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【土的密度】每天一点土力学(12):土的压实性

在工程建设中经常会遇到需要将土按一定要求进行堆填和密实的情况。未经压实的填土强度低,压缩性大而且不均匀,遇水易发生塌陷、崩解等。 为了改善这些土的工程性质,进行填土时,经常都要采用夯打、振动或碾压等方法,使土得到压实,以提高土的强度,减小压缩性和渗透性,从而保证地基和土工建筑物的稳定。

压实就是指土体在压实能量作用下,土颗粒克服粒间阻力,产生位移,使土中的孔隙减小,密度增加。实践经验表明,压实细粒土宜用夯击机具或压强较大的碾压机具,同时必需控制土的含水量。 含水量太高或太低都得不到好的压实效果。 压实粗粒土时,则宜采用振动机具,同时充分洒水。 两种不同的做法说明细粒土和粗粒土具有不相同的压实性质。

细粒土的压实性

研究细粒土的压实性可以在实验室或现场进行。 实验室中,将某一土样分成6~7份,每份和以不同的水量,得到各种不同含水量的土样。 将每份土样装入击实仪内,用完全同样的方法加以击实。 击实后,测出压实土的含水量和干密度。 以含水量为横坐标,干密度为纵坐标,绘制含水量—干密度曲线,这种试验称为土的击实试验。

含水量-干密度曲线

1) 最优含水率和最大干密度

在含水量-干密度曲线上,峰值干密度对应的含水量称为最优含水量,它表示在这一含水量下,以这种压实方法能够得到最大干密度 。 同一种土,干密度越大,孔隙比越小,所以最大干密度相应于试验所达到的最小孔隙比。 在某一含水量下,将土压到最密,理论上就是将土中所有的气体都从孔隙中赶走,使土达到饱和。 将不同含水量所对应的土体达到饱和状态时的干密度也点绘于含水量-干密度曲线图中,得到理论上所能达到的最大压实曲线,即饱和度为 Sr = 100%的压实曲线,也称饱和曲线。

按照饱和曲线,当含水量很大时,干密度很小,因为这时土体中很大一部分体积都是水;若含水量很小,则饱和曲线上干密度很大。 当 ω=0 时,饱和曲线的干容重应等于土颗粒的比重ds。 显然除了变成岩石外,碎散的土是无法达到的。

实际上,试验的击实曲线在峰值以右逐渐接近于饱和曲线,并且大体上与它平行;在峰值以左,则两根曲线差别较大,而且随着含水量减小,差值迅速增加。

土的最优含水量的大小随土的性质而异,试验表明最优含水量约在土的塑限 ω P 附近。 有各种理论解释这种现象的机理。

归纳起来,可以这样理解:当含水量很小时,颗粒表面的水膜很薄,要使颗粒相互移动需要克服很大的粒间阻力,因而消耗很大的能量。 这种阻力可能来源于毛细压力或者结合水的剪切阻力。 随着含水量增加,水膜加厚,粒间阻力必然减小,颗粒自然容易移动。 但是,当含水量超过最优含水量以后,水膜继续增厚所引起的润滑作用已不明显。 这时,土中剩余的空气已经不多,并且处于与大气隔绝的封闭状态。 封闭气体很难全部被赶走,因此击实曲线不可能达到饱和曲线,也即击实土不会达到完全饱和状态。 需注意的是,这里讨论的是黏性土,黏性土的渗透性小,在击实碾压的过程中,土中水来不及渗出,压实的过程可以认为含水量保持不变,因此必然是含水量越高得到的压实干容重越小。

每层土的击实次数不同,即表示击实功能有差异。同一种土,用不同的功能击实,得到的击实曲线如图所示。 曲线表明,压实功能越大,得到的最优含水量越小,相应的最大干密度越高。 所以,对于同一种土,最优含水量和最大干密度并不是恒定值,而是随着压实功能而变化。同时,从图中还可以看到,含水量超过最优含水量以后,压实功能的影响随含水量的增加而逐渐减小,击实曲线均靠近于饱和曲线。

不同压实功的压实曲线

2) 填土的含水量和碾压标准的控制

由于黏性填土存在着最优含水量,因此在填土施工时应将土料的含水量控制在最优含水量左右,以期用较小的能量获得最好的密度。 当含水量控制在最优含水量的干侧时(即小于最优含水量),击实土的结构常具有凝聚结构的特征。 这种土比较均匀,强度较高,较脆硬,不易压密,但浸水时容易产生附加沉降。 当含水量控制在最优含水量的湿侧时(即大于最优含水量),土具有分散结构的特性。 这种土的可塑性大,适应变形的能力强,但强度较低,且具有不等向性。 所以,含水量比最优含水量偏高或偏低,填土的性质各有优缺点。要求填土达到压实标准,工程上采用压实度 λ控制。 压实度的定义是

粗粒土的压实性

砂和砂砾等粗粒土的压实性也与含水量有关,不过不存在着一个最优含水量。 一般在全干燥或者充分洒水饱和的情况下容易压实到较大的干密度。 潮湿状态,由于毛细压力增加了粒间阻力,压实干密度显著降低,粗砂在含水量为 4% ~ 5%,中砂在含水量为7%左右时,压实干密度最小,如图所示。 所以,在压实砂砾时要充分洒水使土料饱和。

粗粒土的压实标准,一般用相对密度 Dr 控制。 以前要求相对密度达到0.70以上,近年来根据地震灾害资料的分析结果,认为高烈度区相对密度还应提高。 室内试验的结果也表明,对于饱和的粗粒土,在静力或动力作用下,相对密度大于0.70 ~ 0.75 时,土的强度明显增加,变形显著减小,可以认为相对密度0.70 ~ 0.75 是力学性质的一个转折点。 同时由于大功率的振动碾压机具的发展,使提高碾压压实度成为可能。 所以,我国现行的<<水工建筑物抗震设计规范>> 规定:位于浸润线以上的粗粒土,要求相对密度不低于0.75;而浸润线以下的饱和土,相对密度则应达到 0.75 ~ 0.85。 这些标准对于有抗震要求的其他类型的填土,也可参照采用。

粗粒土的击实曲线

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