击实试验过程中最大干密度和最优含水率影响因素分析
摘要 在工程建设中，为了提高填土的强度，增加土的密实度，降低其透水性和压缩性，常将填土夯实。夯实土样是最简单易行的土质改良方法，土样经夯实后，土体变得密实又坚硬，对工程很有利，所以工程上利用干密度作为夯实的质量检验指标。室内击实试验就是模拟工程现场的夯实原理，利用标准化的击实仪和操作规程，对土料施加一定的冲击荷载使之压实,从而确定所需的最大定干密度和最优含水率，作为选择填土密度、夯实次数等主要依据。在击实试验的过程中，影响土的最优含水率和最大干密度因素较多，通过对这些影响因素的分析，提高土的击实效果，达到击实试验的目的。
关键词 击实试验 压实 最大干密度 最优含水率
在工程建设中，经常遇到填土压实的问题，例如修筑道路、堤坝、飞机厂、运动场、挡土墙、埋设管道、建筑物地基的回填等。为了提高填土的强度，增加土的密实度，降低其透水性和压缩性，通常用分层压实的办法来处理地基，通过对土的最优含水率和最大干密度的研究来提高土的击实效果。土的最优含水率和最大干密度可用室内击实试验来测得，室内击实试验采用击实仪法，是用锤击实土，使土密度增大，测定土样在一定压实功能作用下达到最大密度时的含水率(最优含水率)和此时的干密度(最大干密度)，借以了解土的压实特性，作为选择填土密度、施工方法、机械碾压或夯实次数以及压实工具等的主要依据。试验时将符合有关标准规范要求的同一种土，配制成若干份不同含水率的试样，用同样的压实能量分别对每一份试样进行击实后，测定各试样击实后的含水率w和干密度ρd ，从而绘制含水率与干密度关系曲线，此关系曲线称为压实曲线，如图1所示。在压实曲线上的干密度的峰值，称为最大干密度ρdmax；与之相对应的含水率，称为最优含水率Wo，它表示在击实功能一定的情况下，达到最大干密度时的含水率。
目前国内常用的室内击实试验方法有轻型击实试验和重型击实试验两种。轻型击实试验方法主要适用于水库、堤防、铁路路基填土；重型击实试验方法主要适用于高等级公路填土和机场跑道等。试验规程有两种，一是中华人民共和国国家标准GB/T50123-1999《土工试验方法标准》［1］，二是中华人民共和国行业标准JTJ051-93《公路土工试验规程》［2］。两种规程对击实试验的目的、适用范围、仪器设备以及试验条件分别有不同的规定，下面以JTJ051-93《公路土工试验规程》为试验方法标准，说明在击实试验过程中影响土的最优含水率和最大干密度的一些主要因素。
1 试验部分
1.1 仪器和试验条件
JTJ051-93《公路土工试验规程》中的击实试验所用仪器主要部件和试验条件应符合表1的规定。
表1 仪器主要部件和试验条件
试验方法 类别 锤底 直径 (m) 锤质 量
(kg) 落高(m) 试筒尺寸 层数 每层击数 击实功(kJ/m3) 最大
粒径
（m）
内径(m) 高
(m) 容积(m3)
轻型Ⅰ法 Ⅰ.1
Ⅰ.2 0.05
0.05 2.5
2.5 0.30
0.30 0.10
0.15 0.127
0.12 0.997
2.177 3
3 27
59 598.2
598.2 0.25
0.38
重型Ⅱ法 Ⅱ.1
Ⅱ.2 0.05
0.05 4.5
4.5 0.45
0.45 0.10
0.15 0.127
0.12 0.997
2.177 5
3 27
98 2 687.0
2 677.2 0.25
0.38
1.2 试样制备
(1)干土法(土重复使用) 将具有代表性的风干或在50℃温度下烘干的土样碾散，对于小试筒,按四分法取筛下的土约3 kg，对于大试筒, 同样按四分法取筛下的土约6.5 kg 。估计土样风干或天然含水率,如风干含水率低于开始含水率太多时,可将土样铺于一不吸水的盘上，用喷水设备均匀地喷洒适当用量的水,并充分拌和,闷料一夜备用。
(2)干土法(土不重复使用) 由于击实曲线一定要出现峰值点,由经验可知,最大干干密度的峰值往往都在塑限含水率附近,根据土的击实原理, 峰值点就是孔隙比最小的点,所以至少要准备5个试样, 分别加入不同水分,其中2个含水率高于塑限（按2%～3%含水率递增）, 2个含水率低于塑限（按2%～3%含水率递减）, 搅拌匀后闷料一夜备用。
(3)湿土法(土不重复使用) 湿土法主要适用于高含水率土,配制试样时可省略过筛步骤,用手拣除大于25 mm或38 mm的粗石子既可。保持天然含水率的第一个土样，可既用于击实实验。其余的试样分成小土块分别风干，含水率按2%～3%递减。
1.3 操作步骤
(1) 分层击实 将击实筒固定在刚性底板上，装好护筒，在击实筒内壁涂薄层凡士林油，取制备好的试样2～6 kg，分层倒入筒内，整平表面，分层进行击实。击实时，落锤应铅直自由落下，锤迹必须均匀分布于土面上，击实后试样略高于筒顶(不得大于6 mm)。
(2) 称击实筒加土的质量 用修土刀沿套环内壁削挖后，扭动，取下套环，齐筒顶削平土样，拆除底板，擦净筒外壁，称量，准确至1 g。
(3) 测含水率 用推土器推出筒内试样，在土样中心处取两个各约150～300 g的土样，平行测其含水率，平行误差应小于1％。
按上述1、2、3步骤，依次将不同含水率的几个试样进行分层击实和测定工作。
1.4 数据整理
(1)计算密度 按下式分别计算击实后土的湿密度和干密度ρd，计算至0.01×103 kg／m3。
ρ＝m／V
ρd＝ρ／（1＋w）
式中：m 击实后湿土质量，kg；V 击实筒容积， m3；W 含水率，小数计。
(2) 绘制曲线 以干密度ρd为纵坐标，以w为横坐标，绘制压实曲线。曲线上峰值点所对应的数值即分别为该土的最大干密度和最优含水率，如图1所示。如曲线不能给出峰值点，应进行补点试验。
2 最大干密度和最优含水率影响因素与结果分析
2.1 击实功能的影响
我们知道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，土颗粒重新排列，使土中的孔隙减小，密实度增大。压实功能是指每单位体积所消耗的能量，压实功能愈大，得到的最优含水率愈小，相应的最大干密度愈高，可见压实功能是影响击实效果的一个重要因素，通过压实功能影响击实效果的主要表现有：
（1）土样的重复使用与否的影响 土样的重复使用与否在原理上是有差异的，重复使用土样时，击实功能对土的影响较大，不重复使用土样时，土所受功能影响较小，两者的最优含水率和最大干密度略有不同［1］。表2、表3是对同一种土,分别采用土样不重复使用和土样重复使用的干土法所做的击实试验结果对比。
表2 土样不重复使用时的击实试验结果
最大干密度ρdmax=2.01×103 kg／m3 最优含水率wop=8.1
含水率（10-2） 5.7 8.1 10.0 12.9 15.6
干密度（kg/m3） 1.98×103 2.02×103 2.00×103 1.95×103 1.86×103
表3 土样重复使用时的击实试验结果
最大干密度ρdmax=2.00×103 kg／m3 最优含水率wop=9.9
含水率（10-2） 5.6 8.5 10.1 12.5 15.8
干密度（kg/m3） 1.94×103 1.99×103 2.00×103 1.96×103 1.85×103
从表2和表3可看出，两者的最大干密度基本相近，但最优含水率却有所不同，土重复使用时的最优含水率要比土不重复使用的要大。产生最优含水率的变化的主要原因是土体在反复受击实功能的影响下,即土体在击实锤的反复夯打下，土体的颗粒结构及胶结状况发生了变化，使土体的粒径变细，而造成土粒的比表面积增大。土粒的比表面积的变化，使土体的性质具有一定的粘性土的特征，所以其最优含水率相应发生了变化。
（2）余土高度的影响 试样击实后总会有部分土超过筒顶高,这部分土柱称为余土高度。标准击实试验所得的击实曲线是指余土高度为零时的单位体积击实功能下土的干密度和含水率的关系曲线。也就是说，此关系曲线是以击实筒容积为体积的等单位功能曲线，但由于在实际的操作中总会存在或多或少的余土高度，如果余土高度过大，则压实曲线上的干密度就不再是一定功能下的干密度，试验结果的误差会增大［2］。表4分别是对同一土样按同一含水率，在击实后余土高度控制在3～6 mm与7～11 mm时的干密度的结果对比。从表4可知,余土高度控制在7～11 mm时的干密度要比余土高度在3～6 mm低20～40kg/m3。这是因为随着余土高度的增加, 试样的单位体积相对增大,则试样所受的单位体积击实功能相应减小。
表4 不同余土高度时干密度试验结果
试 样 1# 2# 3# 4# 5#
大约余土高度(m) 0.003 0.003 0.004 0.005 0.006
干密度(kg/m3) 1.86×103 1.87×103 1.85×103 1.84×103 1.84×103
试 样 6# 7# 8# 9# 10#
大约余土高度(m) 0.007 0.008 0.009 0.009 0.011
干密度(kg/m3) 1.83×103 1.83×103 1.82×103 1.81×103 1.80×103
（3）每层试样高度对结果的影响 按照执行规范，击实试验时,试样是分3层装入试筒的, 每层试样高度宜相等,两层交界处的土面应刨毛．每层试样高度约为筒高的三分之一。表5是对同一种土进行击实试验时，每层试样高度基本一致（约为筒高的三分之一）与不一致的干密度比对结果。从表5中可看出, 1#和2#样的每层试样高度基本一致（约为筒高的三分
表5 每层试样高度不同时干密度试验结果
试样 第1层 第2层 第3层 干密度(kg/m3)
1# 4.0 3.9 4.1 1.85 ×103
2# 3.8 3.9 4.1 1.86 ×103
3# 2.2 5.8 4.0 1.83 ×103
4# 4.2 2.5 5.3 1.84 ×103
5# 5.4 4.0 2.6 1.83 ×103
之一）,其干密度约为1.85×103 kg/m3,3#、4#、5#样的每层高度都不一致，其干密度比1#和2#样要低10 kg/m3～30 kg/m3。我们知道,如果装入试筒的试样的每层高度均等时，土体的这时所受的击实功能是最大的，则其干密度也是最大的。当有一层高度大于筒高的三分之一时，由于体积相对增大，则其所击实功能相对减小，土体的密实度相对变小；当这一层土体高度小于筒高的三分之一时，土体浪费掉了一部分能量（击实功能），土体总体承受的击实功能减弱，使土体的压实不能达到最大。
2.2 试样中大颗粒（碎石）均匀性的影响
送检的试样中常夹有较大的不易破碎的颗粒，如碎石等，对最优含水率和最大干密度结果的准确性有一定的影响。在实际的试验中，先将较大颗粒（碎石）筛出，然后将筛出的大颗粒（碎石）均匀地掺入每份所要配制的试样中，不要出现彼多此少的情况，否则试样的干密度会出现异常，表6是对同一种土按同一含水率,分别掺入不同含量大颗粒（碎石）所做的击实试验结果对比。
表6 大颗粒（碎石）掺入量不同时干密度试验结果
试 样 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8#
大颗粒(碎石)掺入量（10-2） 2 2 2 3 3 4 5 6
干密度(kg/m3) ×103 1.82 1.83 1.83 1.85 1.84 1.86 1.88 1.89
从表6可看到试样中的大颗粒（碎石）掺入量均匀时，试样的干密度基本保持一致，而大颗粒（碎石）掺入量不均匀时，试样的干密度呈现一定的离散性，由图1可知，压实曲线是由不同的干密度和对应的含水率绘制而成，干密度如果不正确的话，这对绘制的压实曲线产生较大的影响，从而影响最大干密度和最优含水率的结果准确性。
2.3 含水率对最大干密度的影响
土中的含水率是影响击实效果的一个重要因素。由图.1的击实曲线可知，峰值干密度对应的含水率称为最优含水率,能得到最大干密度ρdmax,，对于同一种土干密度越大，其孔隙比就愈小，所以ρdmax,相应于实验所达到的最小孔隙比，在某一含水率下，将土压至最密，理论上就是将土所有的气体都从土中排出，使土达到饱和，得到理论上的最大压实曲线，即Sr=100%的压实曲线，称为饱和曲线［3］。土中含水率太大或太小都不能达到最大干密度。含水率太小，土中基本上只有强结合水，强结合膜太薄，因为粒间有摩阻力及引力，土颗粒间不易移动，不易密实。含水率太大，土中的自由水要占据一定的空间，土也不易密实。当土中的含水率为最优含水率时，土中具有一定的弱结合水膜，土粒间的弱结合水膜起到一定的润滑作用，使土颗粒易移动，并填充孔隙或挤密，从而能够达到最大密实度。
2.6 土的性质对最大干密度的影响
在一定的击实功作用下，土的最优含水率和最大密实度与土的性质有关。在土的性质中，土的粒径的不同对土的压实性会有不同的影响。我们知道土都是由大小不同的土粒组成的，即不同的土有着不同的粒径级配，随着颗粒大小及粒径级配的不同,土的性质相应地发生变化.例如粗颗粒的砾石,具有很大的透水性,完全没有粘性和可塑性；而细颗粒的粘土则透水性很小，粘性和可塑性较大等。随着土粒越细、土的液限就越高、塑性变得越大，在一定的功能下，土体就越不容易被击实。对于颗粒级配良好的土较粗颗粒间被较细颗粒所填充，因而有较好的压实性能，而颗粒级配不好的土在同样的压实条件下，压实性能往往较差。表7列出了几种不同的土的最优含水率和最大干密度。
表7 几种不同的土的最优含水率和最大干密度
土基本分类 砂 土 亚砂土 粉 土 亚 粉 粘 土
最佳含水率Wo（10-2） 8～12 9～15 16～22 12～20 19～25及以上
最大干密度(kg/m3) ×103 1.85～1.93 1.80～1.86 1.68～1.82 1.63～1.711.58～1.65
从表7可知，含细粒愈多的土，其最大干密度值愈小，而最优含水率愈大。最大密实度与最优含水量之间存在显著的线性负相关关系，最优含水率大的土最大密实度小；反之，最优含水率小的土最大密实度却大。
3 结语
室内击实试验方法的步骤较简单，通过以上几点主要影响因素的分析，我们知道在试验过程中，对土的最优含水率和最大干密度的影响因素却很多，如压实能量（击实功）、土的含水率及土的粒径级配等因素，其中最主要的是受压实能量（击实功）的影响，在压实能量（击实功）不变的情况下，土的最大干密度主要是随土体的单位体积变化而发生变化。此外土的粒径级配也是一个主要的影响因素，这和压实能量的传递及土粒间的移动效果有关。在实际的工作中，试验人员一定要严格执行规范的要求，控制好试验条件，降低各种因素的影响，提高土的击实效果。
4 参考文献
1 交通部公路科学研究所.JTJ051-93公路土工试验规程.北京：人民交通出版社，1993
2 中华人民共和国水利部.GB/T50123-1999土工试验方法标准. 北京：中国计划出版社，1999
3 赵树德, 土力学.北京:高等教育出版社,2
