关于填土压实度不确定性的探讨

杨青山 胡海英

【摘要】根据压实度的定义，探讨了压实度作为填土压实质量的控制指标自身存在的不确定性。这些不确定性因素包括影响室内干密度指标的击实试验自身的一些因素，如击实试验的可重复性、击实筒尺寸、余土高度、超尺寸颗粒的剔除等；也包括室内试验与现场试验在试样、受力条件与压实方法等方面的差别。依此指出用压实度指标作为唯一重要的指标来控制填土压实质量，存在问题或缺陷，故需与其他指标一起加以规定和控制，才能保证填土工程质量，改善其工程性能。

【关键词】压实度，指标，不确定性

1 前言

填土的压实效果和施工质量通常都是用压实度来控制，因此压实度的准确与否对填土的压实质量起着至关重要的作用。压实度定义为现场检测的干密度与同种土在室内进行标准击实试验所获得的最大干密度之比值，故获得的室内最大干密度与现场干密度准确与否，及室内试验与现场试验间的差异，必然影响到压实度的准确性，这就造成了压实度指标自身的不确定性。下面对这些因素进行具体分析。

2 压实度的不确定性分析

2. 1 室内最大干密度的不准确性

影响室内最大干密度准确性的因素主要有以下四个方面：

2.1.1 击实试验结果的可重复性不好

Torrey与Donaghe（1991）以及Houston与Walsh（1993）已经证明室内击实试验确定的最大干密度受多种因素影响，同一个试验操作人员对同一种土样反复进行AASHTO T 99-94的操作，所得的试验结果不同，最大干密度约在其均值±2%范围内，最优含水量在其均值±10%范围内[1，2]。同样的试验人员、试验土样以及试验程序在不同的试验室内进行，试验结果的重复性更差，其最大干密度与最优含水量的分布范围比前者扩大了一倍。图1为Walsh给出的一试验点含水量与干密度的統计变化[3]，图2为Torrey与Donaghe针对美国独立试验室协会（American Council of Independent Laboratories）对低液限粉土（ML）进行ASTM D698-58试验所得数据的统计[1]，两图都清楚的表明同一种土的击实试验结果可重复性较差。而在《公路土工试验规程》（JTJ051-93）的击实试验（T0131-93）中，没有涉及任何可重复性试验及结果处理的规定。

图1 某一点测定含水量与干密度的变化统计分析图 图2 美国独立试验室协会对同一种低液限粉质

土（ML） 进行98组重复性ASTM D698-58试验结果

2.1.2 击实筒尺寸大小影响

Torrey与Donaghe（1991）得出的对于同一种土在同一击实功下其最大干密度与击实筒的尺寸之间的关系如图3所示[1]，图中曲线显示，最大干密度随击实筒的直径增加而增大，对于不同的试验方法，最大干密度随击实筒直径变化的大小不同。

图3 击实筒直径对最大干密度的影响 图4 余土高度与最大干密度关系

2.1.3 余土高度的影响

试样击实后，一般总会有部分土超出击实筒顶，超出部分的土高度称为余土高度。试验中由于余土高度不一（有时筒未击满，余土高度为负），使得试验数据分散，而且影响干密度的大小，一般随着余土高度增大，干密度偏小。理论上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。图4是张志权在试验的基础上得出的最大干密度与余土高度之间的关系[4]，可以看出，余土高度控制在-3～3mm之间时，最大干密度值所受影响不大；超出这个范围后，最大干密度变化较大。因此，在试验过程中，余土高度应控制±3mm范围内。《公路土工试验规程》 （JTJ051-93）的击实试验（T0131-93）中要求余土高度应小于6mm，可见控制范围偏大。

2.1.4 超尺寸颗粒剔除的影响

室内击实试验所用击实筒的尺寸是有限的，因此对室内击实试验所用的土样要限制最大颗粒尺寸，这样剔除超尺寸颗粒后的土样的最大干密度不同于原土样，要对其进行校正。《公路土工试验规程》（JTJ051-93）的击实试验（T0131-93）中规定大于38mm（重型击实试验）的超尺寸颗粒土的含量在3%～30%时要进行校正，校正后的最大干密度与室内试验得出的最大干密度之间的关系为：

（1）

式中：ρ'dmax--校正后的最大干密度，g/cm3；

ρdmax--粒径小于38mm的土样试验所得的最大干密度，g/cm3；

P--粒径大于38mm颗粒的百分数，%；

Gs2--粒径大于38mm颗粒的毛体积比重，计算至0.01；

由式（1）可知，当剔除颗粒比重大于小尺寸的颗粒比重时，校正后的干密度要大于校正前的。

Omotosho（2004）针对含有超尺寸粗颗粒的红土进行颗粒剔除后的击实试验，得出了最大干密度不仅与剔除的超尺寸粗颗粒数量E有关，而且与土中所含有的粗颗粒总含量λ有关（这里的粗颗粒为石英物）的结论，三者之间的关系如图5所示[5]。可以观察到，粗颗粒总含量λ一定时，最大干密度随着剔除颗粒的数量E增加到一峰值，之后持续降低；粗颗粒总含量λ增加时，最大干密度与剔除颗粒数量E的关系曲线上移，说明最大干密度是增加的。

由此可见，对于含有砾、砂等粗颗粒的填土，室内击实试验获得的最大干密度与现场测定的差别很大，以《公路土工试验规程》（JTJ051-93）的击实试验（T0131-93）中的校正方法来校正，其准确性还有待于进一步研究。

图5 最大干密度与剔除颗粒数量及粗颗粒总含量之间的关系

2.2 室内试验与现场试验的差别

2.2.1室内样与现场样的差异[6]

室内标准击实试验制备试样时要将试样进行风干或低温烘干后，用木棒碾散并经过筛、喷水、拌和、然后封存24h等过程，试样经过这样处理后，土颗粒的均匀性以及含水量的均匀性都很好，并且孔隙率较小。同时，在对土样的整个制备过程中，原土中含有的氧化铁、氧化铝、有机质等组成的胶结连接受到扰动而至破坏，再经过击实后，这种胶结连接更大大降低。对于现场压实，虽然相应规范如《公路路基施工技术规范》 [7]对填土路基碾压前填料的最大粒径作了规定，不符合规范要求的土颗粒需粉碎后达到粒径要求再进行碾压，但是在实际施工的时候往往很难完全达到规范的要求，这样便使填料中较大尺寸的土块没有被粉碎，尤其是工程底部填土，这样填料的均匀度就很差，在一定的压实功能及含水量下压实，超尺寸颗粒在填土工程中充当了骨架作用、承担了部分外力，使细粒土的压实不充分，这样填土工程中的孔隙率就相对较大。另外，料场的不单一使土的来源也不单一，致使空间上土的颗粒组成不均匀，含水量也不均匀；又由于压实前后降雨使含水过大或日照使含水减少，都会使土的含水量不均匀。所以，实际工程中填料与室内标准击实试验所制备的土样在含水量、颗粒组成、孔隙率等方面都有很大出入，用差异较大的土样测出的干密度来定义压实度就不尽合理了。

2.2.2 土受力时的侧限条件不同

室内击实试验是将土样装在直径为一定值的刚性击实筒中击实，现场压实则是大面积的摊铺与碾压，两者在受力时的侧限条件不同。前面讲过，室内最大干密度的大小受击实筒直径大小的影响，而现场试验可看作击实筒直径远大于室内标准击实筒的情况，那么相同的土样条件、相同的击实方法与击实功下，现场得到的最大干密度将大于室内标准击实筒得出的最大干密度。

2.2.3 压实方法与压实能量不同

压实方法不同，作用力的性质不同，被压材料形成的结构存在差别，会导致性能方面有所不同。Gulhati（1978）归纳了静力压实、冲击压实和搓揉压实三种压实方法下土体的结构形式见表1[8]。室内试验属于冲击压实的方法，而现场压实方法，除了表1中的三种方法外，还有振动压实、振荡压实和夯实。并且现场压实用的任一种压实机械同时包含有几种压实方法的工作原理，正如Terzaghi所说：因为压实方法对压实曲线有影响，因此不应该期望存在任何一种标准性的试验可以产生（描述）普遍合理性的结果，关于压实含水量的结论性信息只能通过用于现场压实的设备进行大规模的现场试验来获得[9]。可见用会使土体产生不同结构和性质的室内与现场试验得出的干密度定义压实度，也就不尽合理了。

表1 压实方法对土结构的影响

压实方法

土的结构形式

最优含水量干侧

最优含水量湿侧

静力压实

絮凝

絮凝

冲击压实

絮凝

絮凝-分散

搓揉压实

絮凝

分散

压实能不同，得到的压实曲线性质就不同，现场压实所用的压实机械除了在压实方法上与室内标准击实试验不同外，在压实能量上也可能不同，从其不同的压实影响深度与平整度就可以窥见一斑，因此这也必然成为导致压实度指标不确定性的一个方面。但对于不同压实方法，其能量的传递与吸收方面有怎样的差异，还需要进一步弄清楚。

3 结论

综上分析，根据压实度的定义，影响室内最大干密度值准确性的各因素，如击实试验结果的可重复性、击实筒尺寸大小、余土高度和超尺寸颗粒的剔除等，以及室内试验与现场试验在土样、土样受力状态以及压实方法与压实能量等方面的差别，都将造成压实度指标自身的不确定性，用这种自身存在不确定性问题的指标作为唯一重要的指标来控制填土压实质量，必然存在一些问题或缺陷。要解决这个问题，可对其它影响填土压实的因素进行研究，从中找出同样重要的因素，确定相应的指标，与压实度一起加以规定和控制，才能保证填土工程的压实质量，改善工程性能。

参考文献

[1] Torrey V H，Donaghe R T. Compaction control of earth-rock mixtures[R].Tech.Rep.GL-91-16， U.S.Army Corps of Engns.，WaterwaysExperiment Station，Vicksburg，Miss，1991

[2] Houston S L，Walsh K D.Comparison of rock correction methods for compaction of clayey soils[J].J.Geotech.Engrg.，ASCE，1993，119（4）：763-778

[3] Kenneth D Walsh，William N Houston，Sandra L Houston. Field implications of current specification design practices[J]. Journal of construction engineering and management，1997，123（4）：363-370

[4] 張志权，王志勇.最大干密度和最优含水量的准确率探讨[J].长安大学学报（建筑与环境科学版），2004，21（2）：7-9

[5] Olujide Omotosho. Influence of gravelly exclusion on compaction of lateritic soils[J]. Geotechnical and Geological Engineering，2004（22）：351-359

[6] 何漓江，刘祖德.室内击实试验与路基施工压实度控制问题探讨[J].中南公路工程，2001，26（3）：80-83

[7] 交通部第一公路工程总公司.《公路路基施工技术规范》（JTG F10-2006） [S]. 北京：人民交通出版社，2006

[8] Gulhati S.K. Engineering properties of soil [M]. New Delhi：Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited，1978

[9] Parsons R.L.， Foster D.H.， Cross S.A.. Compaction and Settlement of Existing Embankments[R]. The University of Kansas，2001