壓實(shí)質(zhì)量影響因素分析

陳州文

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

關(guān)鍵詞：壓實(shí)機(jī)理;干密度;含水率;壓實(shí)指標(biāo)

1 土的壓實(shí)機(jī)理

土的壓實(shí)實(shí)質(zhì)上是土在外力短暫重復(fù)沖擊作用下三相重新組合密實(shí)的過程。此時(shí)，土的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)都產(chǎn)生了變化。土壤被壓實(shí)后，空氣被排出，孔隙率減少，密度提高，相應(yīng)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(shí)質(zhì)量受土質(zhì)、土顆粒級配、含水率、擊實(shí)功等影響。我們可以將土的壓實(shí)過程描述為“排列、填充、排出、夯實(shí)”。

排列：土顆粒在碾壓機(jī)械施加短時(shí)間荷載或振動(dòng)荷載后重新排列。在壓實(shí)過程中，不同土的構(gòu)成新的三相組成所需要的壓實(shí)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(gè)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(shí)，壓實(shí)質(zhì)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(shí)主要是排出氣體。

夯實(shí)：土中單個(gè)顆?；虿灰?guī)則顆粒在較大壓實(shí)能量的作用下被破碎成細(xì)小顆粒后填充在大顆粒中，被壓碎后土的顆粒級配產(chǎn)生變化。

由此可見，土質(zhì)，土的三相構(gòu)成，含水率，土顆粒級配，壓實(shí)功是影響壓實(shí)的主要因素。不同類別的土在壓實(shí)特性不同。

2 土基壓實(shí)意義

路基是保證路面質(zhì)量的根本，直接承受著結(jié)構(gòu)自重及路面?zhèn)鱽淼能囕v荷載，是一條帶狀結(jié)構(gòu)物，具有較長長度，與大自然接觸面廣，受影響因素多等特點(diǎn)，尤其是路基在施工過程中經(jīng)歷挖、運(yùn)、填、壓、修等施工工序后，易造成土粒松散不密實(shí)。壓實(shí)是改變土體特性滿足土基工程質(zhì)量的一種經(jīng)濟(jì)、高效的途徑。壓實(shí)強(qiáng)度高的土基，可以減緩在土基自然沉降或在重型汽車重復(fù)荷載作用下產(chǎn)生的永久變形，減小塑性變形，降低透水性，減少毛細(xì)水上升高度，大大提高其強(qiáng)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(zhì)量的好壞決定了整條公路的使用壽命。因此，利用機(jī)械對路基進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)，做好路基的壓實(shí)質(zhì)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(jīng)歷著溫度和水共同作用產(chǎn)生的冷熱干濕變化而產(chǎn)生沉陷、波浪、翻漿、開裂等病害。土基只有被充分壓實(shí)后才能獲得足夠的承載能力以保證路面的使用質(zhì)量。通過擊實(shí)試驗(yàn)可知，土基在最佳含水率時(shí)壓實(shí)才能獲得最大的干密度。然而，現(xiàn)場土基現(xiàn)場施工時(shí)，由于作業(yè)順序、外界環(huán)境等因素對填土壓實(shí)時(shí)的含水率產(chǎn)生影響。最佳含水率干側(cè)和最佳含水率濕側(cè)對土基壓實(shí)性能的影響見下表1。

從上表可以看出，當(dāng)控制含水率在最佳含水率的干側(cè)時(shí)，壓實(shí)后的土基達(dá)到了施工中所需要的抗剪強(qiáng)度，孔隙壓力較低，但土基后期的質(zhì)量卻受到較大影響。干側(cè)土體遇水時(shí)易產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，土基易失穩(wěn);當(dāng)控制含水率在濕側(cè)時(shí)，土的變形模量和強(qiáng)度較低。因此，應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場填料的壓實(shí)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(jìn)行合理的控制。

從微觀結(jié)構(gòu)對土的物理力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在最佳含水率干側(cè)時(shí)壓實(shí)土明顯呈雙重結(jié)構(gòu)。在濕側(cè)，呈均勻結(jié)構(gòu)而非定向排列的分散結(jié)構(gòu)。土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受含水率的變化而變化，因而使土的壓實(shí)特性產(chǎn)生較大差異。楊世基在風(fēng)化殘積土的試驗(yàn)中，采用干法和濕法得到的土的壓實(shí)性能也是不相同的。為了更真實(shí)地模擬現(xiàn)場土基壓實(shí)的實(shí)際情況，建議土的室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)應(yīng)采用濕法。

3.2 碾壓機(jī)具

從圖1不同擊實(shí)功對干密度的影響可以推導(dǎo)，在最佳含水率條件下，不同碾壓機(jī)具對壓實(shí)效果有較大區(qū)別。振動(dòng)比光輪壓實(shí)質(zhì)量好。重型壓路機(jī)壓實(shí)功大，輕型壓路機(jī)壓實(shí)功小，前者壓實(shí)質(zhì)量好。然而，在土基施工中，盲目的通過增加壓實(shí)功來獲得較好的壓實(shí)質(zhì)量是不經(jīng)濟(jì)的，應(yīng)在工程進(jìn)度、工程質(zhì)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(jī)具，其單位壓力應(yīng)小于土體的抗剪強(qiáng)度極限值。

對碾壓機(jī)械及與適用土的類別、碾壓機(jī)具與適應(yīng)的松鋪厚度在《公路路基施工技術(shù)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(dāng)?shù)臋C(jī)械時(shí)可用;C代表不適用;（2）土的類別按《公路土工試驗(yàn)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(shí)機(jī)械選擇可按細(xì)粒土考慮;（4）自行式壓路機(jī)宜用于一般路堤、路塹基底的換算等的壓實(shí)，宜采用直線式進(jìn)退運(yùn)行;（5）羊足碾應(yīng)有光輪壓路機(jī)配合使用。

從上表可以看出，可用多種機(jī)械壓實(shí)同一類土，一種土可用多種機(jī)械壓實(shí)，但對碾壓遍數(shù)、碾壓方式和壓實(shí)能量沒有作出明確規(guī)定。而且，土的室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)無法對現(xiàn)場施工機(jī)械壓實(shí)過程進(jìn)行真實(shí)模擬，各類施工機(jī)械所適用的最大干密度和最佳含水率與室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)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?，F(xiàn)場壓實(shí)檢測采用室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)所得的最大干密度作為壓實(shí)度的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，壓實(shí)度無法得到真實(shí)的反應(yīng)。

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(jī)具適用情況如下表（表3）。

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

碾壓遍數(shù)的影響：大量工程實(shí)踐證明，土基壓實(shí)度隨著碾壓遍數(shù)的增加而有所增大。但是，壓實(shí)度所增加與壓實(shí)功的增加是不對等的，為了獲得與壓實(shí)度相應(yīng)增加速率的壓實(shí)度所需增加的壓實(shí)功是非常大的。在土基施工過程中，應(yīng)從工程質(zhì)量、成本出發(fā)綜合考慮選擇合適的壓實(shí)遍數(shù)，使壓實(shí)后土基的質(zhì)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(shí)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(shí)間的長短。碾壓速度慢，持續(xù)時(shí)間長，外力施加在填料上的單位能量高。實(shí)踐證明，碾壓機(jī)械應(yīng)勻速行駛，碾壓速度一般不超過4 km/h為宜，應(yīng)先慢壓后快壓。

3.4 壓實(shí)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(shí)能量增大而變小，但這種增長是非直線式的有限度增長。當(dāng)土體壓實(shí)達(dá)到緊密狀態(tài)時(shí)，土顆粒間的阻力已經(jīng)非常大，如果想要將土體繼續(xù)壓實(shí)為超緊密狀態(tài)，就需要更大的壓實(shí)能量來克服土顆粒相對移動(dòng)的阻力。在1987年制定水利電力部的土工試驗(yàn)規(guī)程時(shí)，用“南實(shí)處”擊實(shí)儀和“標(biāo)準(zhǔn)普氏”擊實(shí)儀這兩張擊實(shí)儀做了多組比對試驗(yàn)，“南實(shí)處”擊實(shí)儀比“標(biāo)準(zhǔn)普氏擊”實(shí)儀的擊實(shí)能量提高43%，也只能將壓實(shí)度為90%的土樣提高到壓實(shí)度為92%。1998年Blotz應(yīng)用最小二乘回歸法對22組不同土樣（液限WL為17%～70%）的進(jìn)行試所得的壓實(shí)能量、最大干密度、最佳含水率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)壓實(shí)能量與最大干密度的指數(shù)、壓實(shí)能量與最佳含水率的指數(shù)呈線性關(guān)系。并擬合后得到下面兩個(gè)式子（1）（2）：

式中：E，EK-壓實(shí)能量，已知壓實(shí)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(zhì)粘土：液限28.7%塑限17.5%）采用重型擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用上式（1）計(jì)算所得的壓實(shí)能量與壓實(shí)度關(guān)系表和擊實(shí)功和干密度的關(guān)系圖。

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

通過圖1可以看出，擊實(shí)功與干密度是非線性關(guān)系，在擊實(shí)功大于740 kJ/cm3之后，其曲線坡度開始變小，當(dāng)擊實(shí)功到達(dá)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(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)是模擬現(xiàn)場施工的條件，根據(jù)圖中的擊實(shí)功與干密度的關(guān)系，可以在曲線上找到一個(gè)合適的點(diǎn)，在該點(diǎn)對應(yīng)的干密度達(dá)到壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，所用的擊實(shí)功比較經(jīng)濟(jì)。從研究成果可以得出，最佳含水率附近才能達(dá)到最經(jīng)濟(jì)最好的壓實(shí)質(zhì)量。在工程中選用合適的“經(jīng)濟(jì)壓實(shí)功”，有利于降低工程施工成本。

3.5 其他因素

人員配備及機(jī)械設(shè)備的配備情況與質(zhì)量保證體系是保證路基壓實(shí)質(zhì)量的重要因素。施工準(zhǔn)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(shí)質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。壓實(shí)土層的松鋪厚度、碾壓方式、碾壓機(jī)械類型和壓實(shí)參數(shù)這些因素也是必須得到合理的控制。

4 小結(jié)

通過土顆粒級配試驗(yàn)和土的液塑限聯(lián)合測定法試驗(yàn)，對工程用土進(jìn)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(yàn)數(shù)據(jù)分析、圖表分析并結(jié)合前人研究成果對土的室內(nèi)擊實(shí)和現(xiàn)場壓實(shí)施工分析研究后，總結(jié)出如下結(jié)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(shí)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(xì)顆粒相互填充形成空隙率最小值，堆積密度最大的最密實(shí)結(jié)構(gòu)，因而有較好的壓實(shí)性能，而顆粒級配不良的土透水性較強(qiáng)，粘性和可塑性較低，壓實(shí)性能較差，級配好壞會(huì)影響擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果。

（2）對土體進(jìn)行擊實(shí)，在擊實(shí)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(shí)效果。相同土質(zhì)在不同的擊實(shí)功作用下的擊實(shí)曲線不同。最大干密度隨著擊實(shí)功的增加而增大，最佳含水率隨著擊實(shí)功的增加而減小。為了獲得干密度較小的增長，必須耗費(fèi)相對較大輸出的擊實(shí)功，這是不合理的，提出應(yīng)結(jié)合工程質(zhì)量、工程要求選擇經(jīng)濟(jì)壓實(shí)功。

（3）現(xiàn)場土基現(xiàn)場施工時(shí)，由于作業(yè)順序、外界環(huán)境等因素對填土壓實(shí)時(shí)的含水率產(chǎn)生影響，且土的壓實(shí)特性在最佳含水率干側(cè)和實(shí)測存在差異，施工中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場填筑路堤用土的壓實(shí)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(jìn)行合理的控制。

（4）壓實(shí)能量來源于壓實(shí)機(jī)具。對碾壓機(jī)具的選擇、確定碾壓參數(shù)是壓實(shí)土基施工最關(guān)鍵的控制，選擇合適的碾壓機(jī)械，選擇合理的碾壓參數(shù)是保證路基壓實(shí)質(zhì)量的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國交通部.公路土工試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)最佳含水量和最大干密度的理論計(jì)算[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（2）：10-13.