余土高度对击实试验的影响研究及优化设计

陈大伟

(重庆交通大学,重庆 400074)

余土高度对击实试验的影响研究及优化设计

陈大伟

(重庆交通大学,重庆 400074)

摘要：击实试验的应用范围极其广泛，为进一步提高试验的质量，针对目前传统击实试验存在的不足，以余土高度对击实试验质量的影响为研究对象，展开相关室内试验以及提出优化设计。室内试验主要对比了余土高度对修补后土样干密度的影响；优化设计方面主要是设计一种护筒脱离的装置，并对其工作机理、操作流程进行了简要介绍。试验结果表明：现有公路土工试验规程有关护筒的脱离技术没有详细规定。文中提出的小击实筒的护筒的脱离器能有效避免击实土样余土高度出现负值的情况，降低土样击实试验的返工频率，提高试验的效率。

关键词：击实试验;余土高度;干密度;优化设计

土样击实试验是试验人员按照规范规程的要求，通过对土样施加击实功以了解土的压实特性的一种方法。这个方法可以测定出土样相应的干密度，进而获得土样的最大干密度、最优含水量，可作为填土工程设计、施工的重要依据。因为击实试验的质量直接影响到填土工程的总体质量和安全性，所以击实试验的成果是十分重要的参数。击实试验的试验质量会受到许多因素的影响，其中包括土样准备方法的影响、余土高度的影响、含水量的影响、润滑剂的影响和土样重复使用的影响等。许多影响因素都是人为造成的，因此很有必要通过对试验过程的设计进行优化以降低某些因素的影响程度，从而提高试验数据的参考价值[1-4]。

在本研究中，使用室内试验的方法，对余土高度，这一影响击实试验质量的因素进行研究。研究分析了不同余土高度下修平后土样干密度的变化规律，其中土样的余土高度并不是刻意控制的；指出现有土样击实试验中有关脱离护筒方面存在的不足，提出相关优化设计。

1余土高度对击实试验效率的影响

土样击实完成后，击实筒内的土体与击实筒的高度往往并不能完全一致，一般总会有部分土超过或未达到筒顶高度,这部分土的高度称为余土高度。试验中，当余土高度出现负值时，根据有关试验规程的规定是需要重做的。在这种情况下，试验的效率势必会受到影响，尤其当试验量十分巨大时影响更为突出。为此，关于余土高度对修平后干密度的影响进行了大量实验及数据分析。

1.1试验概况及试验结果分析

试验在重庆交通大学土木工程学院的教学实验室进行，试验室条件符合公路土工试验规程的要求。考虑到经济性和试验的代表性，采用某种粉质黏土掺入石灰进行压实处理。该种粉质黏土的性质见表1。试验所用的石灰为熟化后的石灰粉。

表1　土的物理性质

试验共分为3组，每组击实10个。含水量都是20%，第一组掺灰比是0%，第二组掺灰比是9%，第三组掺灰比是12%。相应的不同掺灰比aω时灰土的余土高度见表2，其中余土高度为负值的原因是土样与护筒之间的摩擦力所导致的土样被拔出，这在土样击实试验的操作过程中极为常见且很难避免。

表2　各试验组余土高度 　mm

在进行土样击实试验时，对于上述试验所用粉质黏土以及其他物理性质与此种土样相近的土，将余土高度控制为正值，对于控制好土样的干密度大有裨益。这也与公路土工试验规程中关于击实土样余土高度的有关规定相接近。但是，笔者认为现有的公路土工试验规程中，对于余土高度的规定稍有欠缺。

1.2现有护筒脱离方法的缺陷

公式1为土样干密度的计算公式[5]，由公式1可以看出，土样的湿密度和含水量直接决定了土样干密度的大小，土样的湿密度和含水量由作用在土样上的击实功决定，然而在目前的土样击实试验中，关于土样小击实筒护筒的脱离方法没有详细规定。试验操作人员一般使用小锤敲击护筒两侧用于固定的侧耳，使护筒与小击实筒分离。完成该步操作后，即可将击实筒内多余土样修平以进行土样击实试验的余下操作步骤。

(1)

式中：ρd为干密度，g/cm3，计算至0.01；ρ为湿密度，g/cm3；ω为含水量，%。

然而不难看出现有公路土工试验规程在脱离护筒方面有待补充。对于缺乏试验经验的操作人员，往往不能很好地将余土高度控制在公路土工试验规程要求的高度以内，并且即使能够将余土高度控制在规定的高度以内，由于土样与护筒之间摩擦力的存在、土不具有抗拉的能力以及木槌敲击护筒侧耳时导致的不均匀受力，一般会导致土样小击实筒内的土样带出，在应该修平的土样表面上形成凹向土样小击实筒内部的凹坑，此时一般的做法是往凹坑内填补上土样，然后修平，如图1所示。

需要进行修补的击实土样，其修补后整体干密度的大小由凹坑内修补进去的土样的干密度和凹坑以下土样的干密度决定。凹坑以下土样受标准击实功的作用，其干密度较为接近实际水平；而凹坑内修补进去的土样往往是采用人工锤击补土的方式，其击实功得不到保证，因此这部分土样的干密度很难达到凹坑以下土样所达到的干密度，并且，这种影响是会随着凹坑的大小而变化的，凹坑体积越大，对土样整体干密度的影响就越大。由此可以看出，传统的土样小击实筒护筒的脱离方法容易导致修平后的击实土样的重量出现偏差，因为修补进去的土样达不到击实试验的击实效果。这会给实验结果造成误差，对土样击实曲线的生成造成影响。

图1　现有护筒脱离方法的缺陷示意图

2优化设计

由前述试验可以看出，在实际的土样击实试验中，难以避免由于试验操作所导致的余土高度为负值的情况，控制好余土高度对于减小试验返工次数、提高试验效率有极大的现实意义。

2.1小击实筒的护筒的脱离器简介

为避免现有土样小击实筒的护筒与小击实筒脱离时容易导致击实土样被带出，造成余土高度不合格的情况，笔者提出一种小击实筒护筒的脱离器，这是一套土样击实试验的辅助装置。其主要的工作机理是利用杠杆原理，在不影响击实土样稳定的条件下，通过顶推盘顶住试样，将护筒脱离。在该试验辅助装置研制成功的基础上，笔者通过室内试验验证了该试验辅助装置的效果，可以有效避免余土高度出现不合格的情况，提高土样击实试验的试验质量，并给出了相应的操作流程。但由于其未进行多种素土、灰土的室内试验，故该套试验辅助装置的实际应用效果还有待验证。

本试验辅助装置解决技术问题所采用的技术方案是：不对现有土样小击实筒作改动，在土样击实完成后，将护筒和小击实筒从底板上取下，采用一个外径略小于土样小击实筒内径的钢制圆盘压于护筒内击实土样表面，通过对钢制圆盘施加外力，使护筒从小击实筒上脱离，达到提高土样击实试样精确度的目的。本试验辅助装置的有益效果是，可以保证修平后的击实土样的重量不出现偏差，保证土样击实实验的准确性，并且结构简单，操作方便。

小击实筒护筒的脱离器(简称脱离器)是一种小击实筒的护筒的脱离装置。主要由上握杆、下握杆、传力栓、固定盘、顶推盘5部分组成，其结构见图2和图3。

图2　小击实筒护筒的脱离器结构简图

图3　小击实筒护筒的脱离器立体图

小击实筒护筒的脱离器基本工作原理是将组装完成的土样小击实筒护筒的脱离器安装在护筒上，安装方式为首先将固定盘嵌入护筒上部，然后握紧上、下握杆的后端使之并拢，利用杠杆原理顶出护筒，如图4所示。

图4　脱离器工作机理示意图

2.2小击实筒的护筒的脱离器操作流程

考虑到土样击实试验的试验流程并结合公路土工试验规程(JTG E40—2007)，制定如下小击实筒的护筒的脱离器试验操作流程：

(1)按照公路土工试验规程(JTG E40—2007)的规定将土样击实完成，将小击实筒连同护筒从底板上小心地取下，注意做好土样外露面的防失水措施[5]。

(2)将组装好的土样小击实筒的护筒的脱离器安装在护筒上，安装方式为首先将固定盘嵌入护筒上部，然后使用将脱离器固定在护筒的侧耳上。

(3)用手握住上、下握杆后端，用力握紧两杆后端使之并拢，护筒被顶出，取下脱离器。

(4)取下脱离器，将多余土样仔细削去并擦净小击实筒外表面。

(5)按照公路土工试验规程(JTG E40—2007)的规定进行土样击实试验余下实验步骤。

整个小击实筒的护筒的脱离器操作流程可概括为上述5个步骤，主要的操作流程、操作示意如图5和图6所示。

图5　脱离器的工作流程

在整个操作过程中，需要做好土样的防失水工作，对于击实试验中所用到的劳保用品以不吸水为宜。

图6　脱离器的操作示意图

3结论

(1)利用笔者提出的护筒脱离器将护筒与击实筒分离，使余土不受干扰、结构简单、操作方便。

(2)采用笔者提出的小击实筒的护筒的脱离器能有效避免脱离护筒后余土高度为负值的情况，减少试验重做的次数。当土样击实试验的试验量很大时，这对提高试验效率是十分有利的。

由于在本次试验中，对击实土样进行修补是采用人工补土的方式，不同试验操作人员所修补土样的干密度往往会产生差异，试验的代表性略有欠缺，因此需要在后续的工作中进行完善。

参考文献：

[1]陈辉，雷胜友.土的击实试验影响因素[J].建筑科学与工程学报，2005,22(2):69-71.

[2]刘鹏.室内土工试验数据准确性探讨[J].科技信息，2011(23):60-61.

[3]朱孟春.室内土工试验的质量提高方法研究[J].建筑科学，2014(22):64-65.

[4]曾凡稳.土的室内击实试验结果影响因素及分析[J].中外公路，2009,29(6):250-253.

[5]中华人民共和国交通部.公路土工试验规程：JTG E40-2007[S].北京：人民交通出版社，2007.

Study and optimized design of compaction test affected by residual soil’s height

CHEN Dawei

(ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074，China)

Abstract：The application of compaction test is extremely sweeping. In order to improve the quality of the test, emphasize on the affect by residual soil’s height, some relevant lab test was carried out and the optimized design was put forward as well which based on the actual compaction test experience and blotted out the disadvantages of traditional test. The lab test mainly analyzed the dry density of the soil sample which was repaired and affected by residual soil’s height after and before test. In the optimized stage, an device was produced that its liners can be separated, which was told by its principle and operation. The conclusion shows that no details about detachment technology can be ascertained in the existing highway soil test specification, the device that is developed by the author, can effectively avoid the negative value of compaction soil sample’s height. The reworking frequency of making soil sample is reduced, therefore the efficiency is improved.

Key words：compaction test; residual soil’s height; dry density; optimized design

作者简介：陈大伟(1991-)，男，硕士研究生，主要从事港口、海岸及近海结构工程研究。

中图分类号：TU411

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2016)04-0004-05