碾壓速度的影響：碾壓速度大小反映了外力作用在單位體積土體上持續(xù)時間的長短。碾壓速度慢，持續(xù)時間長，外力施加在填料上的單位能量高。實踐證明，碾壓機械應勻速行駛，碾壓速度一般不超過4 km/h為宜，應先慢壓后快壓。

3.4 壓實能量

從前述分析可知，與最大干密度不同的是土的最佳含水率隨著壓實能量增大而變小，但這種增長是非直線式的有限度增長。當土體壓實達到緊密狀態(tài)時，土顆粒間的阻力已經非常大，如果想要將土體繼續(xù)壓實為超緊密狀態(tài)，就需要更大的壓實能量來克服土顆粒相對移動的阻力。在1987年制定水利電力部的土工試驗規(guī)程時，用“南實處”擊實儀和“標準普氏”擊實儀這兩張擊實儀做了多組比對試驗，“南實處”擊實儀比“標準普氏擊”實儀的擊實能量提高43%，也只能將壓實度為90%的土樣提高到壓實度為92%。1998年Blotz應用最小二乘回歸法對22組不同土樣（液限WL為17%～70%）的進行試所得的壓實能量、最大干密度、最佳含水率的實驗數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)壓實能量與最大干密度的指數(shù)、壓實能量與最佳含水率的指數(shù)呈線性關系。并擬合后得到下面兩個式子（1）（2）：

式中：E，EK-壓實能量，已知壓實能量，單位kJ/m3;

ρdmax，E，ρdmax，K-最大干密度，已知最大干密度，單位kN/m3;

ωL-土的液限（%）;

ωopt，E，ωopt，K-最佳含水率，已知最佳含水率，單位%。

下表4和下圖1是根據(jù)王釗等人對高速公路高路堤填土（粉質粘土：液限28.7%塑限17.5%）采用重型擊實試驗數(shù)據(jù)，用上式（1）計算所得的壓實能量與壓實度關系表和擊實功和干密度的關系圖。

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，壓實度在區(qū)間[90%，93%]，每增加1%的壓實度，需要增加的擊實功分別為20.14%，43.06%，72.22%，擊實功增長梯度相對壓實度的要高很多，而且隨著相應壓實度的增加，擊實功所需增加的速率越來越快。這說明，在土基達到90%的壓實度后，為了獲得壓實度較小的增長，必須耗費相對較大輸出的擊實功。

通過圖1可以看出，擊實功與干密度是非線性關系，在擊實功大于740 kJ/cm3之后，其曲線坡度開始變小，當擊實功到達一定數(shù)值之后曲線基本保持水平，干密度增長緩慢。鑒于室內標準擊實試驗是模擬現(xiàn)場施工的條件，根據(jù)圖中的擊實功與干密度的關系，可以在曲線上找到一個合適的點，在該點對應的干密度達到壓實度標準時，所用的擊實功比較經濟。從研究成果可以得出，最佳含水率附近才能達到最經濟最好的壓實質量。在工程中選用合適的“經濟壓實功”，有利于降低工程施工成本。

3.5 其他因素

人員配備及機械設備的配備情況與質量保證體系是保證路基壓實質量的重要因素。施工準備，填前檢測及填前對原地面的處理，測量控制，上料、攤鋪、整平，碾壓前檢測等也是路基壓實質量控制的關鍵環(huán)節(jié)。壓實土層的松鋪厚度、碾壓方式、碾壓機械類型和壓實參數(shù)這些因素也是必須得到合理的控制。

4 小結

通過土顆粒級配試驗和土的液塑限聯(lián)合測定法試驗，對工程用土進行了分類，并證明了該黏土的級配良好，可用來填筑路基。通過工程試驗數(shù)據(jù)分析、圖表分析并結合前人研究成果對土的室內擊實和現(xiàn)場壓實施工分析研究后，總結出如下結論：

（1）土是由大小不同的土粒組成的，不同的土有著不同的顆粒級配，土的壓實特性隨著顆粒粒徑大小及顆粒級配的不同而各異。良好的級配是指粗顆粒、細顆粒相互填充形成空隙率最小值，堆積密度最大的最密實結構，因而有較好的壓實性能，而顆粒級配不良的土透水性較強，粘性和可塑性較低，壓實性能較差，級配好壞會影響擊實試驗的結果。

（2）對土體進行擊實，在擊實功相同的前提下，只有合適的含水率（稱為最佳含水率）才能獲得理想的擊實效果。相同土質在不同的擊實功作用下的擊實曲線不同。最大干密度隨著擊實功的增加而增大，最佳含水率隨著擊實功的增加而減小。為了獲得干密度較小的增長，必須耗費相對較大輸出的擊實功，這是不合理的，提出應結合工程質量、工程要求選擇經濟壓實功。

（3）現(xiàn)場土基現(xiàn)場施工時，由于作業(yè)順序、外界環(huán)境等因素對填土壓實時的含水率產生影響，且土的壓實特性在最佳含水率干側和實測存在差異，施工中應根據(jù)現(xiàn)場填筑路堤用土的壓實特性及現(xiàn)場施工的自然環(huán)境對最佳含水率使用范圍進行合理的控制。

（4）壓實能量來源于壓實機具。對碾壓機具的選擇、確定碾壓參數(shù)是壓實土基施工最關鍵的控制，選擇合適的碾壓機械，選擇合理的碾壓參數(shù)是保證路基壓實質量的關鍵。

參考文獻：

[1]中華人民共和國交通部.公路土工試驗規(guī)程（JTG E40-2007）[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]馮忠居，謝永利.標準擊實試驗最佳含水量和最大干密度的理論計算[J].長安大學學報（自然科學版），2002（2）：10-13.