1.4 土的压实性

填土用在很多工程建设中，例如用在地基、路基、土堤和土坝中。特别是高土石坝，往往填方量达数百万方甚至千万方以上，是质量要求很高的人工填土工程。进行填土时，经常都要采用夯打、振动或碾压等方法，使土得到压实，以提高土的强度，减小压缩性和渗透性，从而保证地基和土工建筑物的稳定。压实就是指土体在压实能量作用下，土颗粒克服粒间阻力，产生相对位移，使土中的孔隙减小，密度增加。

实践经验表明，压实细粒土宜用夯击机具或压强较大的碾压机具，同时必须控制土的含水量。含水量太高或太低都得不到好的压密效果。压实粗粒土时，则宜采用振动机具，同时充分洒水。两种不同的做法表明细粒土和粗粒土具有不同的压密性质。

1.4.1 细粒土的压实性

研究细粒土的压实性可以在实验室或现场进行。在实验室中，将某一土样分成6～7份，每份土具有不同的含水量，得到各种不同含水量的土样。将每份土样分层装入击实仪内，用完全同样的方法加以击实。击实后，测出压实土的含水量和干密度。以含水量为横坐标，干密度为纵坐标，绘制含水量-干密度曲线，如图1.24所示。这种试验称为土的击实试验，得到的曲线称为土的击实曲线。

1.最优含水量和最大干密度

在图1.24的击实曲线上，峰值干密度对应的含水量，称为最优含水量ωop，它表示在这一含水量下，以这种压实方法，能够得到最大干密度ρdmax。同一种土，干密度越大，孔隙比越小，所以最大干密度相应于试验所达到的最小孔隙比。在某一含水量下，将土压到理论上的最密，就是将土中所有的气体都从孔隙中赶走，使土达到饱和。将不同含水量多对应的土体达到饱和状态时的干密度也点绘于图1.24中，得到理论上所能达到的最大压实曲线，即饱和度为Sr=100%的压实曲线，也称饱和曲线。

按照饱和曲线，当含水量很大时，干密度很小，因为这时土体中很大的一部分体积都是水。若含水量很小，则饱和曲线上的干密度很大。当ω=0时，饱和曲线的干密度应等于土颗粒的密度ρs。显然除了变成岩石外，碎散的土是无法达到的。

实际上，实验的击实曲线在峰值以右逐渐接近于饱和曲线，并且大体上与它平行。在峰值以左，则两根曲线差别较大，而且随着含水量减小，差值迅速增加。土的最优含水量的大小随土的性质而异，试验表明ωop约在土的塑限ωp附近。有各种理论解释这种现象的机理。归纳起来，可这样理解：当含水量很小时，细粒土颗粒表面的水膜很薄，要使颗粒相互移动需要克服很大的粒间阻力，因而需要消耗很大的能量。这种阻力可能来源于毛细压力或者结合水的抗剪阻力。随着水量增加，水膜加厚，粒间阻力必然减小，颗粒自然容易移动。但是，当含水量超过最优含水量ωop以后，水膜继续增厚所引起的润滑作用已不明显。这时，土中的剩余空气已经不多，并且处于与大气隔绝的封闭状态。封闭汽包很难全部被赶走，因此击实曲线不可能达到饱和曲线，亦即击实土不会达到完全饱和状态。细粒土的渗透小，在击实或碾压的过程中，土中水来不及渗出，压实的过程可以认为含水量保持不变，因此在ω>ωop时，必然是含水量越高得到的压实干密度越小。

图1.24 击实曲线

2.压实能的影响

压实能是指压实每单位体积土所能消耗的能量。击实试验中的压实能用式（1.48）表示：

式中：W为击锤重量，kg，在轻型标准击实试验中击锤重量为2.5kg；d为落距，m，击实试验中定为0.305m；N为每层土的击实次数，标准试验为25击；n为铺土层数，试验中分3层；V为击实筒的体积，0.9474×10-3m3。

图1.25 不同压实功能下的击实曲线（锤质量为4.5kg，落距为45.7cm）

每层土的击实次数不同，即表示击实能有差异。同一种土，用不同的压密能击实，得到的击实曲线如图1.25所示。曲线表明，压实能越大，得到的最优含水量越小，相应的最大干密度越高。所以，对于同一种土，最优含水量和最大干密度并不是恒定值，而是随着压密能而变化。同时，从图中开可以看到，含水量超过最优含水量以后，压实能的影响随含水量的增加而逐渐减小。击实曲线均靠近于饱和曲线。

3.填土的含水量和碾压标准达到工程控制要求

由于黏性填土存在着最优含水量，因此在填土施工时应将土料的含水量控制在最优含水量左右，以期用较小的能量获得较高的密度。当含水量控制在最优含水量的干侧时（如图1.24的A、E点），击实土的结构常具有絮凝结构的特征。这种土比较均匀，强度较高，较脆硬，不易压密，但浸水时容易产生附加沉降。当含水量控制在最优含水量的湿侧时（如图1.24的C、D点），土具有分散结构的特征。这种土的可塑性大，适应变形的能力强，但强度较低，且具有较强的各向异性。所以，含水量比最优含水量偏高或偏低，填土的性质各有优缺点，在设计土料时要根据对填土提出的要求和当地土料的天然含水量，选定合适的含水量，一般选用的含水量要求在ωop±2%的偏差范围内。

要求填土达到的压密标准，工程上采用压实度控制，地基规范中也称为压实系数。压实度的定义是

我国土坝设计规范《碾压式土石坝设计规范》（DL/T 5395—2007）中规定，1，2级土石坝，黏性土的压实度应达到98%～100%，3级中低坝及3级以下中坝，压实度应大于96%～98%。填土地基和路基的压实标准也有相应的规定。

1.4.2 粗粒土的压实性

砂和砂砾等粗粒土的压实性也与含水量有关，不过一般不存在一个最优含水量。在完全干燥或者充分洒水饱和的情况下容易压实到较大的干密度。潮湿状态，由于毛细压力增加了粒间阻力，压实干密度显著降低。粗砂在含水量为4%～5%，中砂在含水量为7%左右时，压实干密度最小，如图1.26所示。所以，在压实砂砾时可充分洒水使土料饱和。

图1.26 粗粒土的击实曲线

粗粒土的压实标准一般用相对密度Dr控制。以前要求相对密度达到0.70以上，近年来根据地震震害资料的分析结果，认为高烈度区相对密度还应提高。室内试验的结果也表明，对于饱和的粗粒土，在静力或动力的作用下，相对密度大于0.70～0.75时，土的强度明显增加，变形显著减小，可以认为相对密度0.7～0.75是力学性质的一个转折点。同时由于大功率的振动碾压机具的发展，提高压密度成为可能。我国的《水工建筑物抗震设计规范》（DL 5037—2000）规定，对于无黏性土压实，要求浸润线以上的材料相对密度不低于0.75，浸润线以下材料的相对密度根据设计抗震烈度大小选用0.75～0.85。

【例1.4】某土料场土料的分类为低液限黏土“CL”，天然含水量ω=21%，土粒比重Gs=2.70。室内标准功能击实试验得到最大干密度ρdmax=1.85g/cm3。设计中取压实度为95%，并要求压实后土的饱和度Sr≤0.9。土料的天然含水量是否适于填筑？碾压时土料应控制多大的含水量？

图1.27［例1.4］三相草图

【解】（1）求压实后土的孔隙比，先按式（1.26）求填土的干密度：

绘三相草图，如图1.27所示，设Vs=1.0，根据干密度ρd，由三相草图求孔隙比e：

（2）求碾压含水量。根据题意按饱和度Sr=0.9控制含水量。由下式计算水的体积：

因此，水的重量为

由式（1.4）求含水量：

即碾压时土料的含水量应控制稍小于18%。料场含水量偏高3%以上，不适于直接填筑，应进行翻晒处理。