土的密实度.doc

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　　土石料的压实，是土石坝施工质量的关键。维持土石坝自身稳定的土料内部阻力（粘结力和摩擦力）、土料的防渗性能等，都是随土料密实度的增加而提高。例如，干表观密度为l.4t／m³的砂壤土，压实后若提高到1．7t／m³，其抗压强度可提高4倍，渗透系数将降低至1／2000。由于土料压实结果，可使坝坡加陡，加快施工进度，降低工程投资。 
一、土料压实特性 
　　土料压实特性，与土料本身的性质、颗粒组成情况、级配特点、含水量大小以及压实功能等有关。 
　　对于粘性土和非粘性土的压实有显著的差别。一般粘性土的粘结力较大，摩擦力较小，具有较大的压缩性，但由于它的透水性小，排水困难，压缩过程慢，所以很难达到固结压实。而非粘性土料则正好相反，它的粘结力小，摩擦力大，具有较小的压缩性，但由于它的透水性大，排水容易，压缩过程快，能很快达到密实。 
　　土料颗粒粗细组成也影响压实效果。颗粒愈细，空隙比就愈大，所含矿物分散度愈高，就愈不容易压实。所以粘性土的压实干表观密度低于非粘性土的压实干表观密度。颗粒不均匀的砂砾料，比颗粒均匀的细砂可能达到的干表观密度要大一些。 
土料的含水量是影响压实效果的重要因素之一。用原南京水利实验处击实仪（简称南实仪）对粘性土的击实试验，得到一组击实次数、干表观密度与含水量的关系曲线，如图4 2所示，图中”为击实次数，G为饱和度。 
　　在某一击实次数下，干表观密度达到最大值时的含水量为最优含水量；对每一种土料，在一定的压实功能下，只有在最优含水量范围内，才能获得最大的干表观密度，且压实也较经济。 
　　非粘性土料的透水性大，排水容易，压缩过程快，能够很快达到压实，不存在最优含水量，含水量不作专门控制。这是非粘性土料与粘性土料压实特性的根本区别。 
　　压实功能的大小，也影响着土料干表观密度的大小，从图4—2可见，击实次数增加，干表观密度电随之增大而最优含水量则随之减小。说明同一种土料的最优含水量和最大干表观密度并不是一个恒定值，而是随压实功能的不同而异。 
　　一般说来，增加压实功能可增加干表观密度，这种特性，对于含水量较低（小于最优含水量）的土料比对于含水量较高（大于最优含水量）的土料更为显著。 
二、土石料的压实标准 
　　土料压实得越好，物理力学性能指标就越高，坝体填筑质量就越有保证。但土料的过分压实，不仅提高了压实费用，而且会产生剪力破坏，反而达不到应有的技术经济效果。可见对坝料的压实应有一定的标准，由于坝料性质不同，因而压实的标准也各异。 
（一）粘性土料 
粘性土的压实标准，主要以压实干表观密度和施工含水量这两个指标来控制。 
1．用击实试验来确定压实标准 
我国过去大多数工程采用南实仪25击（87．95（t·m）／m³）作为标准压实功能，得出一般不少于25～30组最大干表观密度的平均值以（t／m³）作为依据，从而可确定设计干表观密度乃（t／m³）：
　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　（4-5）
　式中m——施工条件系数，一般I、Ⅱ级坝及高坝，采用O．97～0．99，中低坝采用0．95～O．97． 
　　此法对大多数粘土料可能是合理的、适用的。但是，仔细分析一下各种土料的最大干表观密度与压实功能的关系便可发现，所谓标准压实功能87．95（t·m）／m³只是个经验数值，如图4—3所示。A线在击实次数小于15时，最大干表观密度随击数增长较快，以”后增长较慢。而B线最大干表观密度则几乎与击数成直线变化。对于以线，若仅从最大干表观密度与击实关系来看，压实功能只要选15～20击即可，而对于B线则难以选定。所以如何选定标准压实功能，是用击实试验方法确定压实标准的关键，为此，建议按下列原则进行。 

　1）用塑限（下同）作为最优含水量，从压实功能与最大干表观密度、最优含水量关系曲线上初步查得相应的压实功能，如图4-4所示。 
　2）应满足沉降变形的要求，即应使选定的干表观密度满足压缩系数n：0．0098～0．0196cm³／kg左右。控制压缩系数，对于高坝、两岸接坡以及与混凝土的连接部位尤为重要。例如岳城水库坝下埋管式泄洪洞两侧，由于填土干表观密度较坝体的1．68t／m³提高到1t 73t／m³，使口一0．0206cm³／kg，运行20多年来没有产生裂缝。 
　3）天然含水量情况。当天然含水量与塑限接近且易于施工时，应选择天然含水量作为最优含水量来确定压实功能。这样可减少对含水量的处理，简化施工。 
此外，击实的最大干表观密度与粘粒含量有一定的关系。当粘粒含量为20％左右时，干表观密度最高，随着粘粒含量的增加，最大干表观密度明显减小。当确定填土的设计干表观密度时，也应考虑粘粒含量的影响。 
2.用最优饱和度与塑限的关系，计算最大干表观密度 
　　由于塑限综合反映了土的物理化学性质、颗粒组成以及亲水性质，用式（4-6）计算的最大干表观密度（t／m³） 比较符合实际情况，但塑限必须试验准确。 
　　　　　　　　　　 =　　　　　　　　　　（4-6） 
式中 ——土的密度，t／m ³。 
　　 ——土料的塑限，以小数计； 
　　 ——土料的最优饱和度（即最优含水量条件下的饱和度），以小数计。 
3．施工含水量确定 

　　从标准击实曲线上得到的最优含水量（下同）是一个值，而实际的天然含水量总是在某一范围内变动。为适应施工的要求，必须围绕最优含水量规定一个范围，即含水量的上下限。当确定后，在相应的击实曲线上，以作一水平线与之相交的两点间，就是含水量的控制范围，其大小与击实曲线型式有关，如图4—5所示。A型曲线较平缓，B型曲线较陡，因此满足n的含水量范围两者是不相同的，前者比后者大得多。 
　　当含水量低于“w。0．05”时，填筑土体容易发生裂缝；
　　含水量从小于“（或 ）—（0.02～O.03）”增加到接近时，土的柔性大大增加。 
　　此外，施工含水量的范围还要考虑到施工碾压的可能性，例如含水量超过“+0．02”左右，羊脚碾碾压困难。 
　　通常对压实标准要求较高的土石坝，施工含水量的上限一般不超过（或）+（0．02～O.03）”；下限一般不低于“（或）-0．02”。 
　　较为理想的是用低于的土料填筑心墙的下部，以降低孔隙压力和压缩性；而用高于的土料填筑其上部及邻近坝肩的区段，以增加塑性和变形能力，从而减少开裂的可能性。 
（二）砂土及砂砾石 
　　砂土及砂砾石是填筑坝体或坝壳的主要坝料之一，对其填筑密度也应有严格要求。它的压实程度与粒径级配和压实功能有密切的关系，一般用相对密度来表示： 
　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　（4-7）
式中——砂石料的最大孔隙比； 
　 ——砂石料的最小孔隙比； 
　　　e——设计孔隙比。 
在施工现场，对相对密度进行控制仍不方便，通常将相对密度换算成相应的干表观密度（t／m），作为控制的依据。 
　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　（4-8）
式中 ——砂石料最大干表观密度，t／m。； 
　　 ——砂石料最小干表观密度，t／m。 
　　设计的相对密度，与地震等级、坝高等有关。一般土石坝，或地震烈度在5度以下的地区，不宜低于0．67；对高坝，或地震烈度为8～9度时，应不小于0．75。对砂性土，还要求颗粒不能太小和过于均匀，级配要适当，并有较高的密实度，防止产生液化。 
　　美国陆军工程兵团规定：砂土和砂砾石填筑的相对密度不应小于0．85，且任意一部位不应低于O．80。 
（三）石渣及堆石体 
　　石渣或堆石体作为坝壳材料，可用空隙率作为压实指标。根据国内外的工程实践经验，碾压式堆石体空隙率应小于30％，控制空隙率在适当范围内，有利于防止过大的沉陷和湿陷裂缝。一般规定其压实空隙率为22％～28％左右（压实平均干表观密度为2．04～2．24t／m）以及相应的碾压参数。例如，对坚硬岩石，采用振动碾重10t，铺料厚度1～2m，振动碾压4～6遍，加水量20％～25％左右，施工中严格管理，经压实空隙率与施工参数，可满足高土石坝的变形与稳定要求。  

　　建议根据小于5mm的细粒含量，来确定相应的设计空隙率，并控制合格率70％～80％，见表4—1。 
　　面板坝堆石体的压实标准也用空隙率表示，由于面板坝对碾压堆石的变形，较土石坝提出了更高的要求，因此提出了更高压实标准和更薄铺料厚度的要求。据国内外若干工程面板坝上游堆石压实标准：主堆石区平均填筑密度大多为2．24～2．35t／m。，相应的空隙率为21％～25％；用砂砾料填筑的面板坝，砂砾料压实的平均空隙率则为15％左右。 
三、压实机械及压实参变数 
　　压实机械对工程进度，工程质量和造价有很大的影响。压实机械的选择原则：应根据筑坝材料的性质、原状土的结构状态、填筑方法、施工强度及作业面积的大小等，选择性能能达到设计旖工质量标准的碾压设备类型。如按不同材料分别配置不同的压实机械，就会出现机械休闲的情况。所以，在确定机械种类和台数时，还应从填筑整体出发，考虑互相配合使用的可能。 
1．羊脚碾 
　　羊脚碾的羊脚插入土中，不仅使羊脚底部的土料受到压实，而且使侧向的土料也受到挤压，从而达到均匀的压实效果，如图4-6所示。 
　　羊脚碾仅适用于压实粘性土料和粘土，不适用压非粘性土。土料压实层在一定深度的范孱内，可以获得较高的压实干表观密度，胆土体的干表观密度沿深度方向的分布不均匀，图4-7为某工程的实测资料。羊脚碾的独特优点是能够翻松表面土层，可省去刨毛工序，保证了上下土层的结合质量。此外，羊脚碾还能起到混合土料的作用，可以使土料级配和含水量比较均匀。羊脚碾的最大接触应力（）近似按下式计算： 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（4-9）
式中Q——羊脚碾重，t；
　　——每个羊脚顶端面积，cm； 
　　　n——插入土中一排羊脚个数； 
、——插入土料中一排羊脚的前、后排羊脚个数。 
　　羊脚顶端接触应力的过大或过小，都会降低碾压效果。当土料含水量接近最优含水量时，羊脚顶端的最佳接触应力，可按表4—2选用。  

2．气胎碾 

　　气胎碾适用于压实粘性土料，也适用于压实非粘性土料，如粘性土、粘土、砾质土和砂砾料等，都可以获得较好的压实效果。 
　　气胎碾的充气轮胎，在压实过程中具有一定的弹性，可以和压实的土料同时发生变形，轮胎与土料的接触应力分布，如图4-8所示。 
　　气胎碾的接触应力，主要取决于轮胎的充气压力，与轮胎的荷载大小无关。气胎碾的最大特点就是能够改变轮胎的充气压力来调节接触应力，以适应压实不同性质土料的要求。增加气胎碾的荷载，可加大轮胎与土料的接触面积，增加压实深度，提高生产效率。目前，国外常使用的气胎碾重量为4050t，有的高达200t。气胎碾比羊脚碾的压实层厚度大，压实密度沿层厚分布也比较均匀，如图4-9所示。 
气胎碾接触应力（MPa）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（4-10） 
式中，P——轮胎内的充气压力，MPa； 
　　 ——轮胎静刚度系数，与轮胎结构、荷载及充气压力有关。无实测资料时，可参考表4-4选用。 
一般压实时，采用的轮胎内充气压力大致如表4—5所示。 
　　为了使压实效果最好，建议气胎碾选用的接触应力为土料极限强度的8090％；气胎碾的轮胎间隙应为（0.3～O4）B，气胎允许的垂直压缩变形不大于（0.13～0.15）B，B为气胎的腹宽。 表4—6为国内外部分土石坝工程使用气胎碾压实资料。 

　　采用气胎碾与羊脚碾联合作业有很多优越性：气胎碾碾毕再用羊脚碾碾压一遍，有利于上下层结合；在粘性土和砂砾料结合带，羊脚碾不好压实，用气胎碾碾压则十分有效；羊脚碾碾压在收工或降雨前，再用气胎碾碾压一遍，有利于防雨。利用多种压实机械联合作业，取长补短，是土石坝施工中的成功经验。 
3．振动碾 
　　振动碾是一种以碾重静压和振动力共同作用的压实机械，较之没有振动的压实机械，土中应力可提高4～5倍，因而它能有效地压实堆石体、砂砾料和砾质土也可用于压实粘性土和粘土。 
振动力的大小，取决于振动频率和振幅。一般认为振动频率为1000～3500次／min时压实效果较好。振动频率和振幅，可以通过调整机构加以调整。 
　　目前，重型振动碾的压实层厚已超过1m，有的高达2m。振动碾碾压堆石体时，应配合压力水冲射或大量洒水，以润滑石料表面使之易于压实，同时可使石屑和小石料流入堆石的空隙，可提高堆石体的密度，是一种经济易行的有效措施，已被普遍采用。振动碾的不足之处是对碾压表层的作用力很大，易使堆石的表层压碎，影响填筑质量。 

振动碾的压实参变数，可参考表4—7选择。 
　　石头河土石坝，采用14t振动碾，碾压坝壳砂砾料，最大粒径80cm，铺料厚度1．5m，碾压6～8遍，压实干表观密度大于2．17t／m。。
　　振动碾对石质材料的压实，基本上不受块度级配、细粒含量的限制，这对放宽土石坝坝壳材料、就地取材、充分利用开挖弃渣等，有重要的经济意义。振动碾的压实厚度大，生产率高，可与大容量、高效率的挖掘、运输机械配套，加快工程进度，降低工程造价，使高土石坝成为比较经济的坝型。 
4．夯实机械 
　　夯板适用于压实砂砾料、砾质土和粘性土，也可用于压实粘土。土料在夯板冲击荷载作用下，显示出一定的弹性变形，且有明显的滞后现象。当夯板冲击土体而达到最大应力后，在某一时间“内应力才能衰减至夯板的静压力，如图4—10所示。 
夯板夯击土体时的最大接触应力（MPa）： 
　　 　　　　　　（4-11） 
式中 Q——夯板重量，t； 
g——重力加速度，m／s； 
H——落高，m； 
F——夯板底面积，m。； 
t——夯板冲击土体的接触时间，s，可采用0．01～0．02s。 
　　为使夯击时在土料层表面产生的接触应力不超过土料的极限强度，对夯板的单位面积冲量应有一定的限制；在选择夯板尺寸时，应使夯板最短边的尺寸接近或略大于铺土厚度，以保证土料沿压实层厚的密度分布均匀，提高压实质量。 
　　国内若干大型土石坝（如碧口、岳城、毛家村、丹江口副坝等）施工中都曾应用夯板。夯板的主要优点是压实功能大，生产率高，有利于雨季、冬季不利条件下压实。缺点是压实粘性土料时，表层易产生剪力破坏；当堆石块径大于50cm以上时，工效较低；夯板需用昂贵的挖掘机械改装成起吊设备a
　　相比之下，近代发展的振动碾优于夯板，在国外夯板已被振动碾取代。近年来，国内一些机械化程度较高的土石坝施工中，也逐渐用振动碾代替打夯机。尽管如此，在机械设备缺乏，施工场面狭窄或在某些结合部位，夯板仍有可取之处。 
四、现场压实试验 
　　现场压实试验是土石坝施工中一项重要的技术措施。通过施工现场压实试验，核实坝料设计指标的合理性，选择压实机械及相应的压实参数、采用的工艺措施等，作为指导施工的依据。 

　　土料的压实试验，通常是根据已选定的压实机械，确定压实铺土厚度、压实遍数及相应的最优含水量。压实试验，应选择有代表性料场的土料，如几个料场土料性质差异较大，则应分别进行。 
　　土料和非粘性土料试验的场地布置及步骤大体相同，试验场地应靠近水源、地面密实、地形平坦开阔，有水电附属设施。 
　　试验场地可布置成36m×28m的矩形平面，两边分别为4×3段，除去周边留2m宽的斜坡，每段的长、宽均为8m，如图4-11所示。 
横向4段设4种不同的含水量，土料的天然含水量如接近该土料的塑限，其含水量依次为=-4％、、、，误差不超过±1％；如果土料的天然含水量不在之间，还应加一组天然含水量试验。纵向3段设不同的铺土厚度，依次为、、，且。铺土厚度误差，人工铺土不超过2cm，机械铺土不超过5cm。每种铺料厚度和不同含水量中，又等分分成4小块，每小块的碾压遍数依次为、、、。 
　　试验按规定的碾压方向和碾压遍数进行，碾压后，将各段各块中的碾压遍数～，按相同的序号分为4组，每组各取样9个，分别测定其干表观密度和含水量。可作出不同铺料厚度情况下的压实遍数与干表观密度、含水量的关系曲线，如图4-12所示。 

根据上述关系，再作铺土厚度、压实遍数与最大干表观密度、最优含水量关系曲线，如图4-13所示。
　　 从图4-13的曲线中，根据设计干表现密度，可分别查出不同铺土厚度所需的碾压变数a、b、c及相应的最优含水量的d、e、f。然后以单位压实遍数的压实厚度进行比较，即比较、、，其中单位压实遍数的压实厚度最大者为最经济合理。 
　　选定经济压实厚度和压实遍数后，应首先核对是否满足压实标准的含水量要求，将选定的含水量控制范围与天然含水量比较，看是否便于施工控制。如果施工控制很难，可适当改变含水量或其它参数。此外，在施工过程中，如果压实干表现密度的合格率不满足设计标准要求，也可适当调整碾压遍数。有时对同一种土料采用两种机械进行组合压实时，可能获得最好的效果。 
　　非粘性土料很水里的影响不如粘性土显著，实验中可充分洒水，只作铺土、相对密度（或干表现密度）与压实遍数的关系曲线，如图4-14所示。 
　　根据设计要求的相对密度D，，求出不同铺土厚度的压实遍数a、b、c，然后比较、、，其最大值即为经济的铺土厚度和压实遍数。最后再结合施工情况，综合分析选定铺土厚度和压实遍数。