（道路与铁道工程专业论文）机场大型土石方压实技术分析与研究.pdf

摘要 本文对高填方机场土石方工程的填料特性、压实方法、压实质量控制手段进 行了全面、深入、系统的技术经济分析和现场试验研究。 首先，分析了土石料的压实特性、影响压实质量的主要因素，分别提出了使 用细粒土、粗粒土和土石混合料用作填料进行填方施工的质量控制方法； 其次，介绍了大型土石方工程压实施工中常用的设备，并对振动压路机、强 夯机和冲击压路机的压实机理、使用性能进行分析，提出了振动压路机、强夯机 和冲击压路机等设备的适用性； 第三，通过河池机场高填方试验段工程试验研究，分析了振动压实、强夯、 冲击压实现场试验的数据，得出不同压实方法的合理的施工工艺、施工参数和施 工质量控制手段； 最后，对振动压实、强夯、冲击压实三种施工方法进行了施工速率、经济效 益、工程质量的综合对比分析，认为大型土石方压实处理宜采用冲击压实方法。 总之，本文通过对机械性能分析、压实试验研究、经济效益分析等研究工作， 对于机场大型土石方施工的压实方法、施工工艺及参数、经济评价都将起到积极 的、有建设性的作用，研究成果可运用于到生产实践中。 关键词：机场，大型土石方，压实技术，河池机场，振动压实，强夯，冲击压实 a b s t r a c t 1 1 1 ea u t h o rm a d ep r o g r e s so fl a r g e - s c a l ee a r t h w o r kc o n s t r u c t i o n r e s e a r c ho f8 1 r p o r t l l i 出血b 砌弧e n t ，i n c l u d i n gs y s t e m i ce c h n i c a l a n de c o n o m i ca n a l y s i s o fs e a l l n g s p r o p e r t i e s ，c o m p a c t i o nt e c h n i q u e sa n dq u a l i t yc o n t r o lm e a n s ，a s w e l la si n - s i t ut r i a i i n v e s t i g a t i o n 1 1 1m eb e 西姐i n g ，c o m p a c t i o ns p e c i a l i t i e so f s o i la n ds t o n ea sf i l l i n g sa lei n 仃o d u c e d ， f a c t o r sa 虢c tq u a l i t yo fc o m p a c t i o na r ea n a l y z e d q u a l i t yc o n t r o lm e a n so f 蹦哪l e c o a r s ea n dm i x e df i l l i n g si nc o m p a c t i o n a r ea d v i s e d t 1 1 e ne ( i u i p m e n t si nc o m m o nu s eo fl a r g e s c a l e e 棚1 w o r k咖s 仃u c t i o n a r c p r e s e n t a t e d e s s e n t i a lc a p a b i l i t y , w o r k i n gp r i n c i p l ea n d a p p l i c a b i l i t yo f v i b r a t o 巧r o l l d y n a m i cc o m p a c t o r a n di m p a c tr o l l e ra r es u 咖l a r i z 缸 t h 矾t l l et e s t sa p p l i e di nh e c h ia i r p o r t t r i a lc o n s t r u c t i o n ，d a t ao f t r i a la n dc r r o ro t v i b r a t o r yc o m p a c t i o n ，d y n a m i cc o n s o l i d a t i o na n d i m p a c tc o m p a c t i o n0 n 锄b 幽饥t a r ea n a l y z e d a p p r o p r i a t ec o n s t r u c t i o nt e c h n i c s ，p a r a m e t e r sa n d 删埘c o n 们l m e a n s w i t hd i f f e r e n tc o m p a c t i o nt e c h n i q u e sa r ee l i d 僦 a tl e n 舢，t h ec o n 咖c t i o nv e l o c i t y , e c o n o m i cb e n e f i t a n dq u a l i t yo fe a c h c o m p a t i o n st e c h n i q u ea r es y n t h e s i z e dc o n t r a s t e d ，i t i sp r o p o s e dt h a t 呻撒c o m p a c ；t i o n i sp r e f e r r e di nl a r g e s c a l ee a r t h w o r kc o n s t r u c t i o n i i law o r d ，r e s e 卸c hi nt h et h e s i si n t of a c i l i t ys p e c i a l i t ya n a l y s i s ，c o m p a t i o n t e s t r e s e a r c ha n de c o n o m i cb e n i f i ts t u d y a r ep o s i t i v ea n dc o n s t r u c t i v et oc o m p a c t i o nm e a i l s ， t e c h n i c s ，p 删 i l e 觚 锄de c o n o m i ce s t i m a t e o fa i r p o r tl a r g e - s e a l ee 枷1 w o r k c o i l s t r i l c t i o n t h ea u t h o r sr e s u l t sa r ea p p l i c a b l et oe n g i n e e r i n g p r a c t i c e k e yw o r d s ：a i r p o r t ，l a r g e s c a l ee a r t h w o r k ，c o m p a c t i o nt e c h n i q u e , h e c h ia i 印毗 v i b r o t o r yc 0 m p a c t i 0 玛d y n 弧i cc o n s o l i d a t i o i l i m p a c tc o m p a c t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 靴敝储鹳：矸 日期：2 0 0 8 年4 月9 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 靴做储雠：王干 1 3 期：2 0 0 8 年4 月9 日 指导狮签名：劂舭、 日期：2 0 0 8 年4 月9 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究问题的提出 改革开放以来，在经济、社会全面发展的推动下，航空事业持续快速健康发 展，截至2 0 0 6 年1 月，全国( 不含港、澳、台) 共有民用航班运营机场1 4 7 个。 中国民用航空发展“十一五”( 2 0 0 6 2 0 1 0 ) 规划新建机场不少于4 0 个l l j 。 机场岩土工程是机场建设中的重要组成部分。随着科技迅速发展，人们对乘 机的舒适度要求越来越高，飞机的体积、重量日益增长，飞机起降对机场要求也 越来越高，机场建设须向高标准发展。为了解决机场占地与耕地之间的矛盾，同 时符合机场净空与环保的要求，目前机场场址优先选择填海造地或荒坡山地。“十 一五 期问，新增机场多数分布在西部地区，如云南昆明 b f i 术j t 场、广西河池机 场、西藏阿里机场、四川康定机场等。西部地区机场大多数为“深挖高填 型机 场，相关的岩土工程问题愈发突出。其中，山区机场的填料就地取材，多为风化 体或爆破体，填料粒径大、不均匀，现场管理与压实难度较大【2 】【3 1 。 土石方工程是山区机场建设的经济、技术核心问题，直接决定该机场的质量、 工期和投资。为此，本文通过广西河池机场高填方试验段工程的现场试验，分析 了振动压实、冲击压实、强夯等施工方法，以确定不同填料的压实方法、施工工 艺、施工参数和施工质量控制标准；同时针对不同填料、不同施工方法进行全面 的、系统的技术经济分析与研究，为机场大型土石方工程的设计、施工、检测等 提供现实成果，具有一定的现实意义。 1 2 国内外研究背景 1 2 1 压实技术的发展概况 振动压实技术最早于1 9 3 0 年在联邦德国投入使用，2 0 世纪7 0 年代时，振动 压路机在欧洲得到广泛应用，其销售额已占整个压实设备市场销售总额的7 0 【4 】； 强夯法于1 9 6 9 年起源于法国人l o u i sm e n a r d 及其公司m e n a r ds o l t r a i t e m e n t 习；冲 击压实技术起源于南非人b e r r a n 9 6 于1 9 5 9 年在英国申请的冲击压路机专利【6 】。三 种现代压实技术在国内外已经逐渐推广应用到道路、机场和水利等领域的大型土 石方工程。 1 2 2 压实试验研究概况 填筑体压实常涉及的填料类型较多，可按照压实特性为标准分类为块石、碎 第一章绪论 2 石土、砂土、粉土、粘土等【| 7 1 ，有关各种土石填料的压实特性，国内外已有较为全 面的研究【2 h 引。 振动压实技术适用于粉土、粘性土填料的压实，在严格控制含水量和层铺厚 度的前提下，可以达到较好的密实效果。一般含水量控制在最佳含水量4 - 2 - - - - , 3 ， 层铺厚度控制在4 0 锄左右，压实6 8 遍可达到9 5 的密实度。【2 】【3 】【8 】 强夯法适用于块石、碎石土等填料的压实，单位体积夯击能取3 0 - - 5 0k j m 弓， 以最后两击平均夯沉量为指标控制夯击次数。近2 0 年来，对于强夯法的施工参数、 质量控制方法等有较为成熟的研究成果。 冲击压实技术适用于碎石土、砂土、 2 3 1 1 5 1 1 8 9 】 粉土、粘土等填料的压实。由于冲压在 国内属新技术【1 0 】【1 1 】【1 2 】，近年来对冲击压实技术的试验研究是热门课题，涉及的填 料类型较为广泛，不少专家学者也提出了相应的质量控制方法【”h 3 1 1 。 压实的质量控制手段，或者检验压实的标准问题，是填筑体施工成败的关键 问题之一。目前规范中检验压实的标准都是以压实度为主。检验压实度的固有缺 陷是大面积施工中，填料虽为同类，填料最大干密度却相差甚远，压实度检测难 以顺利进行1 1 】【1 2 1 。当压实累计沉降量一压实遍数曲线收敛时，可以得出对应的旌 工参数。按照该对应参数施工，填筑层的承载力、变形模量均可达到设计要求， 这说明压实沉降量是控制压实质量的有效手段之一【1 2 】【1 4 】【1 5 】【1 9 】【2 0 】。 1 2 3 目前存在的问题 目前国内外对于土石方工程施工技术的研究，主要存在以下问题： 缺少机械j i 生能综合分析研究 目前国内外对于单类【3 2 1 或复合型【3 3 1 机械性能的研究已经较为深入，但公开发 表的常用压实机械的性能综合分析研究较少。机械使用性能、施工速率、压实效 果等方面的综合分析需深入进行。 缺乏系统的压实技术经济分析 与机械性能的研究状况类似，压实技术经济分析，包括振动压实、强夯、冲 击压实技术的生产效率、经济对比、质量分析等综合对比分析需要更进一步。 冲击压实技术研究的进一步发展 由于冲击压实技术没有成熟的现行规范，需要进行冲击压路机工作行驶路线、 最佳行驶速度等方面的研究，为设计、施工、检测等提供建议参数。 1 3 本文研究内容 本文在总结国内外既有研究成果的基础上，主要研究内容如下： 土石料压实特性 第一章绪论 3 总结土石料的压实特性、影响压实质量的主要因素，提出了不同填料进行填 方施工的质量控制方法。 机械使用性能对比分析 介绍了大型土石方工程压实施工中常用的设备，对振动压路机、强夯机和冲 击压路机的压实机理、使用性能进行分析与对比，提出了振动压路机、强夯机和 冲击压路机等设备的适用性。 压实技术试验研究 结合河池机场高填方试验段工程，分析土石方填筑分层压实试验数据，提出 了各种施工方法合理的施工工艺、施工参数、质量控制手段。其中对冲击压实技 术的研究中，增加了冲击压路机最佳行驶路线、最佳工作速度的研究。 压实技术综合对比分析 对振动压实、强夯、冲击压实三种施工方法进行了施工速率、经济效益、工 程质量的综合对比分析。 第二章土石料的压实特性 4 第二章土石料的压实特性 压实是指通过施加外力，增大填筑材料密度的过程。 土石料压实是岩土工程施工中一个重要组成部分。尽管压实费用在建设总费 用中所占比例不大，但是压实质量对建筑物的安全、质量、寿命有着决定性影响。 不同填料的压实特性各不相同。本章将以材料的角度分析土石料的压实特性。 2 1 土的结构 土是由岩石经过物理与化学风化作用后，破碎成为分散体，又经过流水、冰 川、风力等搬运、沉积作用的自然历史产物。土是由固相( 土粒) 、液相( 水溶液) 和气相( 空气) 组成的三相分散体系，如图2 1 ： 气 水 一 土粒 钐 实际土体土的三相图 图2 1土的三相图 f i g u r e2 1c o m p o s i t i o no fs o i l 可利用三相在体积和质量( 或重力) 上的比例关系来反映土的干湿程度和紧 密程度。以下列出土的压实计算中常见的几个物理指标。 体积v 和质量m ：土样的体积可由式( 2 1 ) 表示，土样的质量( 或重力) 可 由式( 2 2 ) 表示： y = 圪+ 圪+ 圪( 2 1 ) m = m s + 朋r + 或 ，竹m s + 朋。，吃0( 2 2 ) 1ll|叫lli 第二章士石料的压实特性 5 式中：v s 、v 。、v a 分别为土粒、水、空气体积，n l s 、m w 、m 。分别为土粒、水、空气质量。 土的含水量w 指土中水的质量与固体颗粒质量之比，通常以百分率表示， 是表示土的湿度的一个重要物理指标： w ：鱼1 0 0 ( 2 3 ) m s 土的干密度p d 是指土体中的固体颗粒质量与土的总体积之比： 岛= 罟 ( 2 4 ) y 工程中常把干密度作为评定土的紧密程度的标准，以控制压实的施工质量。 土的最大干密度p d 瑚x 和最优含水量w o p t ：按照室内击实试验得出的数据曲 线确定的干密度最大值( 修正) 作为土样的最大干密度，最大干密度对应的含水 量为土样的最优含水量。例如图2 2 ： a 吕 c ) 凹 赵 韵了 h 一， 厂 、 1 31 41 51 61 71 81 92 0 2 12 2 含水量( ) 图2 2某粘性土土样重型击实试验成果图 f i g u r e2 2h e a v yc o m p a c t i o nc u r v eo fac l a ys a m p l e 由上图可以确定该土样的最大干密度p d 衄x _ 1 6 8g - c i n - 3 ，最优含水量 w o p t ：18 o 土的压实度( 密实度) p 指土样的干密度与最大干密度的比值，通常以百分 率表示： 尸：旦1 0 0 ( 2 5 ) p d “ 工程中对现场压实工作规定的最小压实度，例如9 5 的压实度，意为现场压 实的密度值，必须不小于室内实验室( 标准) 密度的9 5 理论上，即使在压实功 较大，填筑材料含水量接近最优含水量、可压实性能较理想的情况下，压实度也 鼹盯晡阻鲳眈叭 第二章土石料的压实特性 6 不可能会超过1 0 0 ，即最大即现场干密度不大于室内实验室( 标准) 密度。 孔隙比e 和孔隙率n 1 ) 孔隙比指土中孔隙的体积与固体颗粒的体积之比，即： e ：旦 圪 孔隙比是一个应用较广泛的指标，可用来评价土的紧密程度。 2 ) 孔隙率指土中孔隙体积与总体积之比，即： 刀：旦 y 孔隙率与孔隙比存在如下换算关系： e 以= 一 1 + e ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 2 2 土的工程分类 土的类型众多，工程性质各异，因此有必要将土按照工程性质进行分类。目 前土的分类方法有许多，例如： 颗粒尺寸分类法：按粒组划分可反映透水性的变化，各国采用的标准不同， 特别是在粗粒方面有差异； 土壤统一分类法( c a s a g r a n d e sm e t h o d ) ：将土壤划分为1 5 组，如g w 、c l 等，世界许多国家分类法均以此为基础； ( ) a a s h o 分类法：以土的承载力为基础进行分类，由美国各州公路工作者协 会( a m e r i c a na s s o c i a t i o no fs t a t eh i g h w a y so f f i c i a l s ) $ t j 定； 以压实为标准的分类法：由b r u c e 和l a r sf o r s s b l a d 提出，以压实性能为标 准，按土的不同粒组的级配进行分类。 工程实践中需要的是适合工程用途的分类方法，即按土的主要工程特性进行 分类。假如所依据的指标比直接测定土的有关工程性质复杂，这个分类就失去了 价值。 土粒大小是描述土最直观和最简单的标准，在分类中最常用的指标是粒度成 分与反映塑性的指标。一般对粗粒土( 包括碎石土、砂类土) 主要按粒度成分进 行分类，对粘性土按塑性指数分类。 以压实为标准的分类法，基于土的压实性能，此法用于研究土的压实性能最 为直观、简便，且便于确定恰当的压实方法和适当的压实设备。该方法属专门分 类，是普通分类的补充，特点是以单项或少数几项土质特征指标，如级配、土石 比、含水量等为依据。具体分类及说明如下： 第二章土石料的压实特性 7 1 ) 岩土填方和带有大块石及石块的粒状土。 细料( 粒径不大于5m m ) 含量不超过3 0 ，干密度1 9 - 2 2g 吼- 3 ，为碎( 砾) 石类混合土。由于粗料( 粒径大于5m m ) 较多，细料不足，容易产生架空和粗粒 集中现象，难以压实。但如果按填石工艺施工，填料最大粒径不超过层厚的2 3 ， 分层填石分层嵌缝，以碾压遍数为控制指标，强度可以满足要求。 2 ) 砂和砂石料 a 良好级配的 b 均匀级配的 细料含量3 0 - 6 0 ，干密度1 7 2 0g - c m 。3 ，为含碎( 砾) 石类混合土。该 类填料水稳定性较好，力学性能、压实性能优良，属低压缩性填料。 3 ) 粉砂、粉质土等 a 粉质砂、粉质砾石 b 粉砂和粉质砂土、亚砂土、带土砾石 4 ) 粘性土 a 低、中等强度粘性土 b 高强度粘性土 细料含量大于6 0 ，干密度1 5 - 1 8g t i n 一，属一般纯土或砾质土。砂性土和 含少量部分砾石的混合土用作填料，压实性能较好；粘性土和粉质土用作填料， 要有良好的排水设施。3 ) 和4 ) 两类土用作填料，须严格控制层铺厚度和含水量。 强度大小主要受最佳含水量影响，属中低压缩性填料。 2 3 土的级配 不同粒组在土中的相对含量在很大程度上决定着土的工程特性，这种相对含 量用各粒组的质量占土样总质量的百分比来表示，叫做土的级配。 级配是通过土的颗粒分析试验确定的。工程上实用的粒径分析法有筛分法和 比重法两种。通常筛分法使用较广泛。该方法适用于粒径大于0 1i l l l r l 的土，用一 套孔径大小不同( 0 0 7 4 - - - 6 0m m ) 的标准筛，将质量己知的土样筛分后，分别计 算留在每个筛子上的土的质量，然后计算各粒组质量占总质量的百分比，即该土 样的级配，常以颗粒级配曲线直观表示。对于某料场( 区) ，可选择有代表性的几 组级配，将全部颗粒分析资料绘制如图2 3 。 图中纵坐标表示小于某粒径的土占总质量的百分数，以普通尺度表示；横坐 标表示颗粒直径，以对数尺度表示。图中可以得到粒组范围、土的级配和颗粒分 布情况。平均级配曲线与上包线( 最粗级配曲线) 中间的曲线即为粗粒组平均级 第二章土石料的压实特性 配曲线，平均级配曲线与下包线( 最细级配曲线) 中间的曲线即为细粒组平均级 配曲线。 1 0 0 9 0 米 面8 0 钿7 0 巢- h 6 0 g5 0 躬 * 2 0 ， 可1 0 0 k 一， 心一 l 【= ：；五t k ：叫，缴口巴 细特细罩怕卯；而丁 、1 、 驯但纰l 州e xf 1 l 甲均级配 、 l 、 一 粗粒组平均级配 tl t 白孙，e i 止n 、m 自 i也至戈l 取布 ，豺【h 巴 l 、 ， 、 、 ， 、 一i 、 ， 、? ： ， 、 、 、- 、一，- 、 - 一 - 、 - 一 。 一- ， 、： 。 。 1 0 0 01 0 01 010 1 土粒粒径d ( m m ) 图2 3某土样颗粒级配曲线 f i g u r e2 3g r a n u l ea n a l y s i sc u r v co fas o i ls a m p l e 通常用不均匀系数c u 和曲率系数c c 来衡量土的颗粒级配情况： r d 的 一石 ( 2 9 ) e ：! ! 生( 2 1 0 ) 。 d l o d 。 式中：d ，旷一对应于级配曲线上1 0 数值的颗粒直径； d a o 一对应于级配曲线上3 0 数值的颗粒直径； d o o - 一对应于级配曲线上6 0 数值的颗粒直径。 不均匀系数c u 反映大小不同粒组的分布情况，c u 值越大，粒径级配曲线越 平缓，表示粒组分布范围越大，土的级配越良好，作为填料时，比较容易获得较 大的密实度。曲率系数c c 反映曲线的整体形状。 一般情况下，c u 1 0 的土属级配良好。 然而，只用c u 一个指标不足以确定土的级配情况，还要考虑级配曲线的整体形状， 故需参考曲率系数c c 值。砾类土或砂类土同时满足c u ，5 和c c = i 3 两个条件 时，属级配良好。符合该条件的土，较粗颗粒间的空隙被较细的颗粒所填充，土 易被压实，相应的地基土强度和稳定性也较好，透水性和压缩性较小。例如图2 3 第二章土石料的压实特性 9 中粗粒组平均级配对应的土样，计算可得c u = 2 5 0 ，c c = 2 8 9 ，属级配良好。 2 4 土的压实机理 压实是指通过施加外力，增大填筑材料密度的过程。土的压实就是土颗粒发 生位移重新排列、相互靠近挤压、小颗粒进入大颗粒的缝隙中的物理过程。在此 过程中粗颗粒水分部分被挤压出来，单位体积内固体颗粒逐渐增多，颗粒间空隙 体积、颗粒的孔隙体积逐渐减少，土的干密度提高。 2 4 1 压实的两个基本条件 实现土的压实的物理过程需要以下两个基本条件： 为使颗粒重新排列，必须对土施加必要的外力，以克服其内部阻力，使颗 粒发生相对滑移。 施加于土体的外力和功，并非都能够有效促进颗粒的相对移动，在某些情况 下外力和功可能只有一部分转变为克服土内部阻力的有效压实功。例如振动压路 机在进行振动压实时，部分振动能量消耗在滚轮的弹跳过程中，这些功即消耗的 无用功。 土体必须在压实过程中保持必要的稳定结构，不在外力作用下发生流动。 例如振动压实干砂，砂粒在振动轮前方和侧向剧烈壅翻，滚轮常陷入砂中无 法前进。垂直压力和振动作用虽然克服了颗粒之间阻力，但也促使砂粒发生流动、 向外壅翻，不能使干砂变得密实。 2 4 2 影响压实的因素 影响压实的因素诸多，其内因可归为填料的可压实性，包括填料级配、颗粒 的含水量等因素。 填料级配 如2 3 节所述，同时满足不均匀系数c u 5 和曲率系数c c = i 3 两个条件的 填料，较粗颗粒问的空隙被较细的颗粒所填充，易被压实，相应的地基强度和稳 定性也较好，透水性和压缩性较小。 填料含水量 主要指细料( 粒径不大于5m m ) 颗粒的含水量。最佳含水量由室内击实试验 确定，例如图2 2 。现场填料含水量应接近最佳含水量，一般要求两者之差不大于 3 含水量偏高或偏低均不能达到最佳压实效果。 颗粒问粘聚力 此项主要针对粘性土。高强度粘性土由于颗粒间的粘聚力较大，在振动压实 第二章土石料的压实特性 1 0 下几乎不产生颗粒之间的相对运动，而是表现为土体的整体运动，壅翻、弹簧现 象。 2 4 3 土的压实特性 土的压实特性是指土体在外部压实能量作用下，颗粒克服阻力，产生位移， 相互挤压靠近，使土的孔隙减小、密度增加、强度提高的特性。 压实功指压实每单位体积土所消耗的能量，在击实试验中，压实功( k j m 刁) 表示为： e ：m g d n n ( 2 1 1 ) y 式中：m 一击锤质量( k g ) ，轻型法锤质量为2 5 k g ，重型法锤质量为4 5 k g ； g - _ 重力加速度( m s 2 ) ； d 落距( m ) ，轻型法落距为0 3 0 m ，重型法落距为0 4 5 m ； n 一每层土的击实次数，小试筒对应击数为2 7 ，大试筒对应击数为5 9 ； n _ 铺土层数，轻型法铺3 层，重型法铺5 层； v _ 击实筒容积( m 3 ) ，小试筒容积为9 9 7 x l o 石m a ，大试筒容积为2 1 7 7 x l o 石m 3 。 击实功与每层土的击实次数成正比。同一种土样，用不同的功击实得到的击 实曲线不同。击实功越大，得到的最优含水量越小，相应的最大干密度越高。可 以得出，对于同一种土，击实试验得出的最优含水量与最大干密度不是恒定值， 而是随压实功变化而变化。则单位体积土达到最大干密度所消耗的压实能量( 击 实功) 可按式( 2 一1 1 ) 计算列表如下： 表2 1击实试验参数表 t a b l e2 1p a r a m e t e r so fc o m p a c t i o nt e s t s 类击锤质量落距试筒容积层每层击实功 试验方法 别( k g )( m )0 0 6 m 3 ) 数击数 m 。3 ) i 19 9 732 75 9 7 1 轻型i 法 2 5o 3 0 i 22 1 7 735 95 9 7 6 重型i i 法i i 1 4 5o 4 59 9 752 72 6 8 7 1 细粒土的压实特性 土体的压缩变形主要是由孔隙减小引起的，包括颗粒间空隙的压缩、孔隙水 的压缩、水和空气从孔隙中被挤出以及封闭气体的压缩。由于颗粒和水的压缩很 小，可以认为土的压缩主要是孔隙减小、颗粒重排的过程。 同一种土，干密度越大，孔隙比越小，故最大干密度对应击实试验所达到的 最小孔隙比。在某含水量下，达到最大干密度( 最小孔隙比) ，理论上就是将土中 第二章土石料的压实特性 所有气体从孔隙中赶走，使土达到饱和。理论上土体达到饱和时的干密度为： 岛2 南( 2 - 1 2 ) 式中：p 广土颗粒的干密度 在土体达到饱和时的压实曲线，称为饱和曲线，如图2 4 ： 最大 图2 4各种类型土室内击实曲线示意图 4 1 f i g u r e2 4c o m p a c t i o nc u r v eo fd i f f e r e n ts o i l 按照饱和曲线，当含水量很大时，干密度很小；而含水量很小时，饱和曲线 上的干密度很大。当含水量w = o 时，饱和曲线上的干密度等于土颗粒的干密度p 。， 但这种情况碎散的土、石或土石混合料无法实现。 细粒土特别是粘性土渗透性小，压实或击实过程中水不会立刻排出，故可以 认为含水量保持不变。击实曲线在峰值以左，与饱和曲线差别较大，两条曲线上 的干密度之差随含水量增大而减小；击实曲线在峰值以右逐渐接近饱和曲线，并 大体上与之平行。试验表明，土的最优含水量w o p t 接近塑限w p 。当含水量很小时， 颗粒表面水膜较薄，使颗粒相互移动需要克服很大的阻力，此阻力可能来源于毛 细水压力或结合水的剪切阻力，因而需要消耗很大的压实能量：随着含水量的增 加，水膜加厚，颗粒间阻力减小，土颗粒相对移动较容易；当含水量超过最优含 水量后，水膜继续增厚而起到的润滑作用不明显，此时土中剩余空气不多，且处 于封闭状态，较难被赶走，因此土不会达到完全饱和状态，击实曲线不可能达到 饱和曲线。 用细粒土作填料进行填方施工时，应将土的含水量控制在最优含水量左右， 第二章土石料的压实特性 1 2 以期用较小的能量获得最好的压实效果。当含水量控制小于最优含水量时，压实 后的土常具有凝聚结构的特征，较为均匀，强度较高，较脆硬，不易压缩，但浸 水时容易产生附加沉降。当含水量控制大于最优含水量时，压实后的土具有分散 结构的特征，可塑性大，适应变形的能力强，但强度较低，具有不等向性。 含水量比最优含水量偏低或偏高，填方土体的性质各有优缺点。由于含水量 不可能控制非常精确，一般选用的含水量要求在w o p 。( 2 3 ) 范围内。 粗粒土与土石混合料的压实特性 砂和碎石土等粗颗粒填料的压实性也与含水量有关，但不存在最优含水量。 一般最大干密度有两个位置：一是完全干燥状态下，填筑体表层和深处都能获得 最大干密度；二是充分洒水饱和状态下，颗粒间的空隙完全被水充满，水膜使颗 粒间摩擦力减小，容易压实至最大干密度。 对于不同粒径填料的工程特性研究中，通常习惯用固定粒径5m m 作为分界粒 径，小于5 m m 的颗粒称为细颗粒填料( 细料) ，大于5m i l l 的颗粒称为粗颗粒填料 ( 粗料) 。大量的试验成果表明： 表2 2不同粗料含量对填料压实特性的影响 t a b l e2 2c o m p a c t i o np r o p e r t i e so fv a r y i n gc o a r s er a t i o 粗料含量级配特征填料干密度状况 压实过程中 小于3 0 , - - - 4 0 细料对压实性能起决定作用 干密度增长较小 粗料开始起骨架作用，压实过程中 大于3 0 4 0 细料、粗料彼此充填联合干密度增长快 粗料形成完整骨架，干密度值可达到 7 0 左右 细料填充空隙最大值 干密度较难接近 超过7 0 细料不能充满粗料骨架的空隙 最人干密度 粗料含量是影响填料最大干密度的主要因素。由于在爆破、开挖、运输、堆 填、摊铺的过程中，不可避免的造成了细料和粗料混合不均、搭配不匀的状况， 从而造成最大干密度值离散性很大。因此，对于粗颗粒填料在压实参数控制和检 测验收中，不能仅仅使用单一的最大干密度指标。根据相关规范及相类工程经验， 对于混合填料，尽管最大压实干密度值上下波动较大，但固体体积率( 或孑l 隙率) 相对较为稳定和有规律。固体体积率计算公式如下： v v = 乞( 2 - 1 3 ) “ 第二章土石料的压实特性 1 3 式中：p 。广一开挖试坑土样的干密度； g 厂开挖试坑土样的视比重，不同岩石颗粒密度按相应百分含量加权。 在研究粗颗粒土填料的力学性质中，因颗粒粒径大小不同，常受到试验仪器 的限制，对于超过试验仪器允许最大粒径的颗粒称之为超径料。根据土工试验规 程，并结合所用试验仪器，可规定颗粒允许最大粒径。对超径料处理应用较多的 方法有如下几种： 1 ) 剔除法：该方法是将代表性级配中的超径料剔除掉，由剩余的小于允许最 大粒径的全料颗粒所替代( 亦称全量替代法) 。该方法只宜在超径料含量不大于1o 的范围使用。 2 ) 等量替代法：该方法是将超径料等重量地允许最大粒径至5 m m 的粗料部 分各粒级颗粒按含量加权平均替代。该方法宜在超径料含量不大于5 0 的范围内 使用。 3 ) 相似级配法：该方法是根据原级配的最大粒径和允许最大粒径的比例，将 各粒径缩小，缩小前后对应粒级间的含量百分数不变。多用于超径料含量大于5 0 的卵漂石、堆石。 2 5 土石料压实特性小结 土的压实特性是指土体在外部压实能量作用下，颗粒克服阻力，产生位移， 相互挤压靠近，使土的孔隙减小、密度增加、强度提高的特性、。 以压实为标准的分类法基于土的压实性能，直观、简便，便于确定恰当的 压实方法和适当的压实设备。按以压实为标准的分类法，可将土分为岩土填方和 带有大块石及石块的粒状土，砂和砂石料，粉砂、粉质土，粘性土四类。 影响压实的因素有很多，其中填料本身的因素主要有填料级配、填料含水 量和颗粒间粘聚力等。单位体积土达到最大干密度所消耗的压实能量( 击实功) 可按式( 2 1 1 ) 计算。 用细粒土作填料进行填方施工时，应将含水量控制在最优含水量w o p t 4 - ( 2 3 ) 范围内。粉质土和粘性土用作填料时须严格控制层铺厚度和含水量。砾类土或 砂类土同时满足c u 5 和c c = l - - 3 两个条件时，可以认为填料级配良好。 对于混合填料，粗料( 粒径大于5 m m ) 含量是影响填料最大干密度的主要 因素。当粗料含量为7 0 左右时，粗料形成完整骨架，细料填充空隙，填料压实 后的干密度值可达到最大值。 第三章压实设备性能分析 1 4 第三章压实设备性能分析 3 1 常见压实设备分类 压实设备的选择，必须针对填料的类型、层铺厚度、压实要求以及工作范围 大小，但首要因素是能够最经济高效地达到压实要求。工程施工的经济效益要从 选购选配技术装备开始计算，其重要性对工程承包商或设备租赁商来说都是显而 易见的。用户造型与采购设备应是理性的，决策人应该更多地掌握设备的作业机 理、技术性能、选型依据及技术经济评价方法等知识，并对市场动态与采购策略 有多角度的体验。压实机械的分类有多种，可按压实原理分类，也可按设备结构 型式分类等等。 按压实原理分类，压实设备可分为静碾、轮胎、振动、夯实、冲击等几种。 按工作质量大小分类，压实设备可分为小型、轻型、中型、重型、超重型。 按用途分类，压实设备可分为路面压实、基础压实、堤坝压实、河槽斜坡压 实、沟槽压实等。 按结构型式分类，压实设备可分为8 个大类，这里主要指压路机： a 压轮型式：光面钢轮、凸块轮、轮胎等； b 驱动轮数量：单轮驱动、全轮驱动： c 振动轮数量：单轮振动、双轮振动； d 压轮布置：三轮布置、组合振动( 后轮为多个轮胎) ； e 传动型式：机械传动、液压传动、液力机械传动等； 转向型式：偏轮转向、铰接转向； g 压轮悬挂方式：刚性连接、机械摇摆式、液压升降式等； h 操作驾驶方式：拖式、自行式、手扶式等。 现代压实机械所采用的压实方法，除了揉搓压实技术主要用于路面压实，静 力压实、振动压实、夯实和冲击压实均广泛应用于岩土填方材料的压实。 以下按照压实原理分类，对各种常见压实设备的性能、参数和适用范围做出 简要介绍： 第三章压实设备性能分析 1 5 静压振动压实夯实冲击压实 一一一 恒定压力波快速连续压力波冲击压力波 图3 1几种压实方法示意图 f i g u r e3 1s k e t c hm a po fs o m ec o m p a c t i o nm e a n s ：= = = 尹 亡壬= = = ；乡 低能量连续 冲击压力波 静力压实( 静碾、静压) 设备 1 ) 静压三轮压路机 三个驱动轮和铰接机架，或两个驱动轮、一个转向轮、刚性机架，改变配重 可改变压实效果。机械质量范围：8 1 5t 。主要参数：静线压力、速度。静线压 力越大，压实效果越好；工作速度不宜超过6k m h - 1 。主要适用于薄粗粒土层压实。 2 ) 轮胎式压路机 分自行式和拖式，可有7 1 1 个充气轮胎，前轮和后轮可重叠。通过加水、 砂和铸铁配重改变压实力。机械质量范围：10 3 5 t 。主要参数：轮荷载、轮胎压 力、速度。轮荷载越大，压实效果越好；工作速度不宜超过6k m h - 1 。主要适用于 薄层土压实。 振动压实( 振动碾压) 设备 主要参数：静线压力、振幅、频率和行驶速度。静线压力越大，压实效果越 好；振幅在很大程度上决定有效压实深度；速度不宜超过6k m h - 1 。 1 ) 自行式单钢轮振动压路机 一个振动钢轮和两个驱动轮胎。机械质量范围：4 - - 一2 5t 。适用于岩石填方和 土的压实，凸块型压路机压实粘性土非常有效，适宜碾压较厚的土层，质量较大 的光轮压路机适合压实岩石填方。 2 ) 双钢轮振动压路机 通常两个光轮都有振动和驱动。机械质量范围：1 1 8t 。用于道路底基层和 基层、沥青路面压实，最适宜压实薄层和中等厚度的粗粒土层。 3 ) 手扶压路机、沟槽压实机 轻型压实设备。两个碾压轮通过刚性车架或铰接式车架连接，有凸块式和光 轮式，许多机型有遥控。机械质量范围：0 4 - - 2t 。手扶压路机适合压实粒状土和 沥青铺层上的薄铺层，沟槽压实机适合于粒状土和粘性土的压实。 第三章压实设备性能分析 1 6 夯实设备 1 ) 振动平板夯 可自行，振动式，单向或双向。机械质量范围：4 0 0 8 0 0k g 。主要参数：接 触压力、振幅、频率和行驶速度。振幅在很大程度上决定有效压实深度，接触压 力越高，速度越低，压实效果越好。非常适合狭窄区域土的有效压实。 2 ) 爆炸夯实机与蛙式夯实机 两者均具有操作方便、结构简单、经久耐用、夯实效果好、易维修、价格低 等优点。机械质量：约1 0 0k g 。蛙式打夯机为手扶式，主要参数：夯击能量、夯 头抬高、夯击频率、前进速度。两者适用于建筑、水利、筑路等填方工程中素土、 灰土的夯实作业。 3 ) 重锤夯实机 用起重设备将夯锤起吊到一定高度，然后使其自由落下，利用其产生的较大 冲击能加固地基，设备简单，经济效益显著。夯锤质量：1 5 - - 4 0t ，落距：1 0 , - - - 4 0 m 。主要参数：夯锤质量、落距、夯击势能、间隔时间。 4 ) 强力夯实机( 强夯机) 在重锤夯实法基础上发展而来，将很重的夯锤起吊到很高的高度，然后使其 自由落下，利用其产生的较大冲击能加固地基。夯锤质量：1 0 - - 4 0t ，落距：1 0 4 0m 。主要参数：夯锤质量、落距、夯击势能、间隔时间。适用于加固多种类型 地基或填筑体处理。 冲击压实( 冲击碾压、冲压) 设备 冲击压实相当于低能量的强夯。 1 ) 冲击夯 大冲击力的平板夯。机械质量范围：4 0 - 一1 0 0k g 。主要参数：机械质量、夯板 面积、冲程和水平工作速度。质量越大，工作速度越低，冲击、压实效果越好， 冲程对压实深度影响较大。适合压实粒状土和粘土，应用于压实高标准的狭窄区 域，沟槽和修补工程。 2 ) 冲击压路机 两个凸块式钢轮，铰接转向，分自行式和拖式两种。主要参数：冲击势能、 轮宽、凸块形状和行驶速度。机械质量范围：1 5 3 5t ，常见冲击势能有1 5 、2 0 、 2 5 、3 2l ( j 。理论上冲击势能越大，速度越高，压实效果越好，但工作速度一般为8 1 5k m h - 1 。适用于较厚填土层和大面积压实，以及浅层地基处理。 凸块形状不同：三边形冲击压路机适用于提高基础或填筑体的压实度；四边 形冲击压路机多用于旧水泥混凝土路面的破碎；五边形冲击压路机适合于松铺系 数较大的分层压实。 第三章压实设备性能分析 1 7 对于大面积地基处理和大型土石方的压实，以上各种压实设备并非都适用， 只有其中一部分为常用机械，总结见下表： 表3 1常见压实设备( 按压实原理分类) t a b l e3 1f a m i l i a rc o m p a c t i o ne q u i p m e n t s ( c l a s s i f i e db yp r i n c i p l e ) 是否适用 类别 机械名称适用范围大型土石 方工程 静力三轮压路机薄层压实 静力压实 轮胎式压路机薄层压实 单钢轮振动压路机较厚土层压实适用 双钢轮压路机 中等厚度十层压实 振动压实 手扶压路机粒状十压实 沟槽压实机粒状土、粘土压实 振动平板夯狭窄区域压实 爆炸夯实机素- 十、灰十压实 夯实蛙式夯实机素土、灰土压实 重锤夯实机加固地基 强力夯实机加固地基、填筑体适用 冲击夯狭窄区域压实 冲击压实 厚土层压实、大面积压 冲击压路机 适用 实、浅层地基处理 以下几个小节将对大型土石方工程中常用的振动压路机、强夯机和冲击压路 机进行使用性能分析。 3 2 振动压路机 振动压路机是将振动和静力压实相结合的压实机械。振动压路机不开振动档 时，可进行静力压实。在压路机的滚轮上安装激振机构，工作时激振能量以压力 波方式向被压土层内传播，使土层既受到静压力又受到振动力作用。振动压实需 要垂直压力来克服土颗粒之间的阻力，使之重新排列，变得更