陳 華

(攀枝花天譽(yù)工程檢測(cè)有限公司，四川攀枝花617023))

影響室內(nèi)土工擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果的幾個(gè)問(wèn)題

陳 華

(攀枝花天譽(yù)工程檢測(cè)有限公司，四川攀枝花617023))

擊實(shí)試驗(yàn)是工程試驗(yàn)檢測(cè)土石填筑中不可缺少的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)項(xiàng)目,擊實(shí)試驗(yàn)中的諸多因素都會(huì)影響擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果。文中介紹了幾個(gè)影響因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響分析。希望對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)提供一些有實(shí)際意義的借鑒。

土工; 擊實(shí)試驗(yàn); 影響因素; 結(jié)果分析

壓實(shí)度是控制現(xiàn)場(chǎng)填筑工程質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。為了控制土的壓實(shí)質(zhì)量,需要對(duì)填料進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn),測(cè)出土的最大干密度和最佳含水量。試驗(yàn)方法是取至少5份不同含水量的填料按照規(guī)定的擊實(shí)功進(jìn)行筒內(nèi)擊實(shí)，之后稱重并測(cè)定含水率，以得出不同的干密度及含水量，通過(guò)繪出圖表的方法得出土的最大干密度和最佳含水量。而在室內(nèi)土工擊實(shí)試驗(yàn)中,諸多細(xì)節(jié)因素影響著試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度以及試驗(yàn)的成功率。筆者對(duì)近年公司大量的土工擊實(shí)試驗(yàn)通過(guò)分析，分析了填筑土樣的制備、含水率、余土高度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1 擊實(shí)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)

土的擊實(shí)過(guò)程,實(shí)際是土顆粒和粒組在不排水條件下的重新組構(gòu)過(guò)程。要將土壓實(shí),必須使其水分降低到飽和度以下,擊實(shí)試驗(yàn)就是用標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)時(shí)方法測(cè)定土的干密度和含水率的關(guān)系,從而確定土的最大干密度和最優(yōu)含水量。由于工程的具體要求不同,所用的填筑材料也不盡相同。因此,選用的擊實(shí)試驗(yàn)方法也不同。標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)主要分為輕型和重型兩種(標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123-1999要求):輕型擊實(shí)試驗(yàn)的試驗(yàn)方法是分3層填筑土樣,每層錘擊25次;重型擊實(shí)儀器可以分3層填筑土樣,每層錘擊94次,也可分5層填筑土樣,每層錘擊56次。根據(jù)不同的填筑材料要選擇不同的試驗(yàn)方法。輕型擊實(shí)儀適用于最大粒徑不超過(guò)5 mm的細(xì)粒土;重型擊實(shí)儀5層擊實(shí)適用于最大粒徑不超過(guò)20 mm的土。重型擊實(shí)儀3層擊實(shí)方法適用于最大粒徑不超過(guò)40 mm的土。具體的擊實(shí)試驗(yàn)方法又包括干法和濕法2種。一般而言,對(duì)于高含水量的土宜選用濕法;非高含水量土則選用干法。主要原因是干法是將試樣風(fēng)干或低溫烘干，之后碾碎過(guò)篩;濕法則是將天然含水率的試樣碾碎過(guò)篩，高含水率土可省略過(guò)篩步驟 。試驗(yàn)顯示對(duì)于高含水率土體而言,干法求得的最大干密度較濕法求得的最大干密度大，而最佳含水率則較小。形成原因主要是含水率高時(shí)要將大部分土團(tuán)原結(jié)構(gòu)破壞重新排列幾乎不可能，而實(shí)際施工中的粉碎程度也很難達(dá)到風(fēng)干或低溫烘干過(guò)篩的程度，故將導(dǎo)致最大干密度大，最佳含水率小;而對(duì)于非高含水率的土體而言，因其相對(duì)易粉碎，故兩種檢測(cè)方法結(jié)果差別并不明顯。因此對(duì)于高含水量的土體則適于濕法試驗(yàn)，若采用干法則無(wú)形中會(huì)提高對(duì)土基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的要求，而在實(shí)際施工中則往往很難達(dá)到，最終必然導(dǎo)致檢測(cè)不合格的假象，并會(huì)增加施工成本。具體的試驗(yàn)步驟詳見(jiàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)或《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)。

2 試樣的制備

試樣制備方法不同將導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不同，通過(guò)對(duì)同一土樣(昔格達(dá)土)對(duì)天然、風(fēng)干、烘干狀態(tài)下的擊實(shí)結(jié)果分析見(jiàn)表1。

表1 同一土樣三種狀態(tài)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出:最大干密度以烘干土最大,風(fēng)干土樣次之,天然土樣最小;最優(yōu)含水率以烘干土樣最小,天然土樣次之,風(fēng)干土樣最大。烘干土對(duì)最大干密度的影響最大，由于在制備過(guò)程中土料事先烘干導(dǎo)致其散失基本的含水率而導(dǎo)致土體顆粒間封閉氣泡隨水分散失而消失，雖在擊實(shí)土料制作時(shí)添加水份但在短時(shí)間形成的封閉氣泡畢竟有限，而土體顆粒為承擔(dān)擊實(shí)功能的主體并導(dǎo)致土體發(fā)生永久性體積變化，最終得到較高的干密度; 同時(shí)烘干過(guò)程中的粉碎過(guò)篩處理將得到足夠的細(xì)顆粒來(lái)填充粗顆粒間的孔隙而獲得較高密實(shí)度。而濕法制料雖土料含有一定的水分，且在試驗(yàn)前經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)谋窕蝻L(fēng)干處理，但其最終土樣內(nèi)保留了一定的含水率，因此土體內(nèi)封閉氣泡絕大部分得以保存，導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中很大一部分擊實(shí)功由孔隙氣承擔(dān)而轉(zhuǎn)化為孔隙壓力，而擊實(shí)時(shí)氣泡體積減小也是短暫的，且在土體擊實(shí)后的回彈量較大導(dǎo)致永久性變形較小，同時(shí)濕法制料過(guò)程中不易進(jìn)行粉碎過(guò)篩處理，導(dǎo)致土體顆粒相對(duì)較大而不能填充大顆粒間孔隙，因此建議應(yīng)盡量采用風(fēng)干土樣或天然土樣。

3 試驗(yàn)方法的影響

相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程中要求土體積不能高出擊實(shí)筒頂面5～6 mm,此時(shí)土樣接受總擊實(shí)功相同,密度具有可比性,但由于不知每層裝多少土才能使擊實(shí)后體積符合規(guī)范要求,因此,常出現(xiàn)土超過(guò)或未達(dá)到筒頂高度,這部分土的高度稱為余土高度。余土高度如果超過(guò)規(guī)范要求則試驗(yàn)必須重做,因此為了提高試驗(yàn)的成功率必須控制好余土高度。

(1)由擊實(shí)最大影響深度理論公式H=(Wh/10)1/2,式中:

H為擊實(shí)影響深度,m;W為擊實(shí)錘重,kN;h為落距,m。可以計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)儀工作最大影響深度為(以標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123-1999中的筒高116 mm，余高6 mm計(jì)算)：

H=(4.5×9.8×0.001×0.457/10)1/2=0.0449 m=4.49 cm

每層擊實(shí)高度約為(116+6)/3=40.07 mm=4.01 cm；

(以標(biāo)準(zhǔn)JTG E40-2007中的筒高120 mm，余高6 mm計(jì)算)：

H=(4.5×9.8×0.001×0.450/10)1/2=0.0445m=4.45cm

每層擊實(shí)高度約為(120+6)/3=42.00 mm=4.20 cm；

通過(guò)兩組數(shù)據(jù)的比較，每層的擊實(shí)高度與計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)儀工作最大影響深度相差不大，因此擊實(shí)后一層對(duì)前面已擊實(shí)各層無(wú)多大影響,前面各層體積不再變化,所以三層的裝土量可以一致,從而可以預(yù)先估算每層該裝多少土樣。

(2)計(jì)算:根據(jù)我們大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，重型擊實(shí)小筒按三次裝料，每次取約800～900 g土樣，設(shè)質(zhì)量為m1裝入擊實(shí)筒,擊實(shí)后測(cè)量高度為h1;設(shè)高度為h2=4.20 cm(以標(biāo)準(zhǔn)JTG E40-2007中的筒高120 mm，余高6 mm計(jì)算),需裝入質(zhì)量為m2,則約得出：

m1/m2=h1/h2

討論:當(dāng)h1>4.20 cm時(shí),則說(shuō)明每層的填料加多了。因此,為使所裝土樣高度為4.20 cm,需取出多余土量的土;同理h1<4.20 cm時(shí),需多加入一部分土。那么得出每層加入理論上的土量為m2=m1×h2/h1。

4 土體含水率的影響

土體含水率是影響土體壓實(shí)效果的最為重要的因素，含水率過(guò)大或過(guò)小都不能使土體達(dá)到最為緊密狀態(tài)。當(dāng)土體內(nèi)含水率較小則土粒表面的結(jié)合水膜較薄，而強(qiáng)結(jié)合水更少，土體顆粒間主要通過(guò)引力結(jié)合，因此其相對(duì)錯(cuò)動(dòng)較為困難，并趨向于任意排列，因此其不易密實(shí)最終導(dǎo)致干密度值偏低，含水率增加則其結(jié)合水膜增厚，土體顆粒間排斥力增大，顆粒間存在的弱結(jié)合水膜將起到一定的潤(rùn)滑作用，易導(dǎo)致顆粒錯(cuò)動(dòng)，顆粒將定向排列增多，其干密度也隨之增大，而當(dāng)含水率超過(guò)某限值則土體顆粒間引力仍減小，但顆粒間結(jié)合水膜承擔(dān)了部分擊實(shí)功，顆粒間的有效應(yīng)力則減小。導(dǎo)致土體不易壓實(shí)，隨含水率繼續(xù)增加只能導(dǎo)致密度降低。

5 結(jié) 論

通過(guò)上述簡(jiǎn)要分析可以得出以下結(jié)論: 在進(jìn)行試樣的擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量采用風(fēng)干土樣或天然土樣；余土高度對(duì)于干密度的影響是不可忽略的,要嚴(yán)格控制余土高度,一般不超過(guò)6 mm為宜，在擊實(shí)過(guò)程中每層土料質(zhì)量盡量相等; 土體含水率也是影響土體壓實(shí)效果的最為重要的因素，所以土樣的含水量應(yīng)適當(dāng)。除了上述因素外,由于土樣性質(zhì)差異很大,要求操作人員在實(shí)際工作中,掌握試樣的實(shí)際變化,試驗(yàn)人員一定要嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范的要求,控制好試驗(yàn)條件,降低各種因素的影響,提高土的擊實(shí)效果,從而測(cè)定出科學(xué)真實(shí)的指標(biāo)數(shù)據(jù),作為施工技術(shù)控制的準(zhǔn)確依據(jù)。

[1] GB/T50123-1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] JTG E40-2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[3] 何建平.土工試驗(yàn)中存在的一些問(wèn)題及建議[J].巖土工程界,2006(1):22-24.

[4] 趙樹(shù)德． 土力學(xué)[M]． 北京: 高等教育出版社，2001.

陳華(1979～)，男，本科，高級(jí)工程師，從事工程試驗(yàn)檢測(cè)工作。

TU411.2

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[定稿日期]2015-03-26