定土的擊實試驗

1、第五章 擊實試驗第一節(jié) 擊實試驗的基本原理一、基本概念1. 土的壓實性工程中，用于填筑路堤等的填料均處于松散的三相狀態(tài)，在以機械方法施加擊實功能的條件下，可以壓實增加密度，使其具有足夠的強度、較小的壓縮性和很小的透水性。土的這種通過碾壓施以一定壓實功能，密度增加的特性稱為土的壓實性。在用粘性土作為填筑材料時，常用干密度表示填土的密實性。2. 擊實試驗為了獲得最理想的壓實效果，需要充分了解土的壓實特性，其中，影響壓實特性的主要因素是含水率和施加的壓實功能。為此，在工程實踐中常常在模擬現(xiàn)場施工條件(包括施工機械和施工方法)下，找出壓實密度與填土含水率之間的關(guān)系，從而獲得壓實填土的最佳密度（既最大干

2、密度）和相應(yīng)的最優(yōu)含水率。擊實試驗就是為了這種目而利用標(biāo)準(zhǔn)化的擊實儀具，得到土的最大干密度與擊實方法（包括土的含水率和擊實功能等）的關(guān)系，據(jù)以在現(xiàn)場控制施工質(zhì)量，保證在一定的施工條件下壓實填土達到設(shè)計的密實度標(biāo)準(zhǔn)。所以擊實試驗是填土工程如路堤、土壩、機場跑道及房屋填土地基設(shè)計施工中不可缺少的重要試驗項目。工程經(jīng)驗表明，欲將填土壓實，必須使其含水率降低在飽和狀態(tài)以下，即要求土體處于三相介質(zhì)的非飽和狀態(tài)。土在瞬時沖擊荷載重復(fù)作用下，顆粒重新排列，其固相密度增加，氣相體積減少；當(dāng)錘擊力作用于土樣時，首先產(chǎn)生壓縮變形，當(dāng)錘擊力消失后，土又出現(xiàn)了回彈現(xiàn)象。因此，土的擊實過程，即不是固結(jié)過程，也不同于一般

3、壓縮過程而是一個土顆粒和粒組在不排水條件下的重新組構(gòu)過程。用擊實試驗?zāi)M現(xiàn)場土的壓實，這是一種半經(jīng)驗方法。由于土的現(xiàn)場填筑輾壓和室內(nèi)擊實試驗具有不同的工作條件，兩者之間的關(guān)系是根據(jù)工程實踐經(jīng)驗求得的，因此很多國家以及一個國家的不同部門就可能有其自用的擊實試驗方法及儀器。 圖5.1擊實儀國內(nèi)常用的擊實試驗儀器如圖5.1，主 1擊實筒；2護筒；要包括擊實筒和擊錘兩部分，儀器型號和試 3導(dǎo)筒；4擊錐；5底板驗方法不同，其尺寸參數(shù)各異。3. 擊實曲線室內(nèi)擊實試驗，一般是備用同一土質(zhì)不同含水率的數(shù)個土樣，通常56個，分別拌和均勻，分層裝入擊實筒中，按一定功能進行擊實，并測定土樣的濕密度和含水率，按下式計

4、算土樣的干密度： （51）式中 擊實后土樣的干密度，gcm3； 擊實后土樣的濕密度，gcm3；擊實后土樣的含水率，%。如此按照上述方法對第二、第三個試樣進行試驗，即可得到各試樣相應(yīng)的濕密度和相應(yīng)的含水率并計算其干密度，然后在以干密度為縱坐標(biāo)以含水率為橫坐標(biāo)的直角坐標(biāo)系中繪制曲線，如圖5.2所示，該曲線即稱為擊實曲線。10圖5.2 擊實曲線4. 最大干密度和最優(yōu)含水率擊實曲線表明，對于某一填筑土料，在同一擊實功能作用下，填土的干密度隨含水率的變化而變化，具體表現(xiàn)為，當(dāng)含水率較小時，土的干密度隨著含水率的增加而增大，而當(dāng)含水率的增加達到某一值后，含水率繼續(xù)增加反而使干密度減少。所以擊實曲線的形態(tài)呈

5、具有峰值的上凸形，其峰點對應(yīng)的干密度即為土的最大干密度，常用表示，與其相對應(yīng)的含水率即為土的最優(yōu)含水率，常用表示，如圖5.2所示。土的最優(yōu)含水率一般在塑限附近（既（23）%），約為液限的0.550.65倍。這是因為土的含水率較小時，土粒周圍的結(jié)合水膜較薄，連接較牢，土粒不易移動，故難以擊實；當(dāng)含水率較大時，結(jié)合水膜較厚，從而把顆粒分隔開，此時作用在土體上的錘擊荷載更多地為孔隙水所承擔(dān)，從而使得作用在顆粒上的有效應(yīng)力減小，反而減少土的密度，使擊實曲線下降。在最優(yōu)含水率時，水膜厚度適中，土粒連接較弱，又不存在多余的水分，故易于擊實，使土?？拷帕械米罹o密。可以認為擊實的機理主要取決于土中水膜厚度

6、的變化和孔隙水的多少。5. 壓實度工程實踐中用壓實度來控制粘性土的壓實標(biāo)準(zhǔn)，壓實度的定義是現(xiàn)場填土的干密度與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實功能擊實的最大干密度之比，用百分數(shù)表示。我國土壩設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，、級土石壩填土的壓實度應(yīng)達到95%98%，級土石壩的填土壓實度應(yīng)大于92%。填土地基的壓實度標(biāo)準(zhǔn)可參照這一規(guī)定。6. 表面壓實法和重錘夯實法表層壓實法是利用機械碾壓或機械振動對填土、濕陷性黃土、松散粉細砂表層進行壓實。其壓實功能影響深度較小，在填土工程中通常分層碾壓，壓實后的厚度控制在3040cm左右，該方法也用于處理表層厚度較小的軟弱地基。重錘夯實法是利用重錘自由下落時的沖擊能來夯實填土或淺層地基。夯實效果與夯

7、錘重量、錘底直徑、落距以及土質(zhì)等因素有關(guān)。二、土的擊實性1. 擊實土樣的含水率特性圖5.4曲線右上方的一條線是飽和度為100%的飽和曲線。它表示當(dāng)土在飽和狀態(tài)時的含水率與干密度之間的關(guān)系。根據(jù)土的三相比例關(guān)系可以導(dǎo)出飽和曲線的表達式為： （52）式中 飽和含水率，； 土粒比重或相對密度；水的密度，gcm3； 土的干密度，gcm3。由于土是處于三相狀態(tài)，所以當(dāng)土被擊實達到最大密度時，土孔隙中的空氣不易排出，即使加大擊實功能亦不能將土中受困氣體排盡，故被擊實的土體不可能達到完全飽和的程度。因此當(dāng)土的干密度相等時，其擊實曲線上各點的含水率必然都小于飽和曲線上相應(yīng)的含水率。這就是為什么被擊實土的曲線均

8、位于飽和曲線的左下側(cè)，而不可能與飽和曲線有交點的原因。對于一般粘性土來說，其最大干密度(峰點)所相應(yīng)的飽和度約為80左右。這是因為在迅速沖擊荷載作用下，土中的氣體不能全被排出，即無論如何擊實，土的飽和度都達不到100%。2. 擊實功能對最大干密度和最優(yōu)含水率的影響土的最優(yōu)含水率和最大干密度與擊實功能的大小密切相關(guān)。如圖5.3（a）是某一粉質(zhì)粘土在擊數(shù)分別為10、20、30、40、60擊的擊實功能作用下，得到的不同擊實曲線。曲線說明，用較大的擊實功能在較小的含水率狀態(tài)下，可獲得較大的最大干密度；而用較小的擊實功能，需要在較大的最優(yōu)含水率情況下，獲得較小的最大干密度。這是因為含水率較小時，水膜較薄

9、，抵抗土粒移動的力較大，只有用較大的擊實功能才能克服這種抵抗力。反之，用較小的擊實功能不易克服較大的抵抗力，只有在較大含水率情況下，才能把土壓實，而獲得較小的最大干密度。 （a）擊數(shù)對對土擊曲線的影響 （b）最大干密度和最優(yōu)含水率與擊實功能的關(guān)系圖5.3 不同擊實功能對擊實性的影響圖5.3（b）中曲線顯示，擊實功能愈大，所得的擊實效果較好，得到的最大干密度愈大。但在擊實功能較小時，增大擊實功能，干密度增加較快；擊實功能較大時，擊實功能的增大，最大干密度增加緩慢。這是因為土被擊實達到一定密實程度后，土粒已經(jīng)移動到新的位置，增強了土的抵抗力，繼續(xù)擊實效果不佳。同時，隨著擊實功能的增加，最優(yōu)含水率不

10、斷減少。綜上所述，當(dāng)填料的含水率較小時，要獲得較大的干密度，必須加大擊實功能；或者適當(dāng)增加填土料的含水率，在較小的擊實功能作用下獲得一定的干密度。三、影響土擊實性的主要因素以上分析可知，影響土的擊實性的主要因素包括土質(zhì)情況（礦物成分和粒度成分）、土所處的狀態(tài)（含水率）和擊實條件（擊實功能）。首先，土的類型對擊實效果有較大影響，不同的土類有不同的擊實特性。對粘性土而言，通常含細粒愈多的土，其最大干密度的值愈小，而最優(yōu)含水率愈大，表5-1是我國一般粘性土的最大干密度和最優(yōu)含水率的經(jīng)驗值。如果土中含有一定的粗顆粒（砂、礫石等）或土的級配良好，土能在較小的含水率下得到較大的干密度。表5-1 粘性土最大

11、干密度和最優(yōu)含水率的經(jīng)驗值塑性指數(shù)最大干密度（g/cm3）相應(yīng)的最優(yōu)含水率（%）101.851310141.751.85131514171.701.75151717201.651.?0171920221.601.651921土中含有機質(zhì)對土的擊實效果有不良的影響，有機質(zhì)親水性強，不易將土擊實到較大的干密度，且有機質(zhì)還會進一步分解而使土的性質(zhì)惡化，故填筑土料中有機質(zhì)含量有一定的限制。其次，由于粘性土填料存在最優(yōu)含水率，在填土施工時應(yīng)將土料的含水率盡量控制在其左右，以期用較小的能量獲得最佳的壓實密度，含水率偏低或偏高均不利于土的壓實。含水率偏低時，壓實土具有凝聚結(jié)構(gòu)特征，均勻性好，強度較高，較脆硬

12、，但浸水容易產(chǎn)生附加沉降；當(dāng)含水率偏高時，壓實填土具有分散結(jié)構(gòu)特征，可塑性大，變形穩(wěn)定，但強度較低。可見，含水率偏高或偏低有各自的優(yōu)缺點，在設(shè)計土料時要根據(jù)工程要求和當(dāng)?shù)赝亮系奶烊缓是闆r，選擇合適的施工含水率。 此外，擊實功能對壓實密度的影響與土的含水率大小有關(guān)，如圖5.4是三種不同含水率土的擊實特征，當(dāng)含水率較低時，增加擊實功能有效地增加填土的密度，如含水率較高，只在擊實剛能較小時，增加擊實功能可增加壓實密度，擊實功能稍大一些時，再增加擊實功能對壓實密度的增加就沒有效果。 圖5.4 土的干密度與擊實功能的關(guān)系1=12%；2=16%；3=20%四、擊實試驗應(yīng)注意的幾個問題1.關(guān)于試驗用土（

13、1）使用風(fēng)干或烘干土問題目前絕大多數(shù)單位采用風(fēng)干土做試驗，但也有采用烘干土的。采用烘干土制備試樣，固然方便，但卻改變了土的天然特性，不符合施工實際情況。由于烘干使土中的某些膠質(zhì)或有機質(zhì)被灼燒或分解，致使失去膠粒與水作用的活性，顯然是會影響試驗成果。實踐證明，用和用風(fēng)干土試驗比較，用烘干土做試驗得到的最優(yōu)含水率一般偏小，而最大干密度偏大。所以在擊實試驗中，應(yīng)用風(fēng)干土作試驗更為合理。（2）試驗加水拌和浸潤與養(yǎng)護問題在土樣制備中，對計算控制的水量，能否準(zhǔn)確均勻地施加于土樣上，這是保證擊實試驗準(zhǔn)確性的一個重要關(guān)鍵，目前加水方法有兩種：一為體積控制法；一為稱重控制法。其中以稱重法的效果為最好。此兩法都是

14、借助特制的噴灑器將規(guī)定噴灑的水量，在邊灑邊拌和的情況下，使水能均勻地分布于土樣內(nèi)。然后稱其水土合重，直到所加水量等于所規(guī)定的水土總量為止。再將濕土從盤中取出，置于密閉器或薄膜袋中，放置陰涼處保濕，其靜置時間可視土質(zhì)具體情況而定，一般都不應(yīng)少于12小時，甚至一晝夜，粉質(zhì)土可適當(dāng)縮短浸潤時間，使有充分時間浸透，使之干濕均勻。（3）土樣重復(fù)使用問題經(jīng)過錘擊后的土，不可避免地會使部分顆粒擊碎，從而改變了土的級配特征。同時，欲將擊實試樣恢復(fù)到原有松散狀態(tài)也比較困難，進而影響了水份再次施加、拌和和浸透，特別對裂隙發(fā)育的易碎性土和高塑性粘土，經(jīng)擊實后很難分散，更不易被水浸透，擊實功能越大，最大干密度差別也越

15、大，故一般情況下土樣不宜重復(fù)使用，而應(yīng)采用新土做試驗。2.關(guān)于擊實容器中余土的高度問題這個問題尚未引起人們的普遍重視，一般試驗規(guī)程中尚無嚴格地明確規(guī)定。實際上，由于擊實容器中余土高度不一所產(chǎn)生的影響，不僅使試驗數(shù)據(jù)分散，而且隨著余土高度的增大，其最大干密度有逐漸偏小的趨勢。這是因為目前國內(nèi)外廣泛使用的定體積擊實試驗，其標(biāo)準(zhǔn)擊實功是從余土高度為零考慮的。有了余土，使用擊數(shù)來表示的單位擊實功就不真實。所以在操作中，要嚴格控制余土高度。土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50123-1999）中規(guī)定，擊實完成后，試樣超出擊實筒頂面的高度不大于6毫米。3.含粗顆粒的計算校正問題 由于擊實筒的尺寸限制，土工試驗方

16、法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50123-1999）中規(guī)定，輕型擊實儀允許試樣的最大粒徑為5毫米，重型擊實試驗允許的最大粒徑為40毫米。當(dāng)土內(nèi)含有大于規(guī)定粒徑的顆粒時，常需先剔除然后進行試驗。這樣測出的最大干密度和最優(yōu)含水率與實際土料在相同擊實功能作用下的最大干密度和最優(yōu)含水率不同，故對試驗結(jié)果需要進行校正。對于輕型擊實試驗，當(dāng)土內(nèi)粒徑大于5毫米的土粒含量不超過25%（土粒呈片狀）或30%（土粒呈渾圓狀）時，可以認為土內(nèi)粗土?？删鶆蚍植荚诩毻亮Ｖ畠?nèi)，不影響細土粒的擊實效果，即細土粒能夠達到最大干密度。所以,實際土料的最大干密度和最有含水率需要依據(jù)試驗結(jié)果進行校正。輕型擊實試驗最大干密度和最優(yōu)含水率的校正公式

17、為：（1）最大干密度校正 （53）式中 校正后試樣的最大干密度（g/cm3）； 擊實試樣的最大干密度（g/cm3）粒徑大于5mm土的質(zhì)量百分數(shù)（%）；粒徑大于5mm土粒的飽和面干比重（既飽和面干狀態(tài)時土粒的比重）。（2）最優(yōu)含水率校正，準(zhǔn)確值0.01% （54）式中 校正后試樣的最優(yōu)含水率（%）；擊實試驗試樣的最優(yōu)含水率（%）；粒徑大于5mm土粒的吸著水含水率（%）。當(dāng)土中含有大于5毫米顆粒超過30時，這些顆粒會在土中形成骨架作用，使土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯地改變，上述校正公式不適用。如因工程需要，可改用大型擊實儀或做專門性的試驗。4.試驗成果檢驗首先應(yīng)檢查擊實曲線的右方是否與飽和曲線接近平行

18、，且所有試驗點均應(yīng)在其左邊。其次，在同一擊實標(biāo)準(zhǔn)下，級配不均勻的土所得曲線較陡，土的密度大；級配均勻的土所得曲線較平緩，土的密度小。此外還須注意，土的塑性指數(shù)越高，最大干密度越小。實踐資料表明，粘性土的最優(yōu)含水率一般接近塑限值，或近似地取0.50.7(平均0.6)倍液限含水率。此外，在擊實試驗中還應(yīng)使錘擊的間歇時間超過土的回彈后效時間(一般彈性變形的恢復(fù)需幾秒鐘)，因為過快錘擊則錘擊的部分能量，會部分地被回彈作用力所抵銷，故壓實效果欠佳，試驗中尤應(yīng)注意。5.關(guān)于最大干密度的計算 對一些中小工程，由于缺乏試驗設(shè)備，或因施工緊急,沒有條件進行擊實試驗時，可按下式估算最大干密度的大?。?式中 土顆粒

19、比重； 水的密度，gcm3； 最優(yōu)含水率，按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗或?。?2）%； 經(jīng)驗系數(shù)，粘土為095，亞粘土為096，輕亞粘土為097。第二節(jié) 標(biāo)準(zhǔn)型擊實試驗方法一、基本原理擊實試驗的目的是在室內(nèi)利用擊實儀，測定土樣在一定擊實功能作用下達到最大密度時的含水率（最優(yōu)含水率）和此時的干密度（最大干密度），借以了解土的壓實特性，作為選擇填土密度、施工方法、機械碾壓或夯實次數(shù)以及壓實工具等的主要依據(jù)。所謂標(biāo)準(zhǔn)型擊實試驗是指采用專門的擊實儀和規(guī)定的擊實方法給土體施加給一定的擊實功能。本試驗分為輕型擊實和重型擊實，我國以往采用輕型擊實試驗較多，水庫、堤防、鐵路路基填土均采用輕型擊實試驗，輕型擊實試驗分三層擊實，適

20、用于粒徑小于5mm的粘性土；重型擊實試驗常常應(yīng)用于高等級公路和機場跑道等工程填土中，試驗若分五層擊實，則適用于粒徑不大于20mm的土，若分三層擊實，則最大粒徑不得大于40mm。同時，在輕型擊實試驗中，對試樣中粒徑大于5mm的土質(zhì)量小于或等于試樣總質(zhì)量的30%時，需要對最大干密度和最優(yōu)含水率進行校正。二、儀器設(shè)備1擊實儀：主要由擊實筒和擊錘組成。輕型擊實試驗和重型擊實試驗的擊實儀主要參數(shù)如表5-2、圖5.5和圖5.6。表5-2 擊實儀主要部件尺寸試驗方法錘底直徑(mm)錘質(zhì)量(kg)落距(mm)擊實筒護筒高度(mm)單位體積擊實功(kJ/m3)內(nèi)徑(mm)筒高(mm)容積(cm3)輕型512.5

21、305102116947.450592.2重型514.54571521162103.9502684.9 （a）輕型擊實筒 （b）重型擊實筒 圖5.5 擊實筒 1護筒；2擊實筒；3底板；4墊塊 （a）2.5kg擊錘 （b）4.5kg擊錘圖5.6 擊錘1提手2導(dǎo)筒；3硬橡皮墊；4擊錘 同時，擊實儀要滿足下面要求：（1）擊實試驗分輕型擊實試驗和重型擊實試驗，擊實儀的擊實筒和擊錘尺寸如表5-1和圖5.2，圖5.3；（2）擊錘要配導(dǎo)桿，導(dǎo)桿與擊錘之間要有足夠間隔使擊錘自由下落；電動控制的擊錘必須有控制落距的跟蹤裝置和錘擊點按一定角度（輕型53.5°，重型45°）均勻分布的裝置（重型擊

22、實儀中心點每圈加一擊）。2天平 稱量200g，最小分度值0.01g；稱量2kg，感量1g；3臺秤 稱量10kg，最小分度值5g；4推土器（無推土器時，可用刮刀和修土刀將試樣從擊實筒中取出）；5標(biāo)準(zhǔn)篩：孔徑為5mm、20mm或40mm；6其他：噴水設(shè)備、碾土設(shè)備、修土刀、小量筒、盛土盤、測含水率設(shè)備、保濕器等。三、操作步驟1 制備土樣（分為干法和濕法兩種）干法制備（1）取代表性風(fēng)干（或在60下烘干）土樣放在橡皮板上用木碾碾散，過5mm（重型過20mm或40mm）篩，取1520kg（重型取50kg）備用，測土樣風(fēng)干含水率。（2）根據(jù)土的塑限預(yù)估土的最優(yōu)含水率，按依次相差約2%的標(biāo)準(zhǔn)，通過噴水配制5

23、6個不同含水率的試樣，控制中間試樣的含水率在預(yù)估最優(yōu)含水率附近，以確保擊實曲線出現(xiàn)峰值。預(yù)加水量按下式計算：式中 制備試樣所需的加水量，g； 風(fēng)干土樣的質(zhì)量，g；風(fēng)干土樣含水率，%；制樣要求達到的含水率，%。（3）按預(yù)定含水率制備試樣，每個試樣取2.5kg，平鋪于不吸水的平板（或調(diào)土盤）上，用噴水設(shè)備按預(yù)定水量均勻噴水并攪拌均勻后，裝入保濕器或塑料袋內(nèi)，浸潤備用。浸潤時間一般是：高塑性土不少于24小時，低塑性不少于12小時。濕法制備（1）取天然含水率狀態(tài)下的代表性土樣20kg（重型為50kg），放在橡皮板上用木碾碾散，過5mm（重型過20mm或40mm）篩，將篩下土樣拌勻測其天然含水率。（2）

24、計算至少5個含水率，具體方法和干法制備土樣相同。（3）分別將天然含水率的土樣風(fēng)干或加水進行制備，注意保證制備好的土樣水分均勻分布。2分層擊實（1）將擊實筒放在堅硬的地面上，在擊實筒內(nèi)壁涂一薄層潤滑油并與底座連接好，稱取一定量的試樣倒入擊實筒內(nèi)，分層擊實，其中輕型擊實試樣質(zhì)量25kg，分三層，每層25擊；而重型擊實，試樣質(zhì)量410kg，分五層，每層56擊，若分三層，每層94擊；把試樣倒入擊實筒后，要整平表面后開始擊實，擊實時落錘應(yīng)鉛直自由下落，落距輕型為305mm，重型為457mm。錘跡必須均勻分布于土面。第一層擊完后，安裝套環(huán)、重復(fù)上述步驟，進行第二和第三層土的擊實，每層試樣高度宜相等，兩層交界處的土面應(yīng)刨平。擊實后試