任务1.3 土的击实性质测试
1.3.1 土的击实性及击实试验
土的击实性就是指土体在一定的击实功能作用下，土颗粒克服粒间阻力，产生位移，颗粒重新排列，使土的孔隙比减小、密实度增大，提高强度，减小压实性和渗透性，但在击实过程中，即使采用相同的击实功能，对于不同种类、不同含水率的土，击实效果也不完全相同。因此为了技术上可靠和经济上的合理，必须对填土的击实性进行研究。
研究土的击实性的方法有两种：一种是在室内用标准击实仪进行击实试验；另一种是在现场用碾压机具进行碾压试验，施工时以施工参数（包括碾压设备的型号、振动频率及重量、铺土厚度、加水量、碾压遍数等项）及干密度同时控制。
室内击实试验标准击实仪如图1.7所示，该击实仪主要由击实筒、击实锤和导筒组成。
图1.7 击实仪示意图
图1.8 击实曲线
击实试验时，先将待测的土料按不同的预定含水率（不少于5个），制备成不同的试样。取制备好的某一试样，分三层装入击实筒，在相同击实功（即锤重、锤落高度和锤击数三者的乘积）下击实试样，称筒和土合重，根据已知击实筒的体积测算出试样湿密度，用推土器推出试样，测试样含水率，然后计算出该试样的干密度，不同试样得到不同的干密度ρd和含水率ω。以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，绘制干密度ρd与含水率ω的关系曲线，图1.8即为土的击实曲线，击实试验的目的就是用标准击实方法，测定土的干密度和含水率的关系，从击实曲线上确定土的最大干密度ρdmax和相应的最优含水率ωop，为填土的设计与施工提供重要的依据。
1.3.2 影响土击实性的因素
1.3.2.1 土粒级配
在相同的击实功条件下，级配不同的土，其击实特性是不相同的。颗粒级配良好的土，最大干密度较大，最优含水率较小。可满足强度和稳定性的要求。
土料质量控制是保证填筑质量的重要一环，所以土方填筑前要做颗粒分析试验，并选择符合设计要求的土料。
1.3.2.2 土的含水率
击实曲线上的干密度随着含水率的变化而变化，在含水率较小时，土粒周围的结合水膜较薄，土粒间的结合水的联结力较大，可以抵消部分击实功的作用，土粒不易产生相对移动而挤密，所以土的干密度较小。如果土的含水率过大，使孔隙中出现了自由水并将部分空气封闭，在击实荷载作用下，不可能使土中多余的水分和封闭气体排出，从而孔隙水压力不断升高，抵消了部分击实功，击实效果反而下降，结果是土的干密度减小。当ω在ωop附近时，由于含水率适当，水在土体中起一种润滑作用，土粒间的结合水的联结力和摩阻力较小，土中孔隙水压力和封闭气体的抵消作用也较小，土粒间易于移动而挤密，故土的干密度增大；在相同的击实功下，土粒易排列紧密，可得到较大的干密度。黏性土的最优含水率一般接近黏性土的塑限，可近似取为ωop=ωP+2。
将不同含水率及所对应的土体达到饱和状态时的干密度点绘于图1.7，得到饱和度为Sr=100%的饱和曲线。从图中可见，试验的击实曲线在峰值以右逐渐接近于饱和曲线，并且大体上与饱和曲线平行，永不相交。这是因为在任何含水率下，填土都不会被击实到完全饱和状态，土内总存留一定量的封闭气体，故填土是非饱状态。试验证明，一般黏性土在其最佳击实状态下（击实曲线峰点），其饱和度通常约为80%左右。
1.3.2.3 击实功
在室内击实试验中，当锤重和锤落距一定时，击实功的大小还可用锤击数n的多少来表示。对于同一种土，击实功小，则所能达到的最大干密度也小，反之击实功大，所能达到的最大干密度也大；而最优含水率正好相反，即击实功小，则最优含水率大，而击实功大，则最优含水率小，应该指出，击实效果增大的幅度是随着击实功能的增大而降低的，企图单纯地用增加击实功能的办法来提高土的干密度是不经济的，而应该综合地加以考虑，如图1.9所示。
另外粗粒土一般不做击实试验，砂和砾等粗粒土的击实性也与含水率有关。一般在完全干燥或者充分洒水饱和的状态下，容易击实到较大的干密度。而在潮湿状态，由于毛细压力的作用，增加了土粒间的连接，填土不易击实，干密度显著降低，在击实功能一定时，对其充分洒水使土料接近饱和，击实后得到的密度较大，粗粒土的击实曲线，如图1.10所示。
图1.9 土的含水率、干密度和击实功率关系曲线
图1.10 粗粒土的击实曲线
【例1.6】某一施工现场需要填土，基坑的体积为2000m3，土场是从附近土丘开挖，经勘察，土的比重为2.70，含水率为15%，孔隙比为0.60，要求填土的含水率为17%，干重度为17.6kN/m3。
（1）取土场的重度、干重度和饱和度是多少?
（2）应从土场开采多少方土?
（3）碾压时应洒多少水?填土的孔隙比是多少?
1.3.3 现场质量检测
1.3.3.1 填筑压实度
压实土基和路面，就是用人工或机械对路基、路面进行碾压、振动，达到提高其密实度、降低其渗透性增强其强度与稳定性的目的。填筑压实必须进行压实质量控制，压实质量控制需要压实指标来检测，压实度是路基路面施工质量检测的关键指标之一，压实度是指工地上实际达到的干密度ρd与室内标准击实实验所得最大干密度ρdmax的比值。
由于填筑标准则通常根据击实试验确定，最大干密度是评价土的压实度的一个重要指标，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，由于填土存在着最优含水率，因此在填土施工时应将土料的含水率控制在最优含水率的-2%～3%范围内，以期用较小的能量获得最好的压实效果。另外，填筑压实还应根据土料的性质、填筑部位、施工工艺和气候条件等因素综合考虑。
1.3.3.2 压实质量的检测
现场压实质量的检测主要试验方法有灌砂法、环刀法、核子仪法等。检测方法一般根据填料选择。
1.灌砂法
灌砂法是检测压实度最常用的试验方法之一，本方法适用于在现场测定基层（或者底基层）、砂石路面以及路基土的各种材料压实层的密度和压实度。
（1）准备试验仪器。
（2）标定筒下部圆锥体内砂的质量。
（3）标定量砂的单位质量。
（4）选一块平坦表面，并清扫干净，其面积不得小于基板的面积。
（5）将基板放在平坦的表面上，当表面的粗糙度较大时，要考虑粗糙表面砂的质量。
（6）沿基板孔凿洞，并将洞内所材料取出称重。
（7）打开灌砂筒的开关，让砂流入试坑内，砂不流时，关闭开关，并称取灌砂筒内剩余砂的质量。
（8）计算试坑内砂的质量。
（9）测定试样的含水量。
（10）计算试坑内材料的湿密度、干密度以及压实度。
2.环刀法
本方法适用于测定细粒土及无机结合料稳定细粒土的密度。
3.核子仪法（核子密度仪法）
本方法适用于现场用核子密度仪以散射法或者直射法测定路基或者路面材料的密度和含水率，并计算压实度。本方法可以检测土壤、碎石、土石混合物、沥青混合料和非硬化水泥混凝土等材料。打洞后用直接透视法测定，测定层厚度不超过20cm。也可测定路面材料的密实度和含水量。
以上方法中环刀法是一种破坏性的检测方法，适用于不含骨料的细粒土，其优点是设备简单操作方便；缺点是受土质限制，当环刀打入土中时，产生的应力使土松动，壁厚时产生的应力较大，因此干密度有所降低。
灌砂法也是一种破坏性检测方法，适用于各类土，其优点是测定值精确；缺点是操作较复杂，需经常测定标准砂的密度和锥体重。
核子密度仪法，是一种非破坏性测定方法。能快速测定湿密度和含水量，满足现场快速、无破损的要求，并具有操作方便，显示直观的优点，但应与灌砂法进行对比标定后方可使用。