影响最优含水率的因素.doc

1、广 东 地 质 击 实 试 验 过程中 最大干密度 和最优含水率 影响 因素 分析 廖琼江 蔡玉贞 潘 琨 蓝志 勇 ( 广东省物料实验检测中心 , 广州 510080 ) 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

2、，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

3、 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 d ，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

4、为 最大干密度 dmax；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。 本文 2005 年 8 月收到 ,8 月改回。 2 广 东 地 质 第 20 卷 1.751.851.952.052.152.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0w (%)干密度(kg/m3)103最大干密度=1.98103(kg/m3)最优含水量=8.5%饱和度=100%图 1 压实曲线 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

5、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

6、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) 轻型法 .1 .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 重型法 .1 .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.

7、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第 2 期 廖琼江 ，等： 击实试验过程中最大干密度和 最优含水率 影响因素分析 3 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

8、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)

9、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

10、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 d，计算至 0.01 103 kgm3。 m V d（ 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 d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

11、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

12、2 土样不重复使用时的击实试验结果 最大干密度 dmax=2.01 103 kg m3 最优含水 率 wop=8.1 4 广 东 地 质 第 20 卷 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 dmax=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

13、 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

14、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

15、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

16、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 第 2 期 廖琼江 ，等： 击实试验过程中最大干密度和 最优含水率 影响因素分

17、析 5 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

18、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

19、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

20、 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 dmax,， 对于同一种土 干密度 越大，其孔隙比就愈小，所以 dmax,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

21、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6 广 东 地 质 第 20 卷 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

22、 ,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）

23、 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 1.71 1.58 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

24、 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 ,2001