土的击实试验.ppt

土的击实试验和现场填土质量检测 陶秀珍2005 12 一 土的击实试验 1 1概述1 1 1土的压实 定义 用机械方法使土粒在短暂重复荷载作用下挤紧 密度增大的过程 压实的目的 为了提高土的抗剪强度及承载力 减小土的压缩性和降低土的渗透性 土的压实分为 粘性土的压实和无粘性土的压实 粘性土的压实粘性土的压实通常用室内击实试验进行模拟和研究 对于粘性土 压实意味着土在含水率几乎不变的情况下 空气含量减到最小或饱和度增加到最大 无粘性土的压实无粘性土的压实质量一般通过相对密度进行控制 1 1 2土的击实试验1 目的 定义和原理 目的 是采用标准的击实方法 测定特定土的密度和含水率的关系 确定该土的最大干密度和最优含水率 了解土的压实特性 为工程设计和现场碾压提供土的压实资料 定义 用标准击实方法 测定某一击实功能作用下土的密度 含水率的关系 以确定该功能下的最大干密度与相应的最优含水率的试验 原理 土的压实程度与含水率 压实功能及压实方法有密切的关系 当压实功能和方法不变时 土的干密度和含水率之间形成的的关系曲线就是所谓的击实曲线 2 作用 土的击实试验是室内研究土的压实性质的试验 室内击实试验是模拟现场碾压条件 方法 在标准的击实筒内对土施加一定的击实功能 确定该功能下的最大干密度与相应的最优含水率 其目的在于为工程提供填筑密度初步设计的依据 然后根据工程规模 重要性和工程级别来决定是否要在现场进行碾压试验 为室内力学试验制备试样 3 击实试验提供的基本资料 在给定的击实功能下 干密度和含水率的关系曲线 在给定的击实功能下 土的最大干密度 与土的最大干密度相对应的最优含水率 室内击实试验是填土工程如土坝 路基 机场跑道以及房屋地基等的重要试验项目之一 4 击实试验发展 美国R R Proctor提出的轻型试验方法和标准 普氏标准 美国各州公路协会提出的修正普氏标准 国内40年代末南京水利实验处提出的南实处型击实标准 50年代 10 1型击实标准 标准试验方法 普氏标准作为国家标准击实方法 5 击实试验方法 冲击荷载方式 其中包括落锤直接作用在试样面上和在试样面上放一传压板 冲击荷载通过传压板间接作用于试样面上两种 这种方法实验室用得比较多 如南实处型 10 1型击实仪 标准击实 普氏击实等 静荷载方式 也称压样法 很少采用 现场 平碾 汽胎碾 静力压实室内 静力压实试验如压实制样 准动荷载方式 这是一种使用捣固棒以比较快的速度挤压土 使土压实的方法 在机理上与实际的羊足碾很近似 振动荷载方式 这种方法适用于砾粒土 该方法除将击锤用振动锤代替 试样筒较大外其原理与常规标准击实方法相同 以上四种试验方法是按施加击实功的方式来分的 如果按测定密度的方法来分 可以分为以下两种 定体积法 击实试样的体积一定 测量土的质量推求干密度 一般称为定体积法 变体积法 给定一定质量的土样 装入试样筒 在击实过程中 测定击实试样的体积推求干密度 一般称为变体积法 目前 世界各国制定的标准击实方法是属于在试样面上直接施加冲击荷载 用定体积法推求干密度 我国的国家标准和水利行业标准采用的标准击实试验方法属于在试样面上直接施加冲击荷载 用定体积法推求干密度 1 1 3击实曲线 由击实曲线可以看到 在低含水率时 干密度随含水率增加而增加 当干密度达到某一最大值后 含水率增加干密度反而减小 这一干密度的最大值称为最大干密度 相应的含水率称为最优含水率 1 压实理论 水膜润滑理论粘性土在低含水率时 土颗粒周围水膜薄 表面张力形成的毛管压力大 土颗粒间摩阻力高 土粒相互移动困难 故压实干密度低 土粒呈絮凝结构 逐渐增加含水量 土颗粒周围水膜变厚 水膜对土颗粒的润滑作用逐渐加大 表面摩阻力随之减小 压实干密度增大 当含水率增大到某一值时 干密度达最大 但当含水率超过最优含水率后 土中气体被水包围处于封闭状态 不易排出 如再增加含水率 由于土中的自由水增多 抵消了部分压实的能量 土的干密度反而降低 此时 土粒呈分散结构 见图 粘滞水理论击实曲线反映出在土中加水的四个阶段 即结合 润滑 膨胀和饱和 含水率 干密度 结合 润滑 膨胀 饱和 饱和线 结合 土粒周围由薄的水膜包围 这种水具有高的粘滞性 能承受一定的剪应力 干密度低 润滑 增加水量使水膜变厚 土粒润滑 击实时土粒更容易聚集到一起 随着水量增加 更多的空气从土中排出 一直到水中只含有微小的封闭气泡 这种最大的含水率称为润滑界限 膨胀 含水率超过了润滑界限 将引起土体膨胀 多余的水使土粒分离 因而 干密度降低 饱和 土体饱和 封闭气泡所占的孔隙全部由水代替 干密度进一步降低 孔隙水压力理论认为 土体在饱和度大于25 以后 土体中的水呈现为连续包围土粒的水膜 并形成曲率很大的弯液面 由于曲率大的弯液面表面张力大 产生了很高的摩阻力 抵消了压实效应 土体难于压实 此时孔隙大 空气能迅速排出 如在土中增加含水率 弯液面消失 土就会被压实 密度就能增加到最大值 但当含水率超过了最佳值后 随着水量的增加 空气被封闭于土中 产生孔隙气压力 从而减小了压实效应 使干密度减小 表面物理化学理论认为 在低含水率时 土颗粒周围形成的双电层很薄 颗粒间的吸力占优势 土趋于形成绒状结构 当含水率增加时 双电层变厚 颗粒之间斥力增加 同时所增加的水使土的强度减弱 土粒之间易于滑动 导致分散或颗粒定向程度增加 在这个条件下 颗粒相互移动只需要较小的击实功 更高的含水率使双电层加厚 阻止土粒进一步靠拢 就不可能产生更大的压实 2 气体所占孔隙为零的曲线 饱和度为100 取出一个非饱和土的单元土体 求出当土中气体体积为零时的干密度和含水率的关系曲线 如图所示模型 设土体中土粒体积为1 土粒 水 空气 1 a b va Vw Vs 1 d 1 Gs 100 1 1 2击实试验的仪器和操作1 2 1击实试验的仪器击实试验的仪器设备包括 击实仪 天平 台秤 标准筛等计量器具 推土器 修土刀等附助设备 1 2击实试验的仪器和操作1 2 1击实试验的仪器击实试验的仪器设备包括 击实仪 天平 台秤 标准筛等计量器具 推土器 修土刀等附助设备 1 2 2击实仪规格 1 2 3仪器的检定与校验击实试验采用的仪器除击实仪外 还有天平 台秤 标准筛等计量器具 为了得到准确 可靠的试验结果 必须对计量器具进行检定或校验 经检定或校验合格的仪器才能投入使用 其中天平 台秤属通用计量仪器 应送法定计量检定单位进行计量检定 击实仪可按SL112 95规定的方法自行校验合格 1 2 4击实试验的操作步骤 试样制备 干法 规范规定 将一定量的风干土样 在橡皮板上用木碾碾碎后过5mm筛 取筛下土按依次相差2 含水率制备不少于5个试样 拌匀后装入塑料袋或密封于盛土器内静置 使土中水分充分浸润 含水率分布均匀 一般静置时间在12h至24h 湿法 将一定量天然含水率土样碾散后过筛 将筛下土样拌匀后分别风干或加水到设定的含水率 制备试样时必须注意制备后的试样含水率分布应均匀 1 2 5试验操作步骤 击实仪放在坚实地面上 这一点对于固定试验室在仪器放置时就应做到 在击实筒内壁和底板上涂一薄层润滑油 各部件安装好 检查仪器是否正常 并做好记录 取制备好的土样分层进行击实 击实过程中应在每层击完后测量击后高度 以使击实完成后余土高度满足规程要求 下一层击实前应对上一层面刨毛 增强层间结合 击实完成后 用修土刀沿护筒壁削挖后 扭动并取下护筒 测量并记录余土高度 1 3击实试验的结果整理 按规程规定计算各试样的含水率和干密度 以干密度为纵坐标 含水率为横坐标 绘制干密度与含水率的关系曲线 并同时画出饱和曲线 可以将试验步骤整理成以下几点 按规定制备用于击实的土样 击实开始前检查仪器是否处于正常状态并记录 将击实仪置于刚性基础上 按规程规定进行击实 击实完成后 卸下护筒 用直刮刀将试样顶 底面刮平 称其质量 测其含水率 计算湿密度和干密度 对不同含水率的试样依次进行击实 对于击实过程 也可以用下图来说明其固相 液相和气相在不同阶段的比例关系 1 4校正由于土料中常混杂有大于5mm的颗粒 这些颗粒的存在 对该土的最大干密度和最优含水率都会有影响 对于轻型击实试验 因仪器尺寸的原因 在制备试样时过了5mm筛 试验成果没有完全反映该土的击实特性 特别当粒径大于5mm的颗粒含量较多时 就产生了对试验结果校正的问题 当大于5mm的颗粒含量占土总质量 30 时 可以采用公式进行校正 1 5击实试验过程的注意事项1 试验仪器必须放置于坚实平整的地面上 应避免在具有弹性的木板上做试验 2 击锤下落的锤击点必须均匀分布于试样面上 特别是采用手动击实仪时尤其应注意 3 应尽量使每层击实的土质量相等或相近 避免各层厚度出现极厚或过薄现象 4 两个击实层的层间结合部位必须刨毛 5 卸除护筒时 应注意不要把击实土柱剪断 1 6击实试验的影响因素1 粒径大于5mm的颗粒对击实成果的影响 击实所用的试样 由于仪器尺寸的限制 须过5mm筛 但在实际填筑中 一般会包含大于5mm的粗颗粒 这样 现场填筑的干密度与室内击实试验的最大干密度间不一致 现场填筑所得的密度大 如果大于5mm的粗颗粒在总土中所占的比例不太大 可以对室内成果进行校正 推算出原土料的最大干密度和最优含水率 2 击实功能对击实成果的影响 击实功是由击锤重力 落高和击次三个因子组成 击实曲线的特性主要取决于三因子的单位击实功 通过对不同土类最大干密度和单位击实功关系的统计 得出最大干密度与单位击实功之间存在良好的双曲线特性 即土的最大干密度随单位击实功的增加而增大 这种现象在小击实功时显得尤其明显 随着击实功的不断增加 最大干密度的增加变得越来越缓慢 最后趋于一稳定值 3 含水率的配制方法对击实成果的影响 试验证明 最大干密度以烘干土最大 风干土次之 天然土最小 最优含水率则以烘干土为最低 含水率的制备方法对某些特殊土的击实成果影响尤其明显 如SL237 1999P586天生桥红粘土击实曲线 4 余土高度对击实成果的影响 按照规程规定的试验方法得出的标准击实曲线 是在某一击实功能下土的干密度与含水率的关系曲线 如果击实后没有余土高度 刚好达到所规定的体积 试样所受的平均单位击实功是相等的 如果每个试样击实后的超高较大且不一样 则击实曲线就不是一条等功能曲线 也不是规程规定的击实功 5 土层厚度对击实成果的影响 土层厚度主要反映在试样筒的高度上 目前室内击实试验除公路土工试验规程略有区别外 试样筒的高度基本相同 6 其他影响因素 重复用土 有机质等 重复用土后 由于反复击实容易使土颗粒破碎 改变土的级配 影响击实成果 特别是易碎土 所以 国内外的标准均规定 一般不重复使用试样土 有机质的存在对土的击实效果起着不良的作用 有机质越多 最大干密度越小 1 7各种土类的击实性质由于击实 增加了土的密度 大大改善了土的工程性质 如 渗透性 降低 减少了吸水软化的趋势 降低受冻的敏感性 压缩性 压缩性减小 可减少在静荷载作用下的沉降 强度 提高 可增加土体的稳定性 二 现场填土质量检测和控制 2 1概述 1 质量控制的依据 施工及填土质量控制的依据是 工程设计 施工技术要求 设计图和有关的技术规程 规范 2 质量控制的分类 一类质量控制为按质检查 以是否符合设计技术要求为评定标准 一类质量控制为按量检查 如填筑压实的土料含水率和密度等 3 质量控制的标准 经过综合考虑 确定合理的质量标准是质量控制的关键 质量标准偏低 必定使工程存在隐患 如标准偏高 实际施工很难达到 也会出现质量问题 因此 应通过试验确定合理的质量标准 如 堤防工程施工质量评定与验收规程 3 2 1规定 土料碾压筑堤应符合以下要求 1 上堤土料的土质及其含水率应符合设计和碾压试验确定的要求 5 土料的压实指标应根据试验成果和GB50286 98 堤防工程设计规范 的设计压实度要求 确定设计干密度值进行控制 砂料和砂砾料的压实指标按设计相对密度值控制 4 填土压实质量指标 粘性土 压实度 压实干密度无粘性土 相对密度 5 判别粘性土压实质量的指标 压实干密度为控制指标填土压实的填筑标准应考虑填土压实后的力学性质和工程性质 工程重要性和规模的大小 以及压实机械可能达到的压实程度等 粘性土一般要求达到或稍低于标准击实的最大干密度 没有考虑土的不均匀性由于土的形成方式及组成材料的多样性 土成为一种很不均匀的材料 因此土的压实性变化很大 有时 在不大范围内的二个料场内 虽然土的粒径和级配变化甚微 但其最大干密度和最优含水率变化却很大 没有考虑土料压实性变化干密度控制是根据击实试验成果 用统计的最大干密度平均值乘以设计规定的压实度 即得填土压实干密度控制的下限值 这样对于压实性好的土料就会大大超压 对于压实性差的土料 则压不到要求的干密度值 必须补压 有时甚至补压也达不到要求 现场施工过程中对上堤土料的含水率也应加以控制 对于击实试验所得的含水率 干密度关系曲线的形状是陡还是缓 特别在干的一侧的曲线较陡时 在现场碾压时需要仔细控制含水率 如过干 就需要用过多的压实功 如过分潮湿 就不稳定 容易形成 弹簧土 压实度为控制指标以前 一些工程直接用干密度作为质量控制指标 由于土压实性的变异性 现在多数工程采用压实度这个相对指标作为质量控制指标 干密度控制不考虑土料压实性的变化 而采用压实度作为控制指标就考虑了土料压实性的变化 压实度标准不变 随土料压实性变化即随最大干密度值大小不同而变化 要求达到的压实干密度不同 根据填土实际最大干密度乘以设计规定的压实度求得填土压实干密度控制值 压实度控制考虑了土料压实性变化 压实度相同代表所需压实有效功能相等 这样 只要含水率在要求的范围内 施工时 有可能选用同一种碾压参数 避免不必要的超压和补压现象 但采用压实度控制 必须已知该土的最大干密度 因此必须作击实试验 2 2现场填土质量检测方法 1 填土压实质量检测项目快速含水率检测 酒精燃烧法 电炉炒干法 红外线灯泡烘干法 放射性同位素测含水率等 原位密度检测 环刀法 灌砂法 灌水法 放射性同位素法等 现场碾压试验 2 含水率检测 含水率 应采用烘干法 并以此校正压实干密度 在统计合格率时 应以校正后的干密度为准 现场往往采用快速法测定含水率 快速测定含水率的方法有酒精燃烧法 红外线烘干法 电炉烤干法和微波含水率测定法等 酒精燃烧法 红外线烘干法多用于粘性土 微波含水率测定法适用于土粒径 0 5mm 含水率为0 30 的粘性土 电炉烤干法适用于砾质土 3 密度检测 环刀法 采用容积不小于100cm3的环刀测定 方法与室内试验类似 一般需配置6 12个 堤防工程施工规范 10 4 1之3规定 压实质量检测的环刀容积 对细粒土 不宜小于100cm3 内径50mm 对砾质土和砂砾料 不宜小于200cm3 内径70mm 含砾量多环刀不能取样时 应采用灌砂法或灌水法测试 若采用 土工试验方法标准 规定方法以外的新测试技术时 应有专门论证资料 经质监部门批准后实施 灌砂法 分为用套环和不用套环两种 不用套环时 在试验地点 将面积约40cm 40cm的一块地面铲平 在检查填土压实密度时 应将表面未压实的土层清除掉 并将压实土层铲去一部分 其深度视需要而定 使试坑底能达到规定的深度 在刮平的地面上按规定的尺寸挖试坑 挖坑时应将已松动的试样全部取出 放入盛试样的容器内 将盖盖好 称容器加试样的质量 并取代表性试样测定含水率 称盛量砂容器加量砂质量 在试坑上放置防风筒和漏斗 将量砂经漏斗灌入试坑内 量砂下落速度应大致相等 直至灌满试坑 试坑灌满量砂后 去掉漏斗和防风筒 用直尺刮平量砂表面 使与原地面齐平 将多余的量砂倒回量砂容器 称量砂容器加剩余量砂质量 按规程公式计算湿密度和干密度 灌水法 与灌砂法类似 是在挖好的试坑内 先铺一层或两层厚0 1mm塑料薄膜 然后向试坑内灌满水 量测试坑体积 推算土的密度 其试验要点如下 在试验地点 整平地面 面积要大于套环面积 按确定的试坑直径划出坑口轮廓线 在轮廓线内下挖至要求的深度 将坑内的试样装入盛土容器内 称试样质量 测定含水率 试坑挖好后 放上相应的套环 并用水准尺找平 将大于试坑容积的塑料薄膜沿坑底 坑壁紧密相贴 记录储水筒内初始水位高度 打开储水筒内注水开关 将水缓慢注入塑料薄膜中 当水面接近套环上边缘时 将水流调小 直至水面与套环上边缘齐平时关注水开关 不应使套环内的水溢出 持续3 5min 记录储水筒内水位高度 按规定公式计算湿密度和干密度 灌水法试验比较简单 但由于塑料薄膜顺从性较差 铺设时若不注意 可能会产生塑料薄膜与坑壁脱空 使测量的试坑体积偏小 导致密度变大 核子射线法 此种测试方法的原理是 利用放射性物质中的高速中子和土体中氢原子撞击损失能量来测定土中体积含水量 利用 射线通过土中时与土颗粒的原子冲击散射的特性 测定到达土中的 射线计数来换算土的密度 核子水分密度仪操作时应注意 仪器开机后应预热10 15分钟 否则 测量结果可能会出现较大的误差 每次测试前应在标准块上检查其仪器储存的标准计数 所测试的地面应铲平 以保证仪器底部与地面有良好的接触 测量时应保证源杆插入测孔既定深度 并根据测量要求规定测量时间 4 土的碾压试验 试验目的核实上堤土料设计标准的合理性选择碾压机械的类型选择相应的施工碾压参数研究填筑施工工艺与措施 碾压试验的基本原理 方法和参数组合试验前需进行试验设计 根据理论计算并结合工程经验 先初步选定几种碾压设备和拟定若干个碾压参数 并采用逐步收敛法固定其它参数 变动一个参数 通过试验得出该参数的最优值 固定此最优参数和其它参数 变动另一个参数 用试验求得第二个参数 依此类推 使每个参数通过试验求得最优值 最后用全部最优参数值再进行一次复核试验 若结果满足设计 施工要求 即可定为施工碾压参数 碾压试验要点试验前 应先对料场进行调查 并进行土料的物理力学试验 根据物理力学指标选择代表性土料进行试验 现场描述 碾压试验 压实土体结构破坏状态 粘性土 粘碾 弹簧土 龟裂 上下土层结合情况 砂砾料 堆石 压碎及架空情况 取样试验 试验场地布置 试验步骤 铺土厚度 松土层和压实后 干密度 含水率 压实后 10 x20 m2 砂砾料 6x10 m2 粘性土 1 5 2 0 mx 1 5 2 0 m的方格网 网点即为测点 整平 压实地基 测量起始高程 按预先设计的铺土厚度和其它碾压参数进行碾压 成果整理 1 对粘性土 砾质土 应绘制干密度 含水率与碾压遍数 铺土厚度等关系曲线 2 对砾质土还应绘制砾石含量与压实干密度的关系曲线 3 绘制最优参数值的干密度 含水率的频率分布曲线与累积频率曲线 以确定设计干密度合格率 根据以上成果并结合工程具体条件 提出试验报告 设计标准的合理性 粘性土的最大干密度 最优含水率及控制范围 并与室内击实试验成果比较 分析其合理性及压实度标准 提供施工参数 铺土厚度 碾压遍数等 确定压实干密度的合格率 5 压实度 粘性土的填筑标准用压实度 D 表示 压实度的定义如下 df dmax 100 D x 6 统计的质量控制 频数表和直方图 X R控制图X控制图是应用平均值作控制图 如下图 LCL CL UCL 组号 测定值 X