第21卷 第2期 2004年6月
长安大学学报(建筑与环境科学版)
Jour nal of Chang'an University(Arch.&Envir.Science Edition)
Vo l.21 No.2
中国兽药监察所
Jun.2004
文章编号:1001-7569(2004)02-0007-04
张志权1，王志勇2
(1.长安大学建筑工程学院，陕西西安 710061;2.中交第一公路勘察设计研究院，陕西西安 710068)
摘 要：对土的压实原理做了简单论述，同时还提出了提高击实试验结果准确性时应注意的几个问题。介绍了击实规范中规定的击实标准及在实际工作中击实方法的选择；对试验时采用不同土样制备方法求得的最大干密度和最优含水率进行了比较和较透彻的理论分析；对击实功对最大干密度的影响做了一定 的试验研究。同时，关于余土高度对最大干密度的影响，提出余土高度控制在3mm以内得到的结果比较理想，而且为了减少人为因素导致最大干密度和最优含水率产生的偏差，提出借助Ex cel或插值函数计算法来处理室内标准击实试验数据。
关键词：击实试验；最大干密度；最优含水率；准确性
中图分类号:TU411.99 文献标识码:A
Discussion on precision of biggest dry density and optimum water content
ZH A N G Zhi-quan1,WA N G Zhi-y ong2
(1.Scho ol o f Civil Engineer ing,Chang'an U niv ersit y,X i'an710061,China;
2.Institute o f the First Hig hwa y Surv ey and Design o f China,Xi'an710068,China)
Abstract:In this paper the principle of compaction test w as simply discussed.Besides,several pr oblem s on pr ecision in the indoor s co mpactio n test w ere putted up and discussed.The com paction standards and the selection of com paction standards in actual w or k w er e simply intro duced;the big gest dry density and optimum w ater content for different method o f prepared soils we
re co mpar ed and analy zed;based on the test,the influence for the big gest dry density w as studied.
M eanw hile,about the height of mo re soil,this paper presents that the result w ould be pr oper if the heig ht can be under3mm to decrease the manual err or for the big gest dry density and optimum w ater content,finally w e should deal w ith the result thro ug h Microso ft Ex cel or interpo lation function.
Key words:com paction test;the biggest dry density;optimum w ater;precision
0 引 言
土的人工压实是一种最古老而又最经济的方法，其目的是为了改善土的工程性质，以提高其抗剪强度，降低其压缩性及渗透性，满足工程的要求。土的压实程度与含水率、压实功能和压实方法有着密切的关系。当压实功能和压实方法不变时，则土的干密度随着含水率的增加而增加，当干密度达到某一最大值后，含水率的继续增加反而使干密度减小，此最大值称为最大干密度，其相应的含水率称为最优含水率，这是因为细粒土在低含水率时，颗粒表面水膜薄、摩阻力大、不易压实。当含水率逐渐增大时，颗粒表面水膜逐渐变厚，其水膜的润滑作用也增大，因而颗粒表面摩阻力相应地减小，在外力作用下，就容易压实。但当含水率超过某一含水率后，土颗粒中孔隙内的自由水逐渐增多，击实功
能被自由水吸收也越多，同时孔隙体积也变大。土粒相对地减少，故干密度就相应降低。击实试验就是根据压实理论、模拟工地压实条件确定土的最大干密度及最优含水率的一种试验方法。填土路基的施工过程中，现场的压实情况如何，通常采用压实度K对其质量进行评价。现行规定的压实标准K为
K=Q d/Q d max×100 (K>K0) (1)式中:Q d为现场路基填土压实实测干密度,g/cm3; Q d max为由室内标准击实试验确定的最大干密度, g/cm3;K为压实度;K0为规范对路基填土所要求的最小压实度。从式(1)可以看出，最大干密度是评价填土压实标准中的一个重要的指标，它的大小直接决定着现场填土的压实质量是否符合施工技术规范的要求[1]。因此，准确确定土的最大干密度、最优
收稿日期:2003-12-25
作者简介：张志权(1973-)，男，陕西岐山人，长安大学讲师，从事岩土方面研究.
含水率是很重要的。而准确确定土的最大干密度需要选择合理的击实标准、恰当的土样制备方法、严格控制余土高度、采用Ex cel 辅助或数学方法处理数据，以便减少误差。
1 击实标准的选择
土的最大干密度和最优含水率随击实功能和击实条件而变化，因此各国都对击实试验规定某一击实功能作为试验的标准。我国《公路土工试验规程》T 0131-93击实试验规定有轻、重两种击实标准，见表东芝as100
1，轻型击实试验的单位体积击实功为598.2kJ/m 3
，重型击实试验的单位体积击实功为2687.0kJ /m 3或2677.2kJ/m 3。当试样中粒径大于5mm ，土的质量大于试样总质量的30%，且试样最大粒径不大于25m m 时，采用轻重型Ⅰ法或重型Ⅰ法；当试样中粒径大于5m m ，土的质量大于试样总质量的30%，且试样最大粒径不大于38m m 时，采用轻重型Ⅱ法或重型Ⅱ法[2]
。轻型击实试验适用于水库、堤防、铁路路基填土，以及普通的住宅楼素土、灰土垫层；而重型击实试验适用于高等级公路填土、机场跑道、强夯地基等夯击能量较大的填土工程。
表1 击实试验方法种类
Tab .1 Kinds of compaction test
试验方法锤底直径/cm 锤重/kg 落距/cm 筒高/cm 筒直径/mm 筒体积/cm 3击实层数每层击数击实功/(kJ ・m -3)轻型击实Ⅰ5 2.53012.710.0 997327598.2轻型击实Ⅱ5 2.53012.015.22177359
598.2
重型击实Ⅰ5 4.54512.710.0 9975272687.0重型击实Ⅱ
5
4.54512.01
5.22177
3
982677.2
2 土样制备方法的选择
土样制备的方法不同，击实结果也不同。对粉质粉土、粉土、粘土3组土样分别用天然土样(湿法)、
风干土样及烘干土样做击实试验，结果见表2。表2表明，最大干密度以烘干土样最大，风干土样次之，天然土样最小，最优含水率以烘干土样最小，这种现象以粘土最明显，粉质粘土不明显，粘粒含量越大，烘干土对最大干密度影响也最大。因为在烘干法制料过程中，土料事先烘干，使其散失基本的含水量，这样可以使土体颗粒间封闭气泡随着水分散失而逐步消失，虽然制作击实土料时添加了水分，但短时间
所形成的封闭气泡毕竟有限，击实功能主要由土体
表2 不同制样方法的影响
Tab .2 Affect f or different method of prepared soils
土 样
烘干风干天然粉土最大干密度/(g ・cm -3)
1.76 1.75 1.74最优含水率/%14.915.315.5粉质粘土最大干密度/(g ・cm -3)
1.73 1.72 1.72最优含水率/%18.018.519.0粘土
最大干密度/(g ・cm -3)
1.58 1.56 1.54最优含水率/%
22.8
23.6
24.8
颗粒承担，从而使土体发生永久性体积变化，得到较高的干密度。同样，烘干法制料进行的粉碎过筛
处理，在击实过程中使土体能够得到足够的细颗粒，去充填较粗颗粒和颗粒间挤压形成的孔隙，获得较高的密实度。而湿法制料或风干法制料过程中，土料具有天然含水量，虽然试验前有适当的曝晒或风干处理过程，但所有土样还是保留了一定的含水量(含水量一般不低于5%～10%，使土样保持一定的可塑性，以便开展击实试验)，故土体内部封闭气泡绝大部分得以保存，这样很大一部分击实功是由孔隙气承担，转化为孔隙压力，击实时气泡体积减小只是短暂的，土体颗粒实际所受击实功并不大，仅能使颗粒更高程度的定向排列，土体击实后回弹量较大，很难发生显著的永久性体积变形，得到的干密度显然比烘干法击实试验小。另一方面，湿法制料风干法制料过程中，不容易进行粉碎过筛处理，土体颗粒相对较大，击实时没有足够的细颗粒去充填较大颗粒形成的孔隙，很难获得较高的密实度，故一般不宜用烘干法备样，应尽量采取风干土样或天然土样。
3 击实功的影响
对同样的土采用轻型Ⅰ法试验，但将每层锤击数做一定的变化，并进行对比试验，其结果如图1所示。
图1 每层击数与最大干密度关系
Fig .1 Relation of the biggest dry dens ity and number
of every level comp action
试验结果表明，随着锤击数的增加，同一种土最
8 长安大学学报(建筑与环境科学版) 2004年
优含水率减少，最大密度增加，也有试验证明在同样的夯击能量下锤击数改变，最大干密度和最优含水率也在改变[3]。因此，再试验过程中不能漏击，也不能多击，这样才能准确确定土的最大干密度和最佳含水量。同时，在实际施工中，对于填土工程应根据试验室提供的试验数据，在现场做碾压试验，这样才能确定最经济的碾压参数(如碾压机具、铺土厚度、碾压遍数及行车速度)，同时又能满足设计施工要求。
4 余土高度的影响
试样击实后，一般会总有部分土超过筒顶高，这部分土称为余土高度，试验中由于余土高度不一(有时筒未击满，余土高度为负)，试验数据分散，而且随着余土高度增大，干密度偏小；余土高度减小，干密度偏大，标准的击实曲线是指余土高度为零时的单位体积功能下的干密度和含水率的关系曲线。余土高度应严格控制。在余土高度不同时所做的对比试验结果如图2所示。由图2可以看出，余土高度超过3mm ，干密度变化较大。因此，在试验过程中，余土高度应在-3～3mm
之间。
图2 余土高度与最大干密度关系
Fig .2 Relation of th e biggest dry density
and heigh t of m or e soil
5 试验数据的处理
根据《公路土工试验规程》T 0131-93击实试验的规定，以干密度为纵坐标，含水量为横坐标，绘制
干密度及含水率的关系曲线，曲线上的峰值点坐标分别为最大干密度和最优含水率(图2)。如果曲线不能绘制出明显的峰值点，应进行补点或重做。但在试验过程中存在两个问题：同一组试验数据，可以绘制出明显的峰值点，或绘制不出明显的峰值点，这样将导致不同的人在处理数据时对是否需要重做或补点有不同的判断。同时，同一组试验数据，不同的人
会绘制出不同的曲线，导致最大干密度和最优含水
率产生偏差，而这些误差正是在处理数据时应当设法避免的。笔者认为借助Excel [4]或采用冯忠居等提出的插值函数计算法(三点二次插值法)[1]来处理室内标准击实试验数据比较合理，结果相对准确。
表3是实际工程中某路基填土的一组室内标准击实试验结果，其最大干密度在含水量X =10.0%附近，下面以此为例分别借助Ex cel 或采用冯忠居等提出的插值函数计算法来处理室内标准击实试验数据[1]
。
表3 击实试验结果
T ab .3 Result of compaction test X /%
17.215.212.210.08.87.4Q
/(g ・cm -3) 2.06 2.10 2.16 2.13 2.03 1.89Q d /(g ・cm
-3) 1.76
1.82
1.93
1.94
1.87
1.76
注:Q 为土的湿密度,Q d =Q /(1+X )。
首先，借助Excel 对击实试验所得的6个点进行多次拟合，得到含水量X 与干密度Q 之间的五次多项式(2)
Q (X )=A 0+A 1X 1
+A 2X 2
+A 3X 3
+A 4X 4
+A 5X
5
(2)
第三届世界佛教论坛图3 Ex cel 与手绘图结果对比
Fig .3 Com paris on of res ult by m anual and E xcel
函数Q (X )连续且单峰值(图3)。Ex cel 拟合曲线峰值对应的横坐标为10.8%，即最优含水率，峰值所对应的纵坐标为1.96g /cm 3，即最大干密度。其次，由式(3)即冯忠居等提出的插值函数计算法，取曲线最高点及相邻两点并代入式(3)
女强人电影L 2(X )=(X -X 1)(X -X 2)
(X 0-X 1)(X 0-X 2)Q d 0+ (X -X 0)(X -X 2)(X 1-X 0)(X 1-X 2)Q d 1+(X -X 0)(X -X 1)
(X 2-X 0)(X 2-X 0)Q d
2
(3)
式中:X 0,X 1,X 2分别为12.2%、10.0%、8.8%，其对应的Q d 0、Q d 1、Q d 2分别为1.93g/cm 3
、1.94g/cm 3
、1.87g /cm 3
，则代入式(3)可得式(4)
9第2期 张志权，等：最大干密度和最优含水率的准确性探讨
L2(X)=
密特朗(X-10.0)(X-8.8)
(12.2-10.0)(12.2-8.8)
×1.93+
(X-12.2)(X-8.8)
(10.0-12.2)(10.0-8.8)×1.94+
(X-12.2)(X-10.0)
(8.8-12.2)(8.8-10.0)
×1.87
(4)
对式(4)求导，求解最大干密度和最优含水率，其导数为
L′2(X)=(2X-18.8)
2.2×
3.4
×1.93+帝国主义侵华
2X-21.0
(- 2.2)×1.2
×1.94+
2X-22.2
- 3.4×(- 1.2)
×1.87(5)
令L′2(X)=0，求解得X=11%，该值即为最优含水率X op=X=11%。
将X=11%代入式(3)，可求得L2(X)的最大值，即 L2(X)=1.96g/cm3
所以Q d max=L2(X)=1.96g/cm3,X op=11%。
分析表明，上述计算结果和采用Ex cel多次拟合得到含水率X与干密度Q之间的函数Q(X)峰值对应的横坐标为10.8%，即最优含水率，峰值所对应的纵坐标为1.96g/cm3，即与最大干密度基本一致。6 结 语
准确确定土的最大干密度和最优含水率在实际工程中特别是研究工作中是非常重要的。本文提出首先要选择合理的击实标准、恰当的土样制备方法，其次是要严格控制余土高度，建议余土高度控制在3m m以内，最后，建议采用Ex cel辅助绘制拟合曲线或数学方法处理数据，确定土的最大干密度和最优含水率以便减少误差。与公路《土工试验规程》JTJ051-93对密度精度的要求相比，其精度是相当高的，而且在室内试验的具体实践中简单可行，其工程应用也是可行的。
参考文献:
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计算[J].长安大学学报(自然科学版),2002,(2):10-13.
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[3]张莉萍.击实实验若干问题的探讨[J].山西建筑,2002,(5):24
-25.
[4]吴彩虹.击实试验拟合绘图及其极值的求取[J].安徽建筑,
2003,(5):58.
[责任编辑 任晶钰]
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工，且未出现塌孔和胀缩现象。同时经基坑开挖，并对预制桩各项指标检测，其桩与承台边缘的净距：
最外边桩实际偏差为30m m(允许偏差250mm)；中间桩实际偏差为50m m(允许偏差500mm)。实际偏差均满足规范要求。
应用本技术，不但加快了预制桩施工速度，缩短了工期，而且减少了环境污染，保证了施工质量，工效显著。同时为今后高原冻土地区基础预制桩施工提供了一条可行之路。
参考文献:
[1]交通部第一公路工程总公司.桥涵[M]，北京：人民交通出版社,
2002.
[2]中国铁路工程总公司.青藏铁路高原多年冻土区桥涵工程施工
技术细则[M].兰州：铁道部第一勘测设计院,2002.
[责任编辑 李 艳]
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