基于细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究

湖南大学硕士学位论文细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究姓名：王浩申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：曹喜仁20070514 硕士学位论文摘要为掌握细粒土压实路堤的工程性能并保证长期稳定，需要对压实机理和路用性能进行更深入地研究，也需要研究在施工过程中如何采用合理的规范、压实控制方法以及使用过程中保持其强度与稳定性的技术措施。本文围绕影响细粒土路堤压实的几个主要而又较为复杂的因素，结合国内外的相关规范，依托湖南省交通厅科技进步与创新项目（200544）“公路细粒土路基压实施工技术研究”，对细粒土填料的压实特性和压实控制进行了深入研究。根据含水量与干密度之间的关系，以土体的物理性质和压实曲线为对象，研究了细粒土的压实特性及压实后的工程性质；在此基础上，通过对比分析国内外压实控制标准及指标，提出了适合控制细粒土压实质量的建议指标。具体地说，得到了以下有益研究成果和建议：（1）研究了细粒土的全压实曲线，在总结前人研究全压实曲线特征和建立4参数全压实曲线方程的基础上，验证了全压实曲线方程的正确性，探讨了4个参数对全压实曲线的影响及其自身的影响因素；探讨了细粒土压实曲线形状与土体物理性质的关系，并建立起了土体物理性质指标与全压实曲线方程参数之间的量化关系；（2）通过对三种细粒土土样在不同击实功下的强度试验，包括无侧限抗压强度、直接快速剪切试验和CBR（泡水和不泡水）试验，探讨了土体压实含水量、压实度和孔隙比、空气体积率对强度的影响，并研究了压实填土的强度指标随含水量的变化情况及其沿全压实曲线的分布状况；（3）分析了压实度和含水量对变形特性的影响，并通过室内压缩试验，得到了压缩试验的荷载p与孔隙比e关系、压实度与孔隙比e之间的关系，探讨了压实填土的压缩性与填土压实状态的关系；（4）对日本、美国等国家的土质路基压实控制标准与我国标准进行了详细的对比分析，指出日、美等国家根据土的颗粒组成划分压实度标准有其合理性；并通过对三种细粒土压实后的压实状态与强度、孔隙比、空气体积率之间关系的对比分析，发现对于高速公路细粒土填料来说，路堤压实采用压实度、空气体积率双指标控制压实质量比较合理，并提出了建议的控制指标值。关键词：细粒土；土体物理性质；压实特性；全压实曲线方程；工程性能；压实控制标准；压实度；空气体积率I 硕士学位论文AbstractInordertofindouttheengineeringperformanceoffine-grainedsoilembankmentandkeepit’sstabilitylongtime,deeplystudyoncompactionmechanismandengineeringperformanceneedstobecarriedon,andalsoneedstostudytheconstructionprocessinthereasonablerules,thecompactioncontrolmethodsaswellastheuseprocessmaintainsitsintensityandthestabletechnicalmeasure.Inthisarticle,aroundseveralinfluencefactorstobemainandanalsomorecomplexoffine-grainedsoilsembankmentcompaction,combiningthedomesticandforeignrelatedstandards,relyingontheHunanProvincetransportationDep.advanceintechnologyandtheinnovationproject(200544)"theresearchoffine-grainedsoilembankmentcompactionconstructionengineering",thefine-grainedsoilpaddingcompactioncharacteristicandthecompactioncontrolhavebeenresearcheddeeply.Withtherelationsbetweenthedensityaccordingtothewatercontent,takingthesoilphysicalpropertyandthecompactioncurveastheobject,thefine-grainedsoilcompactionpropertyandtheengineeringperformancehavebeenstudied;Inthisfoundation,basedonanalyzingthedomesticandforeigncompactionscontrolstandard,thesuggestioncontrolindexisproposed;thebeneficialresearchresultsandsuggestionareobtainedasbelow：(1)Thecompletecompactioncurveofthefine-grainedsoilwerestudied,andatthebaseoftheinsummarizesthepredecessortostudythecompletecompactioncurvecharacteristicandtoestablish4parameterscompletecompactionequation,weidentifytheaccuracyoftheequation,thenanalysistheinfluenceoftheequationparametersontheshapeofcompactioncurveanditsowninfluencefactor;Afterdiscussingtherelationshipbetweentheshapeofthecompactioncurveandthesoilphysicalproperties,webuildupthequantitativerelationshipbetweenphysicalpropertiesindexoffine-grainedsoilsandparametersofcompletecompactioncurveequation.(2)Basedonthestrengthtestsofthreekindoffine-grainedsoilsundertheworkofthreedifferentresistance,includingtheunlimitedcompressivestrengthtests,thedirect-sheartestsandCBRtests(soaksinwaterwithdoesnotsoakinwater),theeffectsofthecompactionwatercontent,compactness,voidratioandthevolumeratioofairtothestrengthofcompactedsoilsarediscussed,thenstudyingthechangeII 硕士学位论文situationofstrengthindexwithwatercontentanditsdistributedconditionalongcompletecompactioncurve;(3)Afteranalyzingtheeffectsofthewatercontentandcompactnesstothedeformationproperty,andthroughcompressivetestindoor,therelationswereobtainedbetweentheloadofcompressivetestandcompactnesswithvoidratio,andthendiscussingtherelationsbetweencompressibilityandcompactionconditionofcompactessoils.(4)Itwasreasonablethatcompactnessstandardwasdevidedaccordingtotheparticlecomposition,basedondetailedcomparingthecodesofourcountry,JapanandU.S.A.;Andthroughthecontrastanalysisbetweenthestrength,voidratio,thevolumeratioofairandcompactionconditionofthreekindoffine-grainedsoils;Itquiteisreasonablethat,forthefreewayembankment,thefine-grainedsoilpaddingiscompactedunderdoubleindexcontrolofthecompactnessandtheairvolumerate,andthesuggestioncontrolindexisproposed.Keywords:fine-grainedsoils;physicalpropertiesofsoil;compactionproperty;thecompletecompactioncurveequation;engineeringperformance;compactioncontrolcriterion；compactness；thevolumeratioofairIII 湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。作者签名：日期：年月日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。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分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。本学位论文属于1、保密□，在______年解密后适用本授权书。2、不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日 硕士学位论文第1章绪论1.1选题背景及意义土是岩石风化的产物或再经各种地质作用搬运、沉积而成的，土粒之间的孔隙由水和气体所填充，因此，土是一种由固态、液态和气态物质组成的三相体系。与各种连续体(弹性体、塑性体、流体等)比较，天然土体具有一系列复杂的物理力学性质，而且容易受到环境条件变动的影响。我国地域辽阔，由于自然地理环境的不同，分布着多种多样的土类。即便同一种土类，在不同的地理历史环境中也会表现出某些特殊的工程性质。现有的土力学理论虽是指导我们从事岩土工程实践重要的理论基础，但还难于模拟、概括天然土体在外荷载作用下所表现出的各种力学性状的全貌，因而还须通过实验、实测并紧密结合实践经验进行合理分析，才能得到实际问题的妥善解决办法。路堤是许多交通设施的基础，通过对其施工质量的控制来维持路面的平整、保持边坡的稳定。对于路堤的质量控制，主要通过选择合适的填土、含水量和均匀压实来实现。压实使路堤具有足够的密实度，这对于公路的路基路面具有十分重要的意义。压实可以充分发挥路基土和路面材料的强度，减小路基路面在重复行车荷载作用下的永久变形，减小路基土和路面材料的透水性，保证路基路面的稳定性。如果压实不足，在道路开放交通后，路面容易产生早期破坏，在使用过程中，就可能产生车辙、裂缝、沉陷和水毁，甚至可能引起整个路面产生剪切破坏，影响路面的使用性能和使用寿命。近些年来，随着我国经济建设的高速发展，道路建设也正处于大规模发展的黄金时期。交通量和轴载迅速增长，对行车速度和舒适性的要求也不断提高。然而，在对我国公路建设成就感到欣慰的同时，却也不能不对一些公路建设的质量(主要是路基路面的质量)感到遗憾。其中的原因固然很多，既有管理方面的原因(如施工合同标价低，施工工期短，突击抢工，不按照设计要求和施工规范对路基路面进行认真压实)，也有技术方面的原因(规范本身不够合理、完善)，造成路面局部沉陷或过早破坏，恶化了路面的行驶性能，由此造成巨大的经济损失（公路路面的建筑费用往往占总投资的20%-50%。在我国，新建高速公路路面的投资一[1]般占到总投资的20%-25%[沙庆林]）[2]在国外，一些90年代末期修建的路堤也出现了失稳问题，或者产生过量的[3]沉降；有的道路在开放交通不久就出现了路面粗糙和凹凸不平，导致修复的成本很高。造成这种局面的原因是多方面的。一是路堤填筑施工期间，现场监理与1 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究施工技术人员对适合填土的经验鉴别技能和所依据的鉴别方法本身存在不足，二是当前的施工验收规范存在问题。细粒土路堤的机械压实已有很长的历史，并且积累了丰富的工程实践经验，但依然有许多因路堤压实问题而引起路面的病害、破坏或沉降。由于影响细粒土填料压实的因素十分复杂，加上土本身的不均匀性和各向异性的特点，以及在投入使用过程中受环境条件、重复交通荷载等影响，因此涉及细粒土路堤压实而需要深入研究的理论问题与实际问题很多。因此，本文拟以现有的土力学理论为基础，通过实验、实测等手段，并紧密结合实践经验，对细粒土地区路基填料的压实特性、路用性能、压实控制等方面的问题进行系统研究，为细粒土地区公路设计和施工控制提供理论依据和技术支持。1.1.1研究对象土广泛地分布于地壳表面，其性质随形成过程和自然环境的不同而有所差异。就其成因来说，它是由岩石经过物理风化、化学风化及生物风化作用后的产物，是由各种大小不同的土粒按各种比例组成的集合体。土粒之间的孔隙由液体和气体充满，因此天然土是由固相、液相和气相三相物质组成，三相之间的相互比例不同，土的工程性质也有所不同，因此，在进行工程建设时，必须结合土的实际性质进行设计和施工，否则会影响工程的经济合理性和使用的安全性。为了有效地研究和合理地利用土料，势必要对土有一个行之有效的分类。统一合理的土质分类不仅为广大工程人员选择土料、利用土料或评价土性提供方便可靠的依据，而且便于彼此间交流土工经验，因此成为从事岩土工程的最基本要求。我国公路用土先根据粒度范围划分粒组，按照粒组含量可划分为巨粒土、粗粒土和细粒土。在公路工程中，细粒土是指粒径小于0.074mm的细粒组（粉粒和粘粒）土体[5]质量大于总质量的50％的一类土体。将我国《公路土工试验规程》TJT051－93中关于细粒土分类进行整理，如表1.1所示。其中，细粒土再采用塑性图法进一步划分为高液限粉土、低液限粉土、高液限粘土和低液限粘土，见图1.1。图中Ip=10和Ip=6两条横虚线之间的区域为过渡区，可由低液限粉土ML过渡到低液限粘土CL。表1.1我国《公路土工试验规程》细粒土分类表50％≤F0.075≤75%F0.075≥75%含有机质含粗粒的细粒土细粒土有机质土有机质粉土A线有机质粘土A线含粗粒粉土含粗粒粘土粉土粘土以下以上2 硕士学位论文图1.1我国《公路土工试验规程》采用的细粒土塑性图本文的研究对象是粒径小于0.074mm的细粒组（粉粒和粘粒）土体质量大于总质量的50％的细粒土。细粒土一般具有团聚结构，孔隙细小而多，压缩性较大，液塑限较高，并具有一定的胀缩性能。由于细粒土中粉粒和粘粒等亲水性较强的粘土矿物含量较多，影响细粒土物理性质的不仅是它的粒度组成，而更重要的是它的矿物成分、交换阳离子的成分及其水化能力。细粒土与水相互作用所表现出来的特性之一—塑性便是细粒土理想的性能指标。塑性指数(IP)这一反映细粒土具可塑性的含水量变化范围的指标，在数值上与土中弱结合水的渗透吸水量大体相当，亦可粗略地反映土粒与水作用形成双电层的厚度。塑性指数愈大，土所呈现的塑性愈强。细粒土的塑性与其粘粒的分散程度有关，并随胶体颗粒含量的增多而增强。液限值随粘粒含量的增多而增大，随砂粒含量的增大而减小。1.1.2压实的物理过程土体压实就是通过对土体施加外力，使土体颗粒重新排列和相互靠近，小颗粒进入大颗粒的孔隙中，增加单位体积内固体颗粒的数量，减小孔隙率(或空气率)，提高材料的密实度，从而提高土的抗剪强度，减小其压缩性。在某些情况下(如土坝、垃圾填埋场的隔渗垫层)，还需要降低其渗透性。尽管压实是所有填土工程中十分重要的工作内容，但在实际工程中却往往被随意对待。用某种工具或机械对路基填料进行压实时，在压实机具的短时荷载或振动荷载作用下，将产生不同的物理过程。用细粒土填筑路堤时，土通常包括两部分，一部分是有单个土颗粒粘聚在一起形成的大小土团或土块；另一部分是单个土颗粒。在粘性大的土中，往往主要是大小不一的主块。单个土颗粒也是有大有小。因此，在通常情况下对这种路基土进行碾压时，产生的物理现象有：（1）使大小土块重新排列和相互靠近，（2）使单个土颗粒重新排列和相互靠近，（3）使土块内部的土颗粒重新排列和相互靠近，3 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究（4）使小颗粒进入大颗粒的孔隙中。多种路基结构层填料通常主要是由各种不同粒径的单个颗粒组成的。在碾压过程中，主要发生的现象是颗粒重新排列、相互靠近和小颗粒进入大颗粒的孔隙中。产生这些不同物理过程的结果是，增加单位体积内固体颗粒的数量，减小孔隙率。对于细粒土的压实，仅是从孔隙中将空气挤出来，而不是将水挤出来。因为，一般碾压机械的短时荷载或振动荷载是不能将粘性土中的水挤出来的。碾压的越密实，单位体积内的固体颗粒越多，空气越少。这些三相体的压实过程可以一直进行到几乎土中的全部空气被排出。1.1.3压实的基本方法现代压实设备一般是利用以下四种压实方法的一种或将几种方法结合起来压实土体:①夯实（冲击压实）②揉搓压实③滚压④振动压实。滚压是利用有一定质量的滚轮慢速滚过铺层，用静压力使铺层土体获得永久残留变形。其实质是通过克服颗粒之间的摩擦力使颗粒大范围内运动达到土体的密实。随着滚压次数的增多，颗粒间的摩擦力增大。因此，静压作用的密实效果不是无限的。相反，无限增加静荷载，反而会破坏土体的结构，降低土体的强度。滚压的特点是循环延续时间长，土体应力状态的变化速度不大，但应力较大。搓揉压实是通过引入剪切的力来压实土体。比如羊角碾和夯击碾。为了更好[4]地模拟这种压实机理，最为常见的一种搓揉压实试验是哈佛微型压实试验。不过，无论是ASTM还是AASHTO，目前都没有关于使用哈佛微型压实模型装置的推荐方法，它主要还是用于科学研究。夯实是利用一个物体从一定高度上自由落下时产生的冲击力，将材料压实。夯实的特点是对材料所产生的应力变化速度大，特别对粘性土有较好的压实效果。它的另一种形式是强夯,这种形式的压实是利用一台起重设备和一个大质量的夯锤来实现的。振动压实是由固定在振动压路机上的振动器所产生的高频振动传给压实土体，使其发生接近自身固有频率的振动，消除颗粒间的摩擦力，使小颗粒充填到大颗粒填料的孔隙中，增加密实度。其特点是表面应力不大、过程时间短、加载频率大，可广泛应用于粘性小的材料，如砂砾土、砂土等。4 硕士学位论文1.2国内外对细粒土压实的研究现状1.2.1细粒土的压实特性及压实机理各种细粒土、天然砂砾土等经过压实后，在单位体积内通常包含固体颗粒、水和空气等三部分，通常称为三相体。此三相体中，水和单个颗粒是不可压缩的，空气也只有在密闭容器内才是可压缩的，但在土体内也是不可压缩的。因此，要使单位体积内的固体颗粒增加，只有采取措施使土体内的空气和水排出。用机械碾压就是施工现场所采取的主要措施。对于粘性细粒土，用一般碾压机械的短时荷载或振动荷载是不能将水排出来的。因此，本质上，压实过程就是使土中的空气排出，提高密实度。碾压得越密实，单位体积内的固体颗粒越多，空气越少。在某一含水量时，土的理论最大密实度就是土中空气等于零，土为两相体。但通过压实完全消除土中的空气是不可能的。[6][8]早在30年代，R.R.Proctor和A.E.Kelso对土的压实进行了研究。前者于1933年连续四期在EngineeringNews-Record、后者于1934~35年在Proceedingsof[6]theInstitutionofCivilEngineerings发表了各自的研究成果.Proctor认识到含水量对压实过程的影响主要是发挥其毛细作用和润滑作用。他认为，压实曲线在“最优含水量”处出现“转折”的原因与毛细作用和摩擦力有关；由于表面张力使土中束缚在土颗粒表面的水分子形成薄的水膜，当水膜相接触后，由表面张力所形成的毛细压力使土颗粒紧紧地吸引到一起，形成粒间的摩阻力。施加的压实功就是消耗于克服粘性土粒间的摩擦力。随着含水量从干侧持续增加到湿侧，水在粒间起润滑作用，减小了粒间摩擦，因此降低了土的抗剪强度，在压实过程中，颗粒相互间更易滑动，使压实干密度增加。水继续增加，直至水开始占据空气孔隙时，压实过程就完成了。再增加压实能量并不会增加土的密实度。Proctor关于毛细作用形成土体抵抗压实作用的抗剪强度的观点与后来的研究结果是一致的，不过他更加强调“润滑”的作用。[7]C.A.Hogentogler土体压实的另一理论─粘滞水理论。他推断，颗粒表面第一层吸附水具有很高的粘滞性，随着吸附水离颗粒表面的距离越远，粘滞性下降，吸附水渐次成为自由水。土粒被认为由粘滞水的接触表面所分隔。根据这一理论，当含水量较低时，接触点间水的高粘滞性使土的抗剪强度很高，从而导致土的干密度很低(难于压实)。随着含水量增加，吸附水层增厚，粘滞性降低，使抗剪强度减小，干密度增大。但只有当含水量不超过某一限值时，粘滞性减小。当含水量超过此限值后，再增加含水量就产生“润滑”作用，他推定最大的润滑作用发生在“最优含水量”时。当超过了最优含水量，土颗粒发生位移，使干密度降低。1955年以后的研究发现，大多数粘粒表面吸附水的厚度不大，约为几个分子层，尽管关于吸附水粘滞性的数据多少有些矛盾，但没有一个超过了头几个分子5 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究层。大多数土体被压实所采用的含水量似乎远远超过了吸附水的粘滞性起着重要作用的含水量。[4Hausmann对Hogentogler的粘滞水理论进行了概括。他认为在压实过程中，水起润滑作用，并把压实曲线分为四个阶段：(1)随着水被土体吸附，土变成含水物；(2)水开始起到润滑作用，有助于土颗粒重新排列，土体开始越来越密实，直至达到最优含水量；(3)水持续增加，土体因水过多产生膨胀；(4)随水的增加，土体接近饱和。但研究表明，土体压实不可能达到完全饱和，压实曲线的湿侧趋向于平行于饱和曲线(Zeroairvoidcurve)而不是与之相交。[9]T.W.Lambe研究了压实对粘性土微观结构的影响，提出了基于物理化学特性(Physicochemicalproperties)的理论。[10]R.E.Olson认为，上述三种解释含水量对粘性土压实曲线影响的理论，即Proctor的“毛细作用与润滑”理论、Hogentogler的“粘滞水”理论、Lambe的“物理化学特性”理论，都没有得到室内试验的检验。Olson认为，上述几个理论很大程度上都是推测的。因此，他提出用有效应力原理来解释含水量对土体压实的影响。（1）当粘性土的含水量小时，在一定击实功作用下，虽然此时土粒外围水膜较薄，粒间粘结力较强，可以抵消部分击实功的作用，土团不易被打散。同时，此时土的排列方向很不规则，呈片架结构，所以干密度较小。但是，在含水量增大到最优含水量之前，总的来说，土中气体与外界连通，在击实能量的作用下，气体被排除；（2)随着土的含水量增大，土粒表面的水膜增厚，颗粒之间的联结力减弱，对击实能量的抵消作用越来越小，颗粒之间发生位移所需克服的摩擦力明显减小，增加的水量犹如滑润剂的作用，因此在相等外力做功的条件下颗粒镶嵌比较顺利，因而干密度随着含水量的增加有较快的增大；（3）当土的含水量接近最优含水量时，土中仍有封闭气体，击实时水、气都不易排除，土中产生孔隙压力。根据土的有效应力原理，此时土粒间的有效正应力减小，因此土的抗剪强度降低，即孔隙压力的产生抵消了击实功的作用。这时含水量的变化对干密度的影响并不明显(击实曲线的坡度平缓)，但此时土粒的水膜增厚，粒间联结力减小，使得土粒在击实功作用下排列更加定向；（4）当土的含水量超过最优含水量时，水份的增多会使孔隙中水的体积增加，饱和度增大，孔隙水压力抵消了相当一部分外力，而且一部分排气通道被孔隙水堵塞成封闭气体，封闭气体在外力作用下体积收缩，外力消失后又恢复到原体积，由此消耗一部分击实功，加上土体侧壁摩擦力的存在，使引起颗粒位移的有效功进一步减小，故击实效果不显著，击实干密度逐渐变小。由于此时水膜更厚，土粒更易被击实成为定向排列，呈片堆结构；6 硕士学位论文（5)图2.1右上侧的曲线是饱和曲线，它表明土在饱和状态时(Sr=100%)含水量与干密度的关系，ρ1ww%=−×100%(1.1)satρdds式(1.1)中：ds是土的比重，ρd是土的干密度，ρw是水的密度。从图可见，饱和曲线与击实曲线不相交，这是因为在任何含水量下，土都不会被击实到完全饱和状态，亦即击实后土内总留存一定量的封闭气体，故土是非饱和的。相应于最大干密度的饱和度在80%上下。因而可利用饱和曲线是否与击实曲线相交来核对击实试验成果是否合理。[11]Winterkorn和Fang认为，基于有效应力原理的压实理论比那些基于润滑的或是基于粘滞水的理论能够更好地解释土的压实曲线的形状。由于土是各向异性的、非均质的，使得研究变得非常复杂。当然，这也更说明了太沙基的大比例尺[12]现场试验观点的重要性。Burmister指出，由于天然土的变化很大而不能有效地对土进行工程分类。他相信对土的鉴别十分重要，但不能取代对现场土的试验。1.2.2压实细粒土的路用性能[13]通过对不同含水量的多个试样进行击实试验，可以得到类似于图1.2的含水量～密实度曲线，此曲线又称击实曲线。由击实曲线可以得到压实的最优含水量和最大干密度。对于压实细粒土的工程性质，比较一致的研究结论是：在最优含水量干侧压实的土，强度高，压缩性低，缩/胀性增大；在最优含水量湿侧压实的土，情形相反。干侧压实与湿侧压实土的工程特性的比较见表1.2。1.80干侧湿侧强度强度1.75压缩性压缩性)3膨胀性膨胀性1.70g/cm(1.65干密度1.60干侧湿侧1.55152025含水量w(%)图1.2含水量～密实度曲线7 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究表1.2干侧压实与湿侧压实土的工程特性比较特性比较颗粒排列干侧较不规则1.结构水的不足干侧吸水性强，膨胀潜势大，孔隙压力低性能干侧土体结构更易变化大小干侧渗透性高2.渗透性性能干侧渗透性降低更大大小湿侧在低压力范围内，干侧在高压力范围内，压缩性更大3.压缩性固结速率干侧固结更快回弹湿侧回弹更大（1）可塑状态时不排水干侧更高排水干侧略高（2）饱和状态时4.强度不排水当不允许膨胀时，干侧略高；相反，则湿侧更高排水干侧和湿侧大致相同破坏时的孔隙水压力湿侧更高变形模量干侧高敏感性干侧敏感1.2.3公路细粒土路基的压实控制指标和标准[14]在压实控制方面，我国的《公路路基施工技术规范》JTJ033-95和《公路路[15]基设计规范》JTJ013-95中，对高速公路、一级公路压实指标,不分土质条件,采用压实度(压实后的干密度和试验室最大干密度比)控制压实质量，并对路基的不同层位规定了不同的压实度，并逐步用重型击实取代轻型击实。实践早己证明，在土的最佳含水量时进行压实，不仅可以减少压实功率，而且压实后的土的渗水率将是最小的，土的密实程度将是最高的，因而路基将是最坚固、稳定、耐久的。但是要严格在土的最佳含水量时进行碾压，在实际施工中几乎是办不到的。因此，[14]我国《公路路基施工技术规范》JTJ033-95规定，对于一般选作填方路基填料的细粒土、砂类土、砾(角砾)类土无论采用何种机械压实，均应在该种土的最佳含水量wopt±2%(称为“规定”范围)以内压实。这一含水量要求主要是基于使路基填土易达到规范要求的压实度为目的。在规范标准中,虽指出路基应在最佳含水量wopt±2%条件下进行压实,但《公路[16]工程检验评定标准》的土方路基实测项目中,只有压实度指标,并无含水量要求,8 硕士学位论文因此使填料压实含水量成为失控的非检测项目。对于特殊干旱或特殊潮湿地区的路基填料，压实度标准可根据试验资料确定或较列表数值降低2～3个百分点。对于此问题，原则同意适当降低压实标准，但并未提出明确的控制指标，是目前路基控制中的一个空白点。具有良好工程性质的路堤，决不只取决于一个压实度指标，还与含水量、工程使用环境等因素有关。而对比分析日本和美国土基压实控制标准，二者都具体地考虑了土颗粒组成对压实的影响，并根据不同的土质采用不同的控制指标、不同的压实方法。含水量控制方面，我国施工技术规范中要求压实含水量在wopt±2%范围内，这只是基于以最小的压实功获得规范规定的压实度而规定的。但是对于细粒土来说，路堤稳定性程度与初始含水量、使用含水量有密切关系，控制含水量与控制压实度同等重要；并且，在路基压实施工中，干法和湿法施工也是一直有争议的问题，因为在最佳含水量的干侧和湿侧土体压实后的工程性质相差很大。因此，需要在具体研究压实土体的强度、压缩性与压实性能之间关系的基础上，对压实度单指标控制压实质量的合理性做进一步深入研究。[17]孙淑勤等在“中、日公路土质路基压实控制方法比较”一文中，阐述了日本土质路基的压实控制方法，并与我国的土质路基压实控制方法进行了比较后指出，日本根据土的颗粒组成划分土质路基压实标准有其合理性，建议我国进行试[18]验研究。梁仕森在“保证公路土质路基压实度的探讨”一文中指出仅仅以公路等级来确定压实标准是欠妥的。国内外有关研究及施工实践表明，把重型标准用于细粒土，会因土膨胀而产生弹簧现象，因此应采用轻型标准，在多雨潮湿地区采用轻型标准既能控制土基的稳定性，又能保证土基的强度。美国公路土基的压实标准由各州自行选择，大多数州对细粒土采用普氏标准(轻型标准)，而对粗粒土采用修正普氏标准(重型标准)，有的两种标准都用，然后检查CBR值。因此，在选择压实标准时，除了公路等级以外，还应考虑实际土质特性和自然条件等因素，在保证土基强度和稳定性的前提下，以经济合理为原则选择压实标准，并建议在修订规范时予以考虑。[19]金广谦在“关于多雨地区高等级公路压实标准的商榷”一文中指出:公路各结构层的高密度，对确保公路质量具有重要意义,但压实标准应该在部颁标准的指导[20]下，制定出适合本地区特点的细则和补充条文。刘肇升对粉土在不同击实功下的的击实性能进行了分析，并论证了经济击实功存在，并指出，以经济击实功下得到的最大干密度和最佳含水量指导和控制施工，可以实现压实施工的优质、省[21]工和快速，保证路基、路面的强度和稳定性。田见效等在“沙漠路基压实标准研究”一文中指出沙漠路基采用重型击实确定其压实标准时，在完全干燥和最佳含水量情况下各有一个峰值(最大干密度)，但是其大小不同，这主要与风积沙的性质有关。同时也说明，对风积沙路基压实施工在干燥状态下，亦能在合理的压9 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究实功作用下达到最佳的密实状态；同时认为现行标准对压实度大小的规定有不合[18]理之处:我国《公路路基施工技术规范》（JTJ033-95）中规定，特殊干旱地区或湿润地区路基压实度标准可按正常标准适当降低2%~3%，路床区域的压实度只要达到90%~91%即可，但在沙区路基实际施工中发现，这样的标准明显偏低，施工中很容易达到甚至超过。这样的标准能否满足公路路面对路基强度、稳定性等诸[22]多方面的要求，是一个值得研究的问题。曹卫东在“低液限粉土填筑路基压实性能的研究”一文中认为:对于粉土，现行压实标准偏低，粉土填筑路基宜在饱和含水量下弱振密实，压实标准宜用空气率进行控制。不同地区，由于气候、水文地质等条件的差异，使得土体颗粒级配和细粒成分组成以及天然含水量状态均有所不同，这些细粒土路基填料表现出来的压实性能和压实后的土体工程性质也不尽相同。对于细粒土路基填料压实特性的研究，应重点分析填料组成、粘粒含量、压实含水量对压实特性的影响，建立压实曲线与各影响因素之间更为准确和合理的量化关系，并分析处于特定压实状态下的土体的变形性、渗透性、强度等工程性质，通过室内试验模拟现场压实状态，实现对压实施工的指导作用。1.3本文研究的主要内容为掌握压实路堤的工程性能和保证长期稳定，需要对压实机理更深入地研究，需要研究在施工过程中如何采用合理的规范、合理的压实控制标准以及使用过程中保持其强度与稳定性的技术措施。本文围绕影响路堤压实的几个主要而又较为复杂的因素，结合国内外的相关规范，对细粒土填料的压实特性、工程性质和压实控制进行了深入研究。具体来说，本文的研究工作包括了以下内容:1.3.1细粒土的全压实曲线本文首先引入了当前有关细粒土压实特性研究的最新成果—全压实曲线及方程，并对该研究成果进行了验证，分析了全压实曲线的特征（边界条件、曲线形状及范围等）及方程参数对压实曲线形状的影响；在此基础上，深化研究了压实曲线形状与土体物理性质的关系，并建立起了土体物理性质指标与全压实曲线方程参数之间的量化关系。1.3.2压实细粒土的压实状态与工程性质的关系研究本文的研究对象为三种湖南省境内的不同物理性质的三种填土，在物理性质指标测试及击实试验的基础上，进行了室内直剪试验、无侧限抗压强度试验、承载比试验、压缩试验等，并探讨了各试验指标在全压实曲线上的变化规律；系统研究了填土的压实状态（压实度、含水量、饱和度）与土体强度（无侧限抗压强10 硕士学位论文度、CBR）和变形指标的关系。1.3.3细粒土路基压实控制指标和标准研究在分析国内外有关路基压实控制指标和标准，系统研究压实细粒土的压实状态与工程性质关系的基础上，以路基整体强度和变形为质量控制目标，本文重点对潮湿粘土的控制指标和标准进行了分析研究。11 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究第2章细粒土的压实特性2.1概述[6]自1933年Proctor发表了第一篇有关土体压实的文章以来，对于土体的压实问题进行了相当多的研究，大部分的室内和现场试验都是把研究重点放在了最大干密度或者接近于最大干密度的土体的物理性质，如渗水性能、压缩性以及强度。许多杰出的科研工作者和研究机构对于加深我们对于压实土体的理解做出了重要贡献。当细粒土在给定的压实功的作用下其密度会随着含水量的变化而改变，这样就可以得到一条典型的干密度与含水量关系曲线。压实曲线的形状与土体的颗粒级配和所采用的压实方法、击实功密切相关。细粒土的压实曲线的确立是建立具有实用价值的现场控制标准的可靠基础。[23]早在1938年，Woods等人对1383个土样结果进行分类和总结，得到了一组典型的压实曲线，曲线基本上都具有相同的形状。对于这些来自于特定地理位置或地质区域的土样，通过分析其压实试验结果，发现在干密度和含水量坐标上，压实曲线都具有某些相同特征，并可以表征为一个系列的压实曲线类型，之所以如此，是因为在同一地区土体颗粒的变化是符合相同的地质演变的。对于同样的土样，当采用不同的压实功时，室内和室外的试验都得到具有相似形状的压实曲线。随压实功增大，压实曲线向坐标左上方偏移。由于土质、含水量及压实方法不同，对土的压实效果也很不一样，所以在实际工程中，需要知道在什么样的含水量条件下，或什么样的压实度下才能使土的工程性质达到设计要求、满足正常使用状况。同时，对拟定施工计划、提高施工效率也是很必要的。而室内击实实验就是现场施工质量控制的基础，用室内击实实验提供路基土的压实特性，以确定路基施工时，将路基土压实到满意的程度以及提供控制压实度的方法。2.2标准击实实验在一定压实功能下，粘性土只有在某一特定的含水量时才能得到最好的压实，这时的干密度即为最大干密度ρdmax，相应的含水量称为最优含水量wopt。而最大干密度ρdmax和最优含水量wopt只能在实验中用击实仪做室内击实试验后才能得到。从土料场采集若干个具有代表性的土料样品，在经过室内风干、分散处理后，去掉杂质和超过仪器所允许的超粒径颗粒，参考塑限含水量wp配制5～6个12 硕士学位论文等差含水量土样，一般差值的为2个百分点。根据工程等级确定采用轻型或重型击实仪进行击实试验。轻型击实仪把土样分成3层，每层25击(总75击)，单击33功能为7.89KJ/m，总击功为591.6KJ/m，重型击实把土样分成5层，每层56击，33(总280击)，单击功能为9.58KJ/m，总击功为2682.7KJ/m，采用冲击压实方法，对5个不同初始(试验前)含水量的土样进行试验，测定击实后的含水量和湿密度，换算出每一土样击实后的相应含水量和干密度，联结这些数据点可获得反映击实特性的曲线，称为击实曲线，如图2.1所示。图2.1标准击实曲线当击实仪单位击功确定后，击实总能量相等(即击数相同)的前提下，土的干密度ρd与含水量w在以ρd、w为纵横二轴的座标系中呈一开口向下、光滑连续的单峰值铃铛型曲线，曲线的顶点为p，与p点对应的干密度叫最大干密度，以ρdmax记之，与p点对应的含水量叫最优含水量，以wopt记之。在p点之左ρd随w的增大而增大，w较小时增大的趋势较大，以后逐渐减慢，到p点结束；在p点之右，ρd随w的增大而减小，起初减幅小，以后逐渐增大。2.3细粒土压实特性及工程性质细粒土填料被广泛用于路堤、堤坝、渠道和地基工程，填料压实后的质量指标主要用压实度表示。压实度反映了干密度与含水量和压实能量之间的相互影响。如果填土工程的压实度达不到设计要求，对路堤而言，将产生过大的工后沉降，并使路床的CBR值偏低，在反复荷载作用下，路面结构容易开裂。为提高公路建设的质量，目前在不断提高压实度的设计标准，但应考虑到其他因素也会引起大的工后沉降和路面裂缝，例如，路堤压实度过高，使堤坡和堤脚的土易于吸水软化，进一步使路堤产生较大的侧向位移；堤身过重使路堤下的软土产生更大的压缩变形；此外，也不能排除施工管理和检测方面的因素。压实度的高要求可能导致填方单价的上升和工期的延长，并对质量产生负面作用，故有必要探讨压实度的影响因素和合理要求。压实能量、土的初始干密度、含水量和土的颗粒组成均影响压实细粒土的工程性能，此外，现场施工中，碾压土层厚度、碾压遍数、压实机械的类型与功能以及地基下承层的强度等因素也影响土体压实。下面针对各种因素进行具体分析，13 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究探讨影响土体压实的各种因素。2.3.1压实能量的影响众所周知，压实能量越大，最大干密度越大、最佳含水量越低。但是，继续提高干密度要求，须投入更大的能量增长率，因为土粒从紧密状态向超密状态过渡须克服更大的阻力。可以通过比较2种击实试验的能量来说明问题：1987年制定水利电力部的土工试验规程时，曾经做了大量比较试验，原“南实处”击实仪的击实能量比标准普氏击实仪的大43%，只能将压实度在90%以上的土样再提高[24]2%的压实度；1998年Blotz等人收集了22组不同土样(液限wL为17%~70%)的最大干密度、最佳含水量和压实能量试验数据，应用最小二乘回归法对这些试验数据进行拟合，发现压实能量分别与最大干密度的指数及最优含水量的指数呈线性关系，即：Eρρdmax,E−dmax,K=exp（2.1）Ew2.27lg−0.94KLEww−opt,Eopt,K=exp（2.2）Ew12.3912.21lg−KL式(2.1)、(2.2)中ρdmax，k、wopt，k和Ek为一条已知的压实曲线上的最大干密度33(KN/m)、最佳含水量(%)和压实能量(KJ/m)；wL为土的液限(%)；ρdmax，E、wopt.E33分别为对应压实能量E(KJ/m)的最大干密度(KN/m)和最佳含水量(%)。根据文献[25]，采用作者1999年～2000年在运城～三门峡高速公路填方路堤强夯质检中获得的一组重型击实试验数据(见表2.1)，根据式(2.1)计算出了压实度设计要求从90%起每提高1%所增加的能耗(见表2.2)。从表2.2可见，当路堤填筑的控制压实度从90%提高到92%时，能耗增加43.1%，而提高到93%时，能耗增加72.2%。可见，将已处于紧密状态的土体的压实度再继续提高，其所消耗的能量急剧增大。33从表2.2还可看出重型击实试验(2682kJ/m)代替轻型击实试验(591.6kJ/m)，能量提高了4.53倍，而对应的压实度要求提高了8%左右，即从91%～92%提高到100%，也就是说重型击实试验的压实度91%～92%相当于轻型击实试验的100%。表2.1运城～三门峡高速公路路堤填土性能最佳含水量最大干密度击实能量土的种类塑限/%液限/%33（％）(g/cm)(KJ/cm)粉质粘土17.528.712.8318.82274014 硕士学位论文表2.2运城～三门峡高速公路路堤填土压实度的提高与压实能耗的关系压实度/%90919293951003控制干密度(g/cm)1.6941.7131.7311.751.7881.8823压实能量(KJ/cm)43251961874410762682压实度提高范围(%)/90~9190~9290~9393~9595~100压实能增加百分比(%)/20.143.172.244.6149.32.3.2含水量的影响对土的压实，当含水量较低时，击实后的干密度，随含水量的增加而加大。当干密度增大到某一值后，含水量增加反而干密度减小，这个最大值即为该击数下的最大干密度与它相对应的含水量称为最优含水量。因此，在一定的击数、含水量下才能获得最佳的击实效果。含水量对土体压实后遇水变形特性、强度稳定性和贯入阻力等有明显影响。下表2.3即描述了粘性土路堤的工程性能与最佳含水量的关系。从表中可以看出，在最佳含水量的干侧，相对而言，得到了路堤施工所希望的工程性能，即抗剪强度较高，孔隙压力较低。但是，在干侧的土体膨胀潜势和冰冻作用增加；在最优含水量的湿侧，渗透性较低，但土的形变模量和抗剪强度下降。因此，选择合适的含水量和压实功是非常具有挑战性的工作，需要对具有压实土体工程特性的深刻认识以及对具体应用目的充分了解。表2.3粘性土路堤的工程性能与最佳含水量的关系最佳含水量的干侧压实土的性能最佳含水量的湿侧较高强度较低排列较不规则颗粒排列排列较规则较高渗透性较低较高压缩性较低较快固结较慢较低孔隙压力较高较高应力～应变模量较低较高膨胀性较低较高冰冻作用较低敏感性更高敏感性敏感性很低早期研究认为，在最佳含水量wopt干侧压实粘土形成定向排列差的絮凝结构，而在湿侧压实形成定向排列的分散结构。其后用电子显微镜检查发现主要差别表现在微观结构上，在干侧压实的土具有明显的双重结构，被孔隙包分开的团粒结15 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究构和团粒内的结构；而湿侧压实形成更均匀的结构。可见，不同含水量状态，土体结构不同，使其工程性质出现较大差异。但即使对于处于同一含水量的土体，分别采用干法和湿法制作土样击实时，往往也会得到不同的试验结果，这一现象[26]也在风化残积土（杨世基）的击实试验中表现最为明显，这一现象也表明，潮湿地区粘性土路基有关指标的室内制件应该以湿法为宜，这较符合现场填土情况。在实际工程中，压实含水量的确定应参考土体的具体应用。例如，经常浸水的粘土路基宜在略大于最优含水量条件下压实，尽可能避免压实后的土过干遇水膨胀或湿陷。要求压实土体抗压强度很高时可控制压实含水量稍低于最优含水量。下图2.2所示为粉质亚粘土的一组密实度、压实含水量和抗变形能力的试验[28]结果。由图中关系曲线的变化趋势可以看出，当含水量低于最佳值时，随着压实程度的增加，变形模量也增长，表明提高压实度可以增强抗变形能力。但是含水量超过最佳值时，增长曲线存在一峰值，超过一定的压实度后变形模量反而随压实度增加而降低。然而，上述峰值现象，对有些土(例如粘土)表现得不太明显。图2.2压实含水量～压实度～抗变形能力关系曲线2.3.3土类和颗粒级配的影响试验表明，在相同的击实功能下，粘性土的粘粒含量越高或塑性指数愈大，压实愈困难，最大干密度越小，最优含水量愈大，这是由于在相同的含水量下，粘粒含量超高，吸附水层越薄，击实过程中土粒错动越困难的缘故。土的颗粒组成不同，用作路基填土材料压实时的工程性质就不同，根据细粒成分含量的多少，大致可划分为粗粒土与细粒土。粗粒土因其高透水性，在土体压实时一般不用考虑超孔隙水压力以及压实后的遇水稳定性问题，因此相对细粒土而言，可适当放宽压实含水量的控制，这对达到压实度要求影响不大。粗粒土16 硕士学位论文比较容易压实，且压实后具有较高的承载力，对冻结作用不敏感，是较理想的填土材料。粒径均匀的粗粒土表面压实困难，但可通过保持足够高的含水量用光轮压路机快速碾压。细粒土的渗透性低，土体承受荷载一旦变化，就会在土体内发展超孔隙水压力，易造成失稳。细粒土的变形和强度是含水量的函数，尤其是膨胀变形主要取决于粘粒与水的相互作用，压实含水量越低，土体压实后的干密度越大，即单位体积内粘土颗粒含量越多，遇水后土的膨胀变形就越大。这是因为压实粘土的结构是由含水量、干密度和粘粒含量决定的。初始含水量决定颗粒间的孔隙分布，干密度控制孔隙比，粘粒含量影响宏观结构体和大范围库仑力的形成。基质吸力传递稳定力，使得内部颗粒紧密接触。水渗入碾压粘土时，多余的水减弱了毛细水的联系，促使内部颗粒联结力丧失，总体积减小。印度学者用ASTM滤纸法在[27]碾压粘土中测试基质吸力时发现，粘粒含量越大，土中基质吸力越大，浸湿越容易塌陷，根据实验结果建议在压实粘性填土时，控制含水量在最佳含水量wopt的湿侧，压实至稍低于标准普氏击实试验的最大干密度，以减少湿化引起的膨胀和湿陷。在同一类土中，土的级配对它的压实性影响很大。级配均匀的，压实干密度要比不均匀低，这是因为在级配均匀的土内，较粗土粒形成的孔隙很少有细土去填充。而级配不均匀的土则相反，因而能获得较高的干密度。2.3.4其它因素除了上述因素，现场碾压时，土层厚度、碾压遍数、压实机械类型与压实方法以及地基下承层的强度等都影响着土体的压实质量。在填土压实前，应对填土层下面的软基进行处理，若地基下承层较软，没有足够的强度，即使压实能量再大，路堤的第1层也难于达到较高的压实度，并且填土压实度过高(过重)，软基压缩变形增大，也是引起公路路面下沉的原因之一。2.4全压实曲线方程的建立及曲线特征2.4.1简介无论细粒土的组成与压实功的作用方式和大小如何，通过击实试验，都可以得到一条类似铃铛形状的土体干密度与含水量关系曲线—压实曲线。进行室内击实试验的初衷，是利用细粒土的这一压实特性，实现对路基现场压实的模拟和施[6]工控制。自1933年Proctor发表了第一篇有关土体压实的文章以来，对于土体的压实问题进行了相当多的研究，重点集中于最大干密度附近土体的工程性质，如渗透性、压缩性以及强度。对于细粒土的压实曲线，过去一直采用诸如一点法[29][30][31][32]、三点数值解法、最小二乘原理拟合等方法来求解，这类法可以方便17 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究快捷的确定击实试验中的最大压实干密度与其对应的含水量，但其应用也有很大的局限性。首先，这些数值拟合曲线的参数不具有明确的物理意义，不具备直接和土体物理性相关联的参数，不能控制压实曲线的形状、大小和位置，并且一直未能通过以土体物理性质指标为纽带，建立起室内击实试验对现场压实施工的有效模拟，仅仅起到控制压实标准的作用；此外，拟合多项式仅仅能表示某种确定土体在一定的试验条件下压实特征，当对土体施加的击实功和击实方式以及土体的物理性质稍有改变时，我们均不能通过已有的压实曲线来预测新的压实曲线。并且在实际生产中，现有的确定压实标准的方法显得费力费时。若能建立一种可以更好的表征细粒土压实曲线的方法，方便快捷地对具有不同物理性质的填土，在不同的压实功下的压实状态进行描述，即探讨土体的物理性质、击实功与土体压实状态的关系。这对于现场压实控制、实际工程应用等问题都有着现实意义。[33]2001年，HuaLi在总结前人研究成果的基础上，系统地研究了细粒土填料的压实干密度随含水量变化（含水量从零开始逐渐增大）的全压实曲线，提出了细粒土体全压实曲线的4参数方程，并建立了方程参数与土体物理性质指标的关系。本文在引进关于填土压实特性的全压实曲线方程的基础上也做了大量工作，首先通过对不同细粒土样进行击实试验，验证了HuaLi细粒土全压实曲线方程的正确性；并且深化研究了压实曲线形状与土体物理性质的关系，并建立起了土体物理性质指标与全压实曲线方程参数之间的量化关系。但是该研究刚刚起步，还有待通过大量室内外试验做进一步更为深入的研究。2.4.2细粒土的全压实曲线及其形状2.4.2.1细粒土的全压实曲线细粒土的全压实曲线与传统的压实曲线存在一定的差异，表现在试验的含水量范围较宽，击实试验是从土体完全干燥状态开始的，直到超过最佳含水量很多，图2.3所示为一条标准的全压实曲线（压实含水量与干密度曲线）。图2.3土体压实含水量与干密度的关系18 硕士学位论文[34][35]1981年Faure和1994年Faure和DaMate对于细粒土在较大的含水量范围内的压实情况进行了研究。他们的研究结果显示，在土体含水量小于压实敏感阀值时，土体的最大干密度基本保持不变，为一常量，此时土样饱和度与含水[36][33]量成线性关系，直到土体含水量达到一控制点wcst；Daniel和HuaLi等通过研究发现ρdd值与土体的颗粒级配有关，而wcst处的含水量值则与细粒土的粘粒含量和所施加的压实功有关；Faure和DaMate对于混合了粘土和其他的细粒土以及粗粒土的34种混合土体以及来自巴西和法国的36自然土体进行了全压实曲线研究。结果显示，位于压实敏感值时的含水量与土体粘土含量成正比例关系，并且与土体的矿物学成份以及压实作用力存在一定关系。压实敏感值是如何对土体的性能造成影响至今仍不清楚，可能与土体基质吸力的变化有关。[37]随着土体内含水量的增加，水的润滑作用（Holtz）提高了其压实性能，同[38]时降低了土体基质吸力（Delage）从而使得其干密度也在增大，当土体干密度达到最大值后，其值开始随含水量的继续增大反而降低。这是因为，在达到最佳含水量后，多余的水分并不能够提供产生更大的润滑作用，反而使得较轻的水颗粒取代了较重的土体颗粒，并导致干密度下降。2.4.2.2细粒土全压实曲线的形状曲线形状是细粒土全压实曲线的一个重要表观特性。全压实曲线的形状与土体物理性质以及所采用的压实方法有关。一般说来，扁平的曲线说明土体级配较差，具有峰值的曲线则说明了土体的级配较好。但是困难是如何量化压实曲线的这种铃铛形状，如果曲线的形状可以被量化，那么就可以定量地描述和预估土体的压实曲线了。当对于同一种土体采用相同的压实方法，即使压实功发生了变化，但其压实曲线形状仍然保持不变。路基建设过程中，通常都采用了不同种类的压实机械，压实机械的吨位和压实遍数决定了压实功的不同，如果曲线的形状可以被量化，那么就可以定量地描述和预估土体的压实曲线了。不幸是的，因为缺乏可以定量描述压实曲线一般形状的公式，这一重要的特性仍然不能加以利用。2.4.3细粒土的全压实特性为方便对细粒土在较大含水量范围内的压实特性进行分析，我们将图2.3的压实区间按含水量变化情况划分为压实干燥区域、过渡区域、湿润区域三个区间，与此对应的含水量上限分别为压实敏感阀值含水量wcst、压实最佳含水量wopt、可压实的最大含水量wm，wm对应的饱和度为最大饱和度Sm，在这些区间内细粒土表现出如下的压实特性：[34]（1）对于压实干燥区域细粒土的压实特性，Faure（1981）和Faure和Da[35]Mate（1994）通过研究发现，当含水量小于wcst时，在一定压实功的作用下，19 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究土的干体密度ρdd基本保持不变，其中wcst的大小与土体粘粒含量成正比例关系，同时也与土体的矿物成分以及压实功存在一定的相关关系；同时也文献有研究[12]表明，土体含水量为wcst时的基质吸力与击实设备对土体产生的击实力大致相等。干燥区域中气相包围着土体颗粒，空气是连通的，同时占据了很小部分的水分是不连续的。稀少而相互分离的水分是不能对土体起到润滑作用的，因此它对于土体的压实性能基本上没有影响。当土体处于干燥区域的时候，细粒土的干密度基本上接近定值ρdd，此干密度定值对于细粒土的压实特性来说是一个非常重要的边界特征，它是细粒土在压实干的干密度下限。[37]（2）当细粒土含水量超过wcst后，水的润滑作用明显增强(Holtz)以及土[38]体基质吸力的减小（Delage），土体内摩阻力减小，土颗粒重新排列，单位土体内空气的体积逐渐减小，而固体和水的体积则逐渐增加，土体干密度随含水量增加的增长幅度加大，直到土体含水量达到最优含水量wopt值，我们称这一压实区间为有效压实区域或者压实过渡区域。过渡区域中，水分已经部分连续了，所以其对于土体起到了润滑作用。该区域内，水分的增加有助于增加对土体颗粒的包裹作用。当含水量达到最佳值wopt时细粒土出现最大干密度，此为当前压实功下干密度的最大边界值。（3）当含水量继续增加时，进入了湿润区域，水份的增多会使孔隙中水的体积增加，饱和度增大，此时，多余的水分并不能够提供更多的润滑作用，反而由较轻且不可压缩的水取代了较重的土体颗粒，导致了土体干密度的降低。湿润区域是受到含水量wm的限制的，在这个区域内土体的干密度是会降低至压实干侧土体的干密度值。在压实的湿侧区域，由于土粒和水对空气的包裹作用，在土体中有很少一部分的封闭气体，这部分封闭气体产生的孔隙压力抵消了相当一部分击实功，当含水量较大时，无论怎样压实，土样都始终无法达到完全饱和状态。对于细粒土来说，随含水量增加，土体饱和度在达到一较高水平后增长缓慢，并趋于一常量，我们称其为最大饱和度Sm；并且我们发现，此时的含水量－干密度关系曲线基本[39][40]与零空气率曲线（既完全饱和时的压实曲线）平行（Seed和Lee）。同样，最大饱和度对于位于潮湿区域的压实曲线来说是一个非常重要边界。最大饱和度同压实功之间并没有太多的关系，因为多余的能量都被水分吸收和孔隙压力抵消，并不能再增加潮湿区域内的饱和度。压实过程中，与图2.3对应的w-S（含水量与饱和度）关系曲线图如2.4所示。20 硕士学位论文图2.4土体压实含水量与饱和度的关系2.4.4全压实曲线方程分析图2.3与图2.4可知，全压实曲线具有两个非常重要的的边界特征值，即干密度常数ρdd和最大饱和度Sm，其对于定量描述压实曲线非常重要；并且对于同一种细粒土来说，两图之间可以相互转化。因此，对全压实曲线的研究可以从对土体压实含水量与饱和度关系入手，来推导击实土体的全压实曲线方程。根据土的物理性质指标—饱和度、含水量、比重、干密度的关系可知：wS=（2.3）ρ1w−ρGdS与之对应的干密度与含水量：GρSwρ=（2.4）dwGS1+S式（2.3）、（2.4）中的w、ρd、S，分别表示细粒土的含水量（％）、土体干密度和饱和度（％）；ρw是水的密度，GS是土体颗粒的比重。定义含水量与饱和度的关系为S=ƒ(w)，将其代入式（2.4）中，那么干密度和含水量曲线之间的关系可以表示为：Gρswρd=（2.5）wGS1+f()w文献[33]通过比较分析几类典型函数曲线与土体击实曲线，发现函数式（2.6）所描述的曲线（如图2.5所示）的下半部分与S～w的曲线有很好的相似关系，故21 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究图2.5函数式(2.6)对应的曲线用此曲线来推导击实土体S～w关系式以表征土体的全压实曲线方程，文献[33]中，经推导及对边界条件处理，饱和度S的表达式如下式（2.7）：n+1kxy=(2.6)nnx+pn+1ww−+wpnnmmSfwSS==()−××（2.7）mm−+nnwm()wwpm将方程（2.7）代入式子（2.5），即可得到全压实曲线方程（2.8）：n+1ww−+wpnn=+−×mm×ρρGw1GSS（2.8）dswSmm−+nnwm()wwpm式中四个参数Sm、wm、n、p，其中Sm、wm的定义如前所述，参数n和p是与曲线形状有关的参数。2.5方程参数对全压实曲线影响2.5.1全压实曲线方程参数的确定在所有的四个参数中，有两个（Sm，wm）是可以直接从全压实曲线上得到的，也可以使用简单的方法从全压实曲线上得到参数p，n的值。在文献[33]中，给出了确定方程四个参数的直接方法，还可以用数学软件进行回归拟合得到。直接方法的好处在于避免了使用非线性回归拟合法来对压实数据进行回归，得到参数的取值可以使得公式很方便的应用于日常工程实践。直接方法简单易于使用，但是他的应用必须要依赖于干密度常数ρdd，如果缺乏wcst含水量的试验结果，那么其准确性将会受到影响。回归方法就是采用纯粹的数学回归方法为试验数据提供最佳的拟合。当平方偏差SS最小的时候，参数的拟合效果最好。可以将其应用于传统的压实曲线和全压实曲线的拟和。在工程实践中，回归拟合方法也被广泛使用。22 硕士学位论文使用非线性回归拟合的最大问题就是对于特定参数的初始值的选择，对于全压实曲线方程式来说，这一点不会有太大的问题，因为所有的参数都可以通过直接方法确定或者来预估。本文中采用了不同的三种细粒土进行各种试验，其物理性质指标详见表2.4，使用非线性回归对压实试验数据进行回归拟合后得到的方程参数值详见表2.5。2.5.2方程参数对曲线的影响要用方程式(2.8)来表达细粒土的全压实曲线，必须要搞清楚四个参数Sm、wm、n、p。下面分别讨论各个参数对全压实曲线的影响。为了便于讨论全压实曲线方程参数对曲线形状的影响，我们在讨论某个参数的影响时，保持其他参数的取值都不变。（1）如上所述，参数Sm是土体在大于最佳含水量很多的情况下进行压实所能达到的最大饱和度，其控制了压实曲线湿润区域的边界。图2.6(A)表示了参数Sm对全压实曲线的影响，随着Sm的增长，整个压实曲线整体向上垂直移动；在本文中，分别用三种不同的击实功对三种不同物理性质指标土样进行击实，所得的全压实曲线，本文采用回归拟合确定全压实曲线方程的四个参数，其参数结果见表2－2，饱和度Sr与含水量的关系曲线见图2.7（A、B、C）；如图所示，对于给定的同一种细粒土，在不同的压实方式和压实功作用下，其最大饱和度Sm基本保持为常数。图2.6全压实曲线方程参数对曲线形状的影响23 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究重型中间1.0轻型rS0.8饱和度0.60.40.20.0051015202530含水量w（％）2.7A土样1的含水量～饱和度曲线重型中间1.0轻型(%)r0.8S0.6饱和度0.40.2051015202530含水量w(%)2.7B土样2的含水量～饱和度曲线重型中间1.0轻型0.8(%)rS0.60.4饱和度0.205101520253035含水量w(%)2.7C土样3的含水量～饱和度曲线24 硕士学位论文（2）当土体处于干燥区域的时候，细粒土的干密度基本上接近常值ρdd。通过延长干密度为ρdd的水平线，与湿润区域的压实曲线相交即可得到参数wm，wm反映了压实曲线的干燥区域的边界条件，如图2.6(B)所示；wm减少是由干密度常数ρdd的增加引起的，同时最佳含水量减小，对应的最大干密度会增加，而在湿润区域，不同的压实曲线基本重合。在本文中，分别用三种不同的击实功对三种物理性质指标土样进行击实，所得的全压实曲线，本文采用回归拟合确定全压实曲线方程的四个参数，其参数结果见表2－2，干密度与含水量的关系曲线见图2.8（A、B、C）；如图所示，在干燥区域时，干密度基本接近常数，随着击实功的增加，干密度常数也随之增大，与之对应的wm相应减小；同时，最佳含水量也减小，对应的最大干密度值增加；而在湿润区域，无论击实功如何增大，不同的压实曲线基本上重合，且平行与零孔隙比曲线。（3）参数n反映了土体的物理性质改变对压实曲线形状的影响。如图2.6(C)，当n增加时，压实曲线的铃铛形状突起部分变得更加狭窄，同时也可得到更大的最大干密度值。因此，可认为参数n控制了压实曲线的铃铛形状，故也被称为形状参数。据前人的研究成果，压实曲线的形状主要与同土体组成和采用的压实方法有关。在对土样1、2、3的全压实曲线进行拟合后，得到的参数n值如下表2－2所示；对于土样1，n值在三种不同击实功下的参数分别为8.0、8.0和8.3，基本不变；对于土样2和3也有同样的结果，分别为5.0、5.0、5.0和5.0、5.0、5.27。这说明，对于同种具有相同物理性质的土体，当采用同样的压实方法而不断增加压实能量，压实曲线具有相类似的形状，同时会向上方和左侧平移。因此对于特定土体而其压实功发生变化，或者采用同一压实方法而土体来自于同一地质区域时，可认为参数n不变。（4）图2.6(D)显示，参数p变化时，压实曲线铃铛形宽度也随之变化。当p增加时，铃铛形宽度增大；p减小时，铃铛形宽度也随之变窄，因此，p为表征可压实含水量区域宽度的方程参数，称之为可压实区域含水量宽度。反映在全压实曲线上，p值应该与最大含水量wm和压实敏感阀值含水量wcst的差值成正比。因为在含水量小于wcst时，干密度基本不变，保持为干密度常数ρdd；当含水量超过wcst后，土体干密度随含水量增加而大幅度增大。25 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究土样11.9重型中间轻型)1.8拟和3g/cm1.7(1.6干密度1.51.40510152025含水量w（％）图2.8A土样1在三种击实功下所得的试验数据及其回归拟合曲线土样2重型1.8中间轻型拟和)31.7g/cm(1.6干密度1.5051015202530含水量w（%）图2.8B土样2在三种击实功下所得的试验数据及其回归拟合曲线土样3重型1.7中间轻型)拟和31.6g/cm(1.5干密度1.405101520253035含水量w（％）图2.8C土样3在三种击实功下所得的试验数据及其回归拟合曲线26 硕士学位论文表2.4土样的物理性质指标及击实方法土体类别比重Gs液限wL(%)塑限wP(%)塑性指数IP击实功土样12.69337.219.517.7重、中间、标准土样22.72045.828.717.1重、中间、标准土样32.70532.220.911.3重、中间、标准表2.5各种土样的全压实曲线参数拟合结果及wopt、ρdmax、ρdd土样全压实曲线参数值woptρdmax2击实功Rρdd3类别Sm(%)wm(%)np(%)(g/cm)重型92.14119.1948.0006.0000.96614.2901.8761.7271中间90.36921.0008.0006.2750.98615.7301.8091.655土样轻型90.22326.4648.60910.7020.99717.5101.7311.508重型96.75421.0075.0005.0620.98216.9801.8131.7142中间97.1715.0005.0005.7510.98019.2001.7371.635土样轻型96.10027.6785.0006.8220.92522.2201.6371.53重型93.75225.1105.0008.7150.97918.0001.7321.9543中间93.15226.3845.0007.2000.97320.6101.6561.539土样轻型91.11629.5505.5768.2130.98622.9201.5751.4472.6细粒土全压实曲线参数的物理意义2.6.1细粒土全压实曲线方程的验证为了验证全压实曲线方程是否可以用来准确描述细粒土的压实曲线，本节选取了文献[41]中的4组细粒土击实数据对其进行分析；土样的物理性质指标见表2.6。表2.6土样的物理性质指标及击实方法土体类别比重Gs液限wL(%)塑限wp(%)塑性指数Ip击实方法土样a2.81422022普氏标准击实土样b2.76491930普氏标准击实土样c2.77412120普氏标准击实土样d2.7628208普氏标准击实以文献[41]提供的击实数据为参考，本文采用回归拟合确定全压实曲线方程的四个参数，通过全压实方程确定的土体最大干密度、最佳含水量值与文献结果分析比较见表2.7，参考土样的标准击实试验数据和对应的全压实曲线如图2.9所27 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究示。根据表2.7可知，采用回归拟合法得到的全压实曲线与土体击实试验数据相关系数都接近1.0，且通过全压实曲线方程确定的最大干密度值与文献结果相差很小，最大相对差值只有0.60％，说明全压实曲线方程能很好地描述土体的压实过程，可用来精确确定土样的在一定击实功作用下的最大击实干密度和最佳含水量。表2.7拟合参数和wopt，ρdmax结果及其比较文献全压实曲线相关ρdmaxSmwm结果方程的结果土样np系数相对(％)（％）2ρdmaxwoptρdmaxwoptR误差g/cm3(%)g/cm3(%)土样a89.1721.04.03.50.9941.7717.91.7618.20.57%土样b90.0124.524.624.650.9731.6720.61.6620.90.60%土样c89.223.184.535.741.0001.7220.11.72118.50.06%土样d89.022.66.69.50.9961.8315.91.8414.90.55%土样a试验点1.9土样b试验点土样c试验点土样d试验点)1.8拟合曲线3(g/cm1.7干密度1.61.50510152025含水量w（％）图2.9土样的标准击实试验数据与其全压实曲线2.6.2击实试验及其结果分析本文主要研究了三种不同的土体，这些土样都是来自湖南潮湿多雨地区的粘性土，当用做路基填料时含水量普遍偏高，压实施工难度较大。他们的基本物理特性如表2.4所示，其颗粒级配曲线如图2.10所示。三种土样中，小于75µm粒径的土体质量大于总质量的50％，因此他们都属于细粒土。按《公路土工试验规程》（JTJ051－93）中的T0131-93对土样进行击实试验，28 硕士学位论文试验仪器见图2.11。试验要点如下：①所有的土样都被完全烘干，土样充分碾碎，通过2mm筛；②配制土样时含水量范围比传统试验范围更广，在每一种击实功表2.8国内外各种击实试验参数锤重落高试筒尺寸层数每层击数单位击实功击实方法33/Kg/mm内径/mm高/mm体积/cm/层/击KJ/cm轻型2.5300100127997327598.2中间功4.54501001279973271612.2重型4.54501001279975272687普氏标准2.5304.8100127997325593.8100第一批第二批第三批806040小于某粒径的土质量百分数，％20Y1E-41E-30.010.11X土粒直径(mm)图2.10三种土样的颗粒继配曲线下，含水量都是从0％开始，每隔2％～3％含水量配置击实土样，约至塑限含水量时结束；③每种土样都分三种击实功进行，具体击实方法参数指标见表2.8；④对配制好的样品闷料一夜后进行各种击实功下的击实试验（见图2.12），含水量的测试以击实后实测量为准。击实试验结果如图2.8（A、B、C）所示，每种土样在三种击实功下的曲线绘制在同一图上便于对比。表2.5汇总了按照全压实曲线方程回归拟合得到的四个参数具体数值。如图2.8（A、B、C）所示，采用回归拟合法得到的全压实曲线与土体室内击实试验数据相关系数都接近1.0，二者吻合的相当好。根据表2.5和图2.8（A、B、C）可知，对于具有相同物理性质的同一种细粒土体，当采用同样的压实方法而不断增加压实能量时，在干燥区域的干密度常数ρdd不断增大，并引起与之对应的wm不断减小；全压实曲线具有类似的形状，说明曲线方程参数n值基本不变；同时会向上方和左侧平移，压实敏感阀值含水量减小，方程的可压实区域含水量宽度指标p也随之变化，最佳含水量减小而最大干密度相应29 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究图2.11重型击实仪图2.12击实试验过程中增大；在湿润区域三条曲线基本上重合，最大饱和度Sm基本保持不变，并且与零空隙率曲线相平行。2.6.3不同土体的全压实参数对于不同的三种土体，用相同的击实方式在同样击实功下击实时，所得到的全击实曲线如图2.13（A、B、C）所示。全压实曲线变化很大，说明他们的参数各不相同，这就表明了四个参数都与土体的物理性质有密切关系。重型击实功下1.9土样1试验点土样2试验点土样3试验点）1.83拟合曲线g/cm1.7（1.6干密度1.51.405101520253035含水量w（％）2.13A三种土样都在重型击实功的击实数据和拟合曲线30 硕士学位论文1.9中间击实功下土样1试验点1.8土样2试验点3）土样3试验点拟合曲线1.7g/cm（1.6干密度1.51.405101520253035含水量w（％）2.13B三种土样都在中间击实功的击实数据和拟合曲线轻型击实功下土样1试验点1.7土样2试验点土样3试验点拟合曲线）31.6g/cm（1.5干密度1.405101520253035含水量w（％）2.13C三种土样都在轻型击实功的击实数据和拟合曲线为研究细粒土的物理性质对土体压实特性的影响，本文探讨了细粒土在标准击实时，全压实曲线方程参数与土体物理性质指标之间的量化联系，选取本课题所选择的三种细粒土样在标准击实功下的试验数据和文献[41]中普氏标准击实试验下的数据进行统计分析，土体物理性质与全压实曲线方程参数的关系如下：2.6.3.1最大饱和度Sm与液限wL的关系图2.14表示了在标准击实功下，土体所能达到的最大饱和度Sm与其液限wL呈线性关系，相关表达式如下式(2.9)所示；由此可知，填料的液限值越高，压实31 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究以后所能达到的最大饱和度就会越大，因为对于液限高的潮湿粘性土来说，其初始的饱和度就相对比较高，故在压实后所能达到的最大饱和度也相应比较高。而对于给定的细粒土而言，在不同的压实功作用下其最大饱和度是一常数。Sm=66.19＋0.576×wL（2.9）1002R=0.914m(%)S9080最大饱和度7020304050液限W（％）L图2.14最大饱和度Sm与液限wL关系2.6.3.2干密度常数ρdd、wm与平均粒度D50的关系由以上分析可知，含水量对ρdd的影响非常小，压实功和土体类型是仅有的可以影响土体ρdd的参数，因此，对于同种细粒土采用相同的压实功压实时，ρdd就和土体特征，特别是土体的平均粒度之间有密切关系。如图2.15和式(2.10)，土体干密度常数ρdd与其平均粒度的对数有良好的相关关系。这就说明压实曲线的干燥区域对于土体粒度比较敏感。当采用相同的标准压实试验时，具有较大平均粒度的土体的干密度要大于具有较小平均粒度的土体的干密度。wm与ρdd直接相关，故也与土体平均粒度相关，如图2.16和式（2.11）所示。在标准击实功下，随平均粒度D50（颗粒分析试验中，小于该粒径的颗粒质量为50%的粒径）的增加，最大含水量wm减小，并且最大含水量wm与平均粒度D50的常用对数有良好的线性关系。1.72R=0.82431.6g/cmddr1.5干密度常数1.41E-30.010.11平均粒度D50图2.15干密度常数与平均粒度D50关系32 硕士学位论文ρdd=1.648＋0.054×log(D50)（2.10）wm=17.54－3.79×log(D50)（2.11）2R=0.85330(%)LW2520最大含水量151E-30.010.11平均粒度D50图2.16最大含水量wm与平均粒度D50关系2.6.3.3参数n与D60/D30的关系具有单一粒径的材料压实效果并不好。当颗粒级配良好时，填料的干密度相对偏高。在相同的击实功下，级配良好的土体要比单一粒径土体具有更大的干密度，因为其小粒径颗粒可以填充大颗粒之间的空隙。根据前人的研究成果，压实曲线的形状与土体组成(不均匀系数Cu)和压实方法、击实功有关，本文在此对土体组成对压实曲线形状的影响进行了探讨。在标准击实功下，全压实曲线的形状参数n随着不均匀系数的增大而增大（如图2.17所示）；经对比分析D60/D30、D60/D20、D60/D10、D70/D30、D70/D20、D70/D10与曲线参数n的相关关系，当定义’’Cu=D60/D30时，n与Cu有良好的线性关系，表达式如式（2.12）所示：n=3.933+0.923×(D60/D30)（2.12）9R2=0.9628n7参数6540123456不均匀系数c(D/D)u6030图2.17参数n与D60/D30的关系2.6.3.4参数p与（wL-IP）的关系很多人研究得出结论：标准普氏击实试验的最优含水量与土体的塑限基本相33 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究当，正如上文所提到的，Faure在1981年发现对于给定土体其压实敏感阀值的含水量和其粘土含量有关系，同时也和塑限有关系。反映在全压实曲线上，p值应该与最大含水量wm和压实敏感阀值含水量wcst的差值成正比。因此可压缩含水量范围p可以被认为是wm-Ip的函数，其与wm-Ip的关系如图2.18和下式（2.13）所示呈线性关系。在本人所做的三种细粒土土样中，土样1的（wm-Ip）的值最大，它也具有最大的参数p值，而土样2具有最小的（wm-Ip）值，与之对应的参数p值也是最小的。p=4.62+0.471×(wm—Ip)（2.13）212R=0.8979p6参数300510w-I(%)mp图2.18参数p与（wm-Ip）的关系2.6.4击实功对全压实曲线参数的影响对于同种土体，压实功不同，全压实曲线也相差很大；由图2.8和表2.5可知，当相同的土体在不同压实功下进行压实时，随着压实功的增大，全压实曲线逐渐向左和向上平移，最佳含水量减小而最大干密度增大，在饱和度较高时，曲线基本重合；这说明：（1）击实功对干燥区域的干密度常数ρdd值影响很大，压实功越高，压实曲线在向上向左平移的同时，ρdd也不断增大，同时最大含水量wm减小；（2）对于参数p，其代表了可压实含水量的范围大小，在全压实曲线上，击实功越高，可压实含水量的范围越大，因此p值也越大，这与压实曲线图中显示的也相一致；（3）击实功的变化对形状参数n没有什么影响，因为对于同种土体的n值是几乎不变的；（4）在压实曲线的湿侧，曲线基本上重合，即使对于不同种类的土体，在不同压实功下的最大饱和度也相差很小，说明击实功的变化对最大饱和度的影响甚小。34 硕士学位论文2.7全压实曲线方程的工程应用2.7.1拟合压实曲线对于给定的细粒土填料，如果得到了击实试验数据，我们就可以用全压实曲线方程对数据进行非线性回归拟合，从而得到压实曲线以及精确确定它的最佳含水量和最大干密度。在（2．6．1）节中，已经引用了文献[41]中的击实试验数据，并对其进行回归拟合得到压实曲线，并精确确定了它们的最佳含水量和最大干密度，与文献中得到的结果进行对比分析，我们发现：采用回归拟合法得到的全压实曲线方程不仅能很好地拟合压实曲线，与土体击实试验数据相关系数都接近1.0，且通过全压实曲线方程确定的最大干密度值与文献结果相差很小，最大相对差值只有0.60％，说明全压实曲线方程能很好地描述土体的压实过程，可用来精确确定土样的在一定击实功作用下的最大击实干密度和最佳含水量。2.7.2应用全压实曲线方程确定压实曲线的简便方法通过上述分析我们知道，全压实曲线方程的四个参数都是与土体物理性质相联系的，并且存在一定的量化关系；因此，通过对土体物理性质指标的量测，利用本文所得的细粒土土体物理指标与压实曲线方程参数的研究成果，直接确定土体的压实曲线方程参数，从而方便的确定土体压实曲线方程以及对应的最大干密度和最佳含水量。下面另外选取文献[41]中的两种细粒土土样来举例说明，该土样物理性质指标如表2.9所示。表2.9土样物理性质指标土样比重GswL(%)wp(%)IpD50D60/D30土样72.774121200.0091.30土样82.76282080.042.86根据土样的物理性质指标，利用本文建立的土体物理性质指标与全压实曲线方程参数之间的量化关系，通过式（2.9）～（2.13），我们可以确定全压实曲线方程的四参数，然后确定对应的压实全压实曲线方程，有了曲线方程后，就有了压实曲线，压实土体的最大干密度、最佳含水量就可直接确定了，其结果见表2.10所示。35 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究表2.10全压实方程参数及结果比较土全压实曲线方程参数计算结果拟和结果误差(%)样S33m(%)wm(%)npρdmax（g/cmwopt(%)ρdmax(g/cm)wopt(%)ρdmaxwopt789.8125.275.107.101.71018.751.72018.100.593.6882.3222.856.5711.601.83714.861.83015.900.106.5根据表4中数据结果可知，本文求得的结果与参考文献中的结果比较接近，最大干密度相对误差仅有0.6%，最佳含水量相对误差也不超过6.5%。由此推断，本文提出的利用土体基本物理性质指标直接确定土体的全压实曲线和最大干密度、最佳含水量的方法是方便、可行且比较精确的。2.8结论本文根据含水量与干密度之间的关系，以土体的物理性质和压实曲线为对象，研究了细粒土的压实特性，研究成果有：（1）研究了细粒土的室内击实曲线，总结了细粒土压实理论的发展，分析了影响细粒土压实特性的因素；（2）对全压实曲线进行了研究，讨论了细粒土的压实机理，在总结前人研究全压实曲线特征（边界条件、曲线形状及范围等）的基础上，建立了4参数全压实曲线方程，并讨论了4参数对全压实曲线的影响及其自身的影响因素。（3）在对细粒土物理性质指标测试的基础上，通过室内击实试验，探讨细粒土的物理性质指标和击实功对细粒土体压实特性的影响，建立与物理性质指标和击实功相关的击实曲线函数。（4）验证了全压实曲线方程的正确性，此方程可以较好地描述土体在大含水量范围内的压实特性，应用此方程能精确确定土体压实的最大干密度和最佳含水量。（5）探讨了压实曲线形状与土体物理性质的关系，并建立起了土体物理指标与全压实曲线方程参数之间的量化关系，这样我们便可通过对土体物理性质指标的量测，直接确定土体的压实曲线方程参数。36 硕士学位论文第3章压实状态与压实填土工程性质3.1概述对于公路路基来说，强度高、密实度大、稳定性好、渗透性低，就是所希望得到的工程性质，而对土体进行压实能提高其工程性能。强度和稳定性是确定路面结构类型及厚度设计的依据，又是保证路面稳定的基础；提高路基强度和稳定性，可以降低路面厚度，从而降低公路造价。本章重点研究了细粒土的压实状态与压实土的强度和变形性能的关系。在室内，用相同的击实功对同一种土在不同含水量下进行击实试验和强度试验，可以发现，不同含水量的各个试件的干密度和强度是不相同的。在普通直角坐标系上，以干密度和强度为纵坐标，以含水量为横坐标，可以得到两条不同的曲线。即是含水量与干密度关系曲线，和强度与含水量关系曲线。通过本文的击实、无侧限抗压强度和承载比（CBR）等试验，发现无论是含水量～干密度关系、还是含水量～强度关系曲线，都有一个峰值，这说明了压实对土的强度有明显的影响。同时，压实与土体变形性能试验表明，压实也可以明显地减少路基土的变形、孔隙率明显减小，而使渗透系数降低，饱水量减小，稳定性增加。然而影响细粒土路基强度和稳定性的因素是很多的，在相同的压实功能和土性条件下，通常粘性土的含水量、空隙率、饱和度、密实度均可对路基强度和稳定性产生较大影响，到底哪些因素的影响最大；并且在细粒土的全压实曲线上，其各强度指标是如何随含水量变化的；土体的压实状态（含水量和压实度）与土体的孔隙比有怎样的关系，它们又是如何对路基强度和稳定性产生影响的，这些问题都需要一一探讨。3.2压实土体的强度性能本文在击实试验的基础上，通过测定三种细粒土土样在不同击实功下的强度指标（无侧限抗压强度、直接快速剪切试验的c和φ值、CBR指标）随含水量的变化情况，分析了土体压实状态（压实度、饱和度）与强度指标之间的相互关系。3.2.1击实试验[5]按《公路土工试验规程》（JTJ051-93）中的T0131-93对土样进行击实试验，试验仪器有图2.11的重型击实仪和标准击实仪；试验要点如下：①所有的土样都被完全烘干，土样充分碾碎，并过2mm筛；37 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究②在配制土样时，含水量范围比传统击实试验范围更广，在每一种击实功下，含水量都是从0％开始，每隔2％～3％含水量配置击实土样，直至达到潮湿不能有效击实为止；③每种土样都分三种击实功进行，具体击实方法参数指标见表2.8；④对配制好的样品闷料一夜后进行各种击实功下的击实试验，土体含水量以击实后实测值为准。3.2.2无侧限抗压强度试验[5]按《公路土工试验规程》（JTJ051-93）中的T0148-93对击实后的试件进行无侧限抗压强度试验。无侧限抗压强度试验如同在三轴仪中进行σ3=0的不排水剪切试验一样，在不加任何侧向压力的情况下施加垂直压力，直到使试件剪切破坏为止，剪切破坏时试件所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度qu。若最大轴向应力不明显，取轴向应变15％处的应力作为该试件的无侧限抗压强度qu。试验要点如下：①在本试验中，为了减小对压实后的试件在取样时产生的扰动，所以使用了脱模后的整个试件进行无侧限抗压强度试验，试件直径等于击实筒内径100mm，高127mm，试件高径比为1.27；②用路测仪（如图3.1）施加轴向压力，路测仪升降台上放置中间夹层为圆球面的垫块，且在夹层中间土涂抹凡士林，可以防止轴向压力产生的偏心；③并在削平的试件两端涂上凡士林，以降低端部的摩擦力，保证试件能自由地横向变形。试验后试件的破坏状如图3.2所示。图3.1试件安装到路测仪上图3.2无侧限抗压强度试验试件破坏状况38 硕士学位论文1.925002000土样1重型击实土样1中间功击实击实曲线1.8击实曲线）））3强度曲线2000）强度曲线1.8KPa31500KPag/cm（g/cm1.7（1500（（1.710001000干密度1.6干密度1.6500500无侧限抗压强度无侧限抗压强度1.51.50051015200510152025含水量（％）含水量（％）图3.3A土样1含水量、干密度与qu关系图3.3B土样1含水量、干密度与qu关系10001.852500土样1轻型击实土样2重型击实击实曲线1.7强度曲线800）1.80击实曲线）3）强度曲线2000KPaKPa）3g/cm1.6600（1.751500（（g/cm（1.7040010001.5干密度1.65200干密度5001.4无侧限抗压强度无侧限抗压强度1.60005101520250510152025含水量（％）含水量（％）图3.3C土样1含水量、干密度与qu关系图3.4A土样2含水量、干密度与qu关系200010001.75土样2中间击实1.65土样2轻型击实击实曲线击实曲线）强度曲线）1.60强度曲线8001.701500KPa）KPa3）3（1.65（g/cm1.55600g/cm1000（（1.601.504001.55500干密度干密度1.45200无侧限抗压强度1.50无侧限抗压强度1.40051015202530051015202530含水量（％）含水量（％）图3.4B土样2含水量、干密度与qu关系图3.4C土样2含水量、干密度与qu关系1.825001.72000土样3重型击实土样3中间击实击实曲线击实曲线））1.7强度曲线2000））强度曲线160033KPaKPa1.6g/cm1500（g/cm1200（1.6（（10001.58001.5干密度干密度5004001.4无侧限抗压强度无侧限抗压强度1.40005101520253035051015202530含水量（％）含水量（％）图3.5A土样3含水量、干密度与qu关系图3.5B土样3含水量、干密度与qu关系39 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究图3.5C土样3含水量、干密度与qu关系图3.6土样1的含水量w与qu关系通过对三种不同的细粒土在不同的三种击实功下进行击实，然后用整个脱模试件直接进行无侧限抗压强度试验，并绘制了无侧限抗压强度qu沿全压实曲线的变化情况，如图（3.3）～（3.6）所示；同时，将三种土样的全压实拟合曲线也绘制在图中，并且在表3.2里面列出了三种土样在不同击实功下，它们的最佳含水量wopt，压实敏感阀值含水量wcst和无侧限抗压强度峰值时的含水量wqu·max，以便于比较分析。表3.2三种土样的wcst、wopt和wqu·max的关系重型击实功中间击实功轻型击实功土样1土样2土样3土样1土样2土样3土样1土样2土样3wcst(%)－－－9.0011.2513.508.9011.4513.40wopt(%)13.8717.2018.0015.7319.2020.6117.5122.2222.92wqu·max(%)13.1217.0517.8512.4617.4317.5013.2017.2017.55通过对上图及表3.2的对比分析，我们得出以下结论：（1）在全压实曲线上，当含水量比较小时，无侧限抗压强度值qu随着含水量的增大而增大，当出现峰值后又随着含水量的增大而减小；（2）在压实曲线的峰值点附近，随着含水量的增加无侧限抗压强度总是减小的，因此，在干测击实要比在湿侧击实获得更高的无侧限抗压强度值；（3）由表3.2可知，出现无侧限抗压强度qu峰值时的含水量wqu·max与击实功有关，击实功越高，出现峰值时的含水量就越接近最佳含水量wopt；用轻型击实功对细粒土进行击实时，无侧限抗压强度峰值出现在全压实曲线的压实敏感阀值含水量wcst与最佳含水量wopt的中间；而用重型击实功进行击实时，无侧限抗压强度峰值接近最佳含水量wopt，但稍小于最佳含水量；用中间击实功对细粒土进行击实时，无侧限抗压强度峰值出现在以上二者之间；（4）当土样的含水量低于其最佳含水量时，虽然土的干容重比较小，但其强度比最佳含水量时的强度要大得多。这是因为此时的压实功虽未使土样达到最密40 硕士学位论文实状态，但它克服了土粒间引力等的联结形成了新的结构，能量转化为土的强度的提高，而且较大的击实功不仅增加了土的密实度也提高了土的强度。也就是说，压实土的强度在一定条件下可以通过增大压实功来提高。（5）由图3.6可知，当含水量不是很高的情况下，击实功越高，所得到的无侧限抗压强度qu值越大；在三种不同击实功下，qu达到峰值时的含水量几乎相等，这一点表3.2也可以体现出来；但是随着土样含水量继续增大，达到接近饱和时，击实功对无侧限强度的影响变小，不同击实功下的qu值相差无几；土样2和土样3也有类似结果。3.2.3直接快剪试验从工程应用来讲，粘聚力c和内摩擦角φ是现有计算方法中很重要的强度指标，是压实细粒土强度宏观上的体现。而这两个强度指标不仅取决于干密度的大小，而且受含水量的影响也很大。基质吸力是非饱和土的一个重要指标，对于非饱和粘性土而言，基质吸力与其表观凝聚力有关，而表观凝聚力是土体总凝聚力的一部分，因此饱和度的变化直接影响了土体凝聚力的大小。那么，对于细粒土而言，饱和度、干密度的变化对压实细粒土强度指标有多大影响呢？按《公路土工试验规程》（JTJ051－93）中的T0140-93对土样进行直接快剪试验，用应变控制式直剪仪。本文首先对三种不同的细粒土在不同的三种击实功下进行压实，然后再进行直接快剪试验，得到了不同含水量下各试样的粘聚力c和摩擦角φ值。图（3.6）～（3.8）呈现了不同含水量时压实细粒土抗剪强度c值与饱和度的对应关系；图3.9～图3.11显示了三种土样在不同击实功下的饱和度与粘聚力c值关系；图3.12～3.14是三种土样的摩擦角φ值随含水量变化的关系曲线。100400土样1重型击实90饱和度350粘聚力c值8030070250值60c（％）20050150粘聚力40饱和度301002050100246810121416182022含水量（％）图3.6土样1重型击实功下含水量与粘聚力、饱和度关系41 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究100土样1中间击实功300饱和度粘聚力c值8025020060值（％）c15040100粘聚力饱和度502005101520含水量（％）图3.7土样1中间击实功下含水量与粘聚力、饱和度关系200土样1轻型击实80饱和度粘聚力c值1507060100值c（％）50粘聚力50饱和度400308101214161820含水量（％）图3.7土样1轻型击实功下含水量与粘聚力、饱和度关系重型击实中间击实轻型击实300）KPa（200值c100粘聚力020406080100饱和度（％）图3.9土样1在不同击实功下的饱和度与粘聚力关系42 硕士学位论文350重型击实中间击实300轻型击实）250KPa200（值150c100粘聚力50020406080100饱和度（％）图3.10土样2在不同击实功下的饱和度与粘聚力关系400重型击实）中间击实轻型击实KPa300（值200c100粘聚力020406080100饱和度（％）图3.11土样3在不同击实功下的饱和度与粘聚力关系从图3.6～图3.11中，我们可以得出如下结论：（1）在全压实曲线上，随着含水量w的增大，直接快剪试验的粘聚力c值先增大，达到峰值后逐渐减小；出现粘聚力峰值时的含水量与无侧限抗压强度峰值时的含水量接近；（2）在全压实曲线上，随着饱和度Sr的增大，直接快剪试验的粘聚力c值也是先增大，达到峰值后逐渐减小；并且，击实功越大，粘聚力达到峰值时的饱和度越高；（3）在不同击实功下，粘聚力c的峰值大致出现在全压实曲线的压实敏感阀值含水量wcst附近，反映在含水量～饱和曲线上，即饱和度随含水量呈非线性变化的起点上；而后进入全压实曲线的有效压实区域，粘聚力c值逐渐较小；（4）在不同击实功作用下，当含水量相同时，粘聚力c值也有差别；在含水量比较小或者饱和度比较高时，三种击实功下的粘聚力c值相差无几；在全压实曲线的有效压实区域，粘聚力c值达到峰值时，三种击实功下的c值相差很大，击实功越高，c值越大；反之，压实功越低，c值越小；43 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究50重型击实功中间击实功40轻型击实功值φ30摩擦角20105101520含水量（％）图3.12土样1的摩擦角φ与含水量关系曲线50重型击实功中间击实功轻型击实功40值φ30摩擦角200510152025含水量（％）图3.13土样2的摩擦角φ与含水量关系曲线重型击实功50中间击实功轻型击实功40φ值3020摩擦角1051015202530含水量（％）图3.14土样3的摩擦角φ与含水量关系曲线（5）由图3.12～图3.14可知，直剪试验所得的摩擦角φ值随含水量的增大呈较小趋势；但对同种土样来说，压实功的大小对摩擦角影响较小，不同击实功下的摩擦角基本相同。44 硕士学位论文3.2.4承载比（CBR）试验承载比试验是由美国加洲公路局首先提出来的，简称（CaliforniaBearingRatio）试验。所谓CBR值，是指试验贯入量达到2.5mm时，单位压力与标准碎石压入相同贯入量时标准荷载强度的比值。用于测定路基基层、垫层或土基材料的相对承载值。路基土的CBR值是反映土壤抗垂直位移的能力指标，当接近极限平衡条件时，则兼而反映土壤抗剪力的相对量度。国外常用路基和路面材料的CBR值直接指导设计。在《公路土工试验规程》（JTJ051－93）中，只在填料的最佳含水量下进行承载比试验，而本文中，取最佳含水量附近的四到五点来进行承载比试验，以研究CBR随含水量的变化情况；试验包括泡水试验和不泡水试验两种，并测定泡水试样的膨胀量及膨胀率，以研究相同土体状态下不泡水CBR值与泡水后的CBR值之间的差别。图3.15贯入前有明显膨胀图3.16泡水CBR贯入后对上述三种细粒土进行CBR试验后，图3.17～图3.22显示了三种细粒土的承载比（CBR）试验结果：重型击实25重型击实80中间击实中间击实轻型击实20轻型击实60（％）1540（％）值值10CBR20CBR5001214161812141618含水量（％）含水量（％）图3.17土样1不泡水CBR与含水量关系图3.18土样1泡水CBR与含水量关系45 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究16重型击实80重型击实中间击实中间击实轻型击实12轻型击实60（％）（％）值8值40CBRCBR420014161820221416182022含水量（％）含水量（％）图3.19土样2不泡水CBR与含水量关系图3.20土样2泡水CBR与含水量关系重型击实75中间击实重型击实24中间击实轻型击实轻型击实6020（％）16（％）45值12值30CBR8CBR4151618202216182022含水量（％）含水量（％）图3.21土样3不泡水CBR与含水量关系图3.22土样3泡水CBR与含水量关系通过图3.17～图3.22及表3.3～表3.5中试验结果的对比分析，我们可以得出以下结论：（1）最佳含水量附近，在击实方法及击实功相同的情况下，如果试件不进行泡水，直接进行CBR贯入试验，CBR值随着含水量的增大而逐渐减小；这种情况与无侧限抗压强度和直剪试验粘聚力c值的变化趋势相同；也再次验证了在最佳含水量的干侧，土体压实后的强度越高的这一结论；（2）对于不泡水CBR试验，含水量小于最佳含水量及最佳含水量附近，同等含水量下，压实功越高，所得的CBR值也越大；但是随着含水量的继续增大，重型击实功下的CBR值减小的快而轻型击实功下的CBR值减小的比较缓慢，即击实功越大时，CBR值减小的越快；甚至在某一含水量下，重型击实下的CBR值小于中间击实功和轻型击实功下的CBR值；其原因可能是击实功过大，造成了土体结构的破坏，与工程实践中出现的“橡皮土”现象较为类似。46 硕士学位论文表3.3土样1的承载比CBR试验数据结果土样1含水量CBR值干密度孔隙率饱和度1281.1261.7920.50364.2731456.7221.8740.43786.268重型击实14.547.0711.8750.43689.5061616.881.8360.46792.310184.3091.7660.52592.3461255.2741.6860.59754.106试验1437.5161.7560.53470.656CBR中间击实功14.533.2591.7790.51476.0041627.161.8070.49087.878不泡水186.1851.7530.53690.3991238.8791.5570.73044.2921428.2251.6180.66456.746轻型击实14.521.1861.6390.64360.7221618.8151.7020.58274.0021810.8761.7280.55886.801124.4041.7920.50364.2731412.6591.8740.43786.268重型击实14.523.8611.8750.43689.5061612.7771.8360.46792.310185.2351.7660.52592.346123.3791.6860.59754.106147.5821.7560.53470.656试验中间击实功14.516.4391.7790.51476.004CBR1610.9911.8070.49087.878泡水185.9831.7530.53690.399121.5571.5570.73044.292147.5821.6180.66456.746轻型击实14.53.8671.6390.64360.722167.1491.7020.58274.002187.1741.7280.55886.80147 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究表3.4土样2的承载比CBR试验数据结果土样2含水量CBR值干密度孔隙率饱和度15.10368.6831.7820.52678.04417.59462.0591.8070.50594.715重型击实18.96845.7421.7730.53496.59421.1212.7361.7070.59396.80315.09155.5911.6710.62865.386试验17.56942.9331.7160.58581.677CBR中间击实功19.1434.3451.7370.56691.99321.31614.6771.7020.59896.936不泡水15.09432.1011.5490.75654.30817.48226.4761.5690.73464.820轻型击实19.17120.8041.5950.70573.93021.56116.9331.6340.66588.23915.763.3971.7980.51383.59618.2811.8241.7930.51796.171重型击实19.0614.4881.770.53796.59221.1411.3421.7060.59496.74215.762.2421.680.61969.247试验18.286.1151.7290.57386.749中间击实功CBR19.068.7581.7370.56691.609泡水21.1411.4211.7070.59396.89415.761.5081.5530.75157.04618.282.7891.580.72268.912轻型击实19.213.31.5960.70474.19321.1410.9071.6120.68783.656（3）对于泡水CBR试验，在最佳含水量wopt处CBR并非取得最大值，泡水CBR值是先随含水量增大，在某一含水量范围取得较高稳定值，而后又呈减小趋势；对比分析本文中三种不同物理性质的细粒土样，在不同击实功下，泡水CBR值在含水量wopt~wopt+3%范围内相对较高，并且此时与之对应的不泡水CBR值也48 硕士学位论文不低，能满足路基使用要求；说明此含水量范范围属于水稳定性和强度均较好的范围。表3.5土样3的承载比CBR试验数据结果土样3含水量CBR值干密度孔隙率饱和度15.59171.6981.7040.58771.79218.92561.6111.7270.56690.398重型击实19.66652.3261.7150.57792.15421.25221.0251.6760.61493.63215.42952.1871.5800.71258.615试验18.54942.2741.6320.65776.315CBR中间击实功19.76842.1821.6510.63883.76021.26523.3771.6530.63690.384不泡水15.57736.4971.4690.84150.07918.43028.9371.5000.80362.058轻型击实19.17125.1611.5140.78765.92121.51016.9331.5610.73379.39315.7607.3831.7070.58572.91718.28020.2341.7310.56387.878重型击实19.06014.4881.7250.56890.75121.14016.7741.680.61093.72515.7604.6141.5840.70860.238试验18.28010.2671.6270.66374.630中间击实功CBR19.0608.7581.6420.64779.640泡水21.14019.5841.6540.63589.99215.7603.8331.7070.58572.91718.2805.1121.4990.80561.461轻型击实19.2103.3001.5150.78566.15521.14015.9811.5550.74077.32249 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究3.3压实度对压实细粒土强度的影响3.3.1压实度与无侧限抗压强度的关系在上一节无侧限抗压强度试验的基础上，我们来总结无侧限抗压强度与压实度、直剪之间的定性变化关系。在一条压实曲线上，对应某一压实度时（100％除外），往往有两个含水量，即最佳含水量的干侧和湿侧含水量。下图3.23～图3.26就显示了三种土样分别在干侧和湿侧的无侧限抗压强度与压实度之间的变化关系。1200土样1土样1u600q土样2土样21000qu土样3500土样3800400600无侧限强度300无侧限强度400200200100939495969798939495969798压实度K(%)压实度(K)(%)图3.23重型击实功下湿侧的K与qu关系图3.24中间击实功下湿侧的K与qu关系土样1）土样1300土样2KPa400重型qu土样3中间（uq轻型200300100无侧限强度2000无侧限抗压强度10092939495969798939495969798压实度K(%)压实度K（％）图3.25轻型击实功下湿侧的K与qu关系图3.26土样1在湿侧的K与qu关系1600土样1900uu土样2q800q1400土样370060012001无侧限强度500无侧限强度210004003300800939495969798939495969798压实度K(%)压实度K(%)图3.27重型击实功下干侧的K与qu关系图3.28中间击实功下干侧的K与qu关系50 硕士学位论文通过对以上图3.23～图3.28的比较分析，我们可以得出以下结论：（1）在最佳含水量的湿侧，无论采用何种击实功击实，压实度K值越大，对应的无侧限抗压强度qu越高，也就是说，在接近于最佳含水量时的无侧限强度值最大；这也说明了，在含水量大于最佳含水量wopt以后，无侧限抗压强度qu一直是呈减小趋势的，这与（3.2.2）中的结论是相吻合的；（2）在图3.26中土样1的最佳含水量的湿侧，击实功越高，无侧限强度值qu随压实度的增大越显著，这说明压实功越高，随含水量的增大，qu减小越快，这也与图3.5D中的现象一致（土样2、3也有同样的趋势）；（3）但在最佳含水量的干侧，如图3.27、3.28所示，压实度K值与qu值之间的关系与压实功的大小有关；因为根据（3.2.2）的结论我们知道，在重型击实功下，无侧限抗压强度和干密度是在同一含水量下达到峰值的，K越高，qu也越大；而对中间击实功和轻型击实功作用下，无侧限抗压强度的峰值出现在压实敏感阀值含水量附近，因此就会出现这种情况：在K小于100％的的某一值，无侧限抗压强度达到最大值（如图3.28所示）。3.3.2压实度与直剪试验c、φ值间的关系3选取某一土样（低液限粘土），在重型击实功下最大干密度为1.98g/cm，最佳含水量为12.7％。根据击实试验结果，制备不同含水量w、不同压实度K的试件，进行泡水与不泡水情况下的直剪快剪试验，将K值分别与试验结果(粘聚力c、内摩擦角φ)进行线性回归，可得到c～K、φ～K的关系式，见表3.6。由此可知：表3.6泡水和不泡水下的c~(K)和φ~(K)关系不泡水泡水含水量％c(φ)~K关系相关系数Rc(φ)~K关系相关系数Rc=-370.64+6.66KR=0.664c=-130.16+1.62KR=0.8297.3φ=-179.87+2.8KR=0.968φ=-28.31+0.59KR=0.954c=-897.99+11.29KR=0.899c=-370.64+6.66KR=0.90310φ=-124.79+1.74KR=0.867φ=364.01+4.21KR=0.799c=-446.4+6.0KR=0.950c=12.55+0.18KR=0.96512.4φ=-18.4+0.55KR=0.988φ=-18.4+0.55KR=0.954c=-334.55+4.99KR=0.788c=-113.02+1.71KR=0.69315.4φ=-27.55+0.62KR=0.918φ=-131.2+1.72R=1.000c=-410.85+5.0KR=0.819c=-263.45+3.31KR=0.85617.6φ=15.54+0.08KR=0.612φ=3.24+0.23KR=0.767（1）除个别外，c～K、φ～K有较好的线性关系，即c、φ随着K的增加而51 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究增加，c～K关系的斜率明显大于φ～K关系的斜率，说明压实度K对粘聚力c的影响比对内摩擦角φ的影响大；（2）不饱水情况下c～K关系的斜率大于饱水情况下的斜率。当w小于最佳含水量时，不饱水情况下φ～K关系的斜率大于或接近于饱水情况下的斜率；而当w大于最佳含水量时，不饱水情况下φ～K关系的斜率小于饱水情况下的斜率。3.3.3压实度K与CBR值之间关系我国JTJ013－95《公路路基设计规范》提出路基填料的最小CBR值指标，作为路基设计的依据。虽然压实度和CBR强度均被用作为衡量路基土填料性能的指标，但两者之间的关系尚待探讨。通过对制样方法的改进，制作了五种不同预定压实度的CBR试件并测试其CBR强度值，求得了路基土的CBR强度和压实度之间的关系，并得出了关于路基土的各项性能与压实度之间关系的有价值的结论。为研究细粒土填料的CBR与压实度之间的关系，本文选取文献[42][43]中的试验数据，对7组细粒填料分别进行了不泡水CBR试验和泡水的CBR试验。表3.7试样物理性质指标试不均匀曲率系比重液限塑限塑性指最大干密度最佳含水量3样系数Cu数CcGswL(%)wp(%)数Iprdmax(g/cm)wopt(%)114.002.402.7229.5016.0013.501.9812.202210.033.402.7036.2021.5014.701.8614.50347.002.202.7128.0016.3011.701.9512.6045.101.152.7334.2021.0013.201.7615.80527.001.282.6730.7019.2011.501.7316.20614.108.402.6724.0013.2010.801.8910.50726.000.362.7325.5013.8011.702.059.3052 硕士学位论文表3.8压实度K与不泡水CBR和泡水CBR之间的关系CBR（％）不泡水CBR（％）泡水试样100.095.090.085.0100.095.090.085.0125.024.021.08.021.018.06.02.0243.632.024.014.017.014.07.05.0328.024.014.010.054.016.07.02.0443.021.015.011.015.05.03.00.3545.023.019.018.020.04.02.01.0674.046.016.011.050.020.05.01.3751.040.028.020.053.07.01.00.3试验采用不同压实系数下的试样，所有试样均在最优含水量条件下按不同压实度制备。试样填料的物理性质指标见表3.7，CBR试验结果见表3.8和图3.29。从图3.29可以看出，在泡水状态下：（1）压实度从85%提高到90%的过程中，7组填料的CBR值都<10%，增大的幅度基本一致；（2）压实度提高到95％时，填料的CBR值变化趋势区别较大，有4组填料可以满足CBR≥10%的要求，其中1号、2号、3号、6号试验CBR增长较快，从<7%增大到14%～20%，而4号、5号、7号试验CBR虽有变化但仍<10%；（3）当压实度提高到100％时，7组填料全部都能满足CBR≥10%的要求，其中3号、5号、6号和7号试样CBR值在压实度增加到95％以后变化剧增，尤其是2号、6号、7号试样CBR值变化最明显，在95％的压实度下CBR值尚不能80不泡水试验60泡水试验试样编号12试样编号341260564034（％）7（％）56407CBRCBR20200859095100859095100压实度K（％）压实度K（％）图3.29承载比CBR与压实度K的关系曲线满足CBR≥10%的要求，但当压实度提高到100％时CBR值达到50%以上，1号、2号、4号、5号试样在100％的压实系数下CBR值分别达到21%、17%、15%和20%。53 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究不泡水状态下的CBR～压实度K关系曲线也反映了同样的现象。[44]汪益敏等指出，地基基层材料的抗压强度与压实度的关系基本成直线变[45]化，压实度越大抗压强度越大，刘登普等通过试验得出两者大致呈指数关系．现bx设其表达式为ya=e；式中：y为CBR强度值（％），x为压实度(％)，有了压实度和对应的CBR值，我们就可以探求系数a和b的值，即可得到具体表达式。bx如果按照式子ya=e对表3.8中的泡水和不泡水试验数据进行拟合，则可得到式中参数a和b的值，如表3.9所示。在表中我们可以看到：2（1）除土样1的不泡水数据外，拟合相关系数R很接近于1，说明CBR强度值与压实度K之间呈指数关系是比较合理的；（2）粘土的CBR强度随压实度的增大而显著增大，基本呈现指数关系，提高路基土的压实度即可降低回填路基的后期固结沉降又可有效提高土体的CBR强度；（3）不同的粘土具有不同的物理力学性质，其承载比CBR与压实度之间的关系会有所不同，但是其指数关系还是能够肯定的；拟合后所得到的参数值各不相同，甚至相差甚大，这说明这两个参数与土样的物理性质指标有紧密关系；（4）由表可知，对于a值来说，泡水试验与不泡水试验的拟合结果相差很大，即泡水后的a值比较小，这是因为泡水后的CBR值明显下降的结果；对于b值来说，泡水与不泡水试验对其影响较小。表3.9几种土样数据经拟合后表达式中的a和b值试样1234567a0.20490.04910.04010.00100.01890.00020.1199b0.04890.06800.06590.10680.07720.12670.0607不泡水2R0.69510.98520.94150.96600.87000.97460.9919a0.00050.00671.242E-63.474E-82.016E-118.476E-82.572E-12b0.10680.07890.17530.19880.27610.20200.3064泡水2R0.86240.93870.97450.98860.99200.99530.98903.4压实度和含水量对变形特性的影响3.4.1压缩试验的荷载p与孔隙比e的关系根据击实试验结果配制不同含水量在不同击实功下的试件（击实后得到不同的压实度K），采用单轴固结仪法进行压缩试验，加压荷载p与孔隙比e的试验结果图3.30（A、B、C、D）及所示。54 硕士学位论文重型重型0.7中间0.60中间轻型)e轻型)e0.55((0.60.500.5孔隙比孔隙比0.450.41002003004000100200300400荷载(KPa)荷载(KPa)图3.30Aw＝9.5％的e～p曲线图3.30Bw＝11.44％的e～p曲线重型重型中间中间轻型)0.5轻型0.6e)e((0.50.40.4孔隙比孔隙比0.30.301002003004000100200300400荷载(KPa)荷载(KPa)图3.30Cw＝13.50％的e～p曲线图3.30Dw＝14.2％的e～p曲线比较同一含水量不同压实功试样的e～p曲线，可以看出它们e～p曲线是极为相似的。根据这些特点，可得出如下一些规律：（1）相同含水量下，孔隙比e随击实功（即压实度K）的增加而减小，同样，e～p曲线斜率随压实度的增加而减小，压实度越大，e～p曲线越平坦，压缩性越小。（2）相同压实度下，e～p曲线斜率随含水量增加而增加，含水量越大，曲线越陡，压缩性增大，表明在相同压力变化范围内，土的孔隙比减小得越多，则土的压缩性越高；（3）在不同压实度下，e～p曲线总的趋势是随着压力p的增加，孔隙比e相互接近，即压力p较小时，压实度对压缩性的影响较大，当压力p较大时(如高填土路基)影响减弱；（4）填土的沉降量不仅随其压实度的降低而增大，而且还随其含水量的增大而增大。55 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究3.4.2压实度与孔隙比e的关系下图3.31（A、B）显示了在不同含水量下压实填土后，所得不同压实度与对应的孔隙比e之间的关系曲线，每种土样都是按三种击实功击实，由此我们可以得出：（1）在全压实曲线上，无论击实功如何，在不同含水量处击实时，所得的孔隙比与对应的压实度之间呈递减趋势，即压实度越大，孔隙比e却减小，并大致呈直线关系；（2）对于同一种土来说，轻型击实的e～K曲线总在上面，而重型击实的e～K曲线在最底下，这说明：当压实度相同时，随着击实功的增大，击实后土样的孔隙比将越小；重型击实重型击实中间击实中间击实0.65轻型击实0.8轻型击实e0.60e0.70.55孔隙比孔隙比0.60.500.50.45939495969798939495969798压实度K（％）压实度K（％）图3.31A土样1的e～K曲线图3.31B土样2的e～K曲线3.5结论本文在第二章击实试验的基础上，通过测定三种细粒土土样在不同击实功下的强度指标随含水量是如何变化的，分析土体压实状态（压实度、含水量）与强度指标之间的相互关系，并分析这些强度指标沿全压实曲线的变化情况。（1）在分析细粒土填料压实特性的基础上，通过对三种细粒土土样在不同击实功下的强度试验，包括无侧限抗压强度、直接剪切试验和CBR试验，探讨了土体压实含水量、压实度和空隙率对强度的影响，并提出压实填土的强度随含水量的变化情况及其沿全压实曲线的分布状况。（2）分析了土体压实含水量沿全压实曲线对强度指标的影响，土体压实后的强度并不是在最佳含水量处达到最大值，其位置不仅与压实含水量有关，也与压实功有关；重型击实功下，最大强度值比较接近于最佳含水量，而在轻型击实功下，最大值大致出现在全压实曲线的压实敏感阀值含水量wcst附近；56 硕士学位论文（3）首先分析压实度和含水量对变形特性的影响，并且通过室内压缩试验，得到了压缩试验的荷载p与孔隙比e关系、压实度与孔隙比e之间的关系，探讨了压实填土的压缩性与填土压实状态和空隙率的关系。分析了环境变化对土体工程性质和路基整体稳定性的影响。57 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究第4章细粒土路基填料的压实控制4.1概述我国现行的高速公路路基压实控制标准制定于八十年代，这在当时交通量低，轴载轻情况下是可行的，随着交通量的迅猛增长和大轴载车辆的增加，现行的压实控制标准已越来越难以适应高速公路路基强度和稳定性的要求。目前，我国高速公路中出现了路面开裂、局部沉陷等早期病害，路基压实不足或压实标准偏低是其中一个重要原因。因此，路基压实标准问题已经成为制约我国高速公路发展的一个重要问题，对高速公路路基压实标准的研究具有十分重要的工程意义。我国南方大都为潮湿多雨地区，粘性土路基填料含水量普遍偏高，压实难度较大，但这也是公路路基压实中一个不可回避的问题。公路工程中，大吨位施工机械的应用，对达到压实标准所要求的压实度提供了有力的保障，但对于湿粘土路基，填料受碾压或夯打后，容易形成软塑状态的“橡皮土”，土的强度明显降低，承载力下降，结构不稳定。可见，对湿粘土的压实制定一个合理的压实标准湿很有必要的。新压实标准对于潮湿粘土的压实问题，原则同意适当降低压实标准，但并未提出明确的控制指标，是目前路基控制中的一个空白点。在我国，无论何种土质均采用压实度方法控制，并对路基的不同层位规定了不同的压实度，并逐步用重型击实取代轻型击实。但是，具有良好工程性质的路堤，决不只取决于一个压实度指标，还与含水量、土性、工程使用环境等因素有关。而对比分析日本和美国土基压实控制标准，二者都具体地考虑了土颗粒组成对压实的影响，并根据不同的土质采用不同的控制指标、不同的压实方法。含水量控制方面，我国施工技术规范中要求压实含水量在wopt±2%范围内，这只是基于以最小的压实功获得规范规定的压实度而规定的。但是对于细粒土来说，路堤稳定性程度与初始含水量、稳定含水量有密切关系，控制含水量与控制压实度同等重要；并且，在路基压实施工中，干法和湿法施工也是一直有争议的问题，因为在最佳含水量的干侧和湿侧土体压实后的工程性质相差很大。因此，需要在具体研究压实土体的强度、压缩性与压实性能之间关系的基础上，对压实度单指标控制压实质量的合理性做进一步深入研究，并提出了建议控制标准。4.2国内湿粘土压实控制指标及标准的现状4.2.1我国现行的土质路基压实控制指标及标准[14]在我国的《公路路基施工技术规范》JTJ033-95和《公路路基设计规范》58 硕士学位论文[15]JTJ013-95中都规定了土质路基的压实度(重型)标准（表4.1）和路基填料最小强度标准（表4.2）。表4.1路基压实度（重型）路面底面以下深度压实度（％）填方类型(cm)高速公路、一级公路其它等级公路上路床0～30≥95≥93下路床30～80≥95≥93填方路基上路基80～150≥93≥90下路基150以下≥90≥90零填及路堑路床0～30≥95≥93注：①表列数值系按《公路土工试验规程》重型击实试验法求得的最大干密度的压实度；②特殊干旱或特殊潮湿地区，压实度标准可根据试验资料确定或较列表数值降低2～3个百分点。表4.2路基填料最小强度路面底面以下填料最小强度（CBR）（％）项目分类深度(cm)高速公路、一级公路其它等级公路上路床0～3086下路床30～8054填方路基上路基80～15043下路基150以下32零填及路堑路床0～3086从表4.1可以看出，凡适合填筑路基的土，无论何种土质，均采用压实度方法进行控制并对路基的不同层位规定了不同的压实度。对于含水量的控制，虽然在路基施工技术规范中规定“细粒土、砂类土和砾石土不论采用何种压实机械，均应在该种土的最佳含水量±2%以内压实”，但在[16]《公路工程质量检验评定标准》JTJ071-94中的土方路基的验收项目中并没有对含水量提出具体要求，即路基验收时只要路基的压实度及弯沉等指标符合要求，而不论含水量的大小。4.2.2国内其他学者的研究成果除了《公路路基施工技术规范》和《公路路基设计规范》中规定的压实控制59 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究标准外，很多学者也对细粒土路基及湿粘土路基的压实控制标准进行了研究。[46][50]杨世基（1991年）和吴立坚（2003）从湿粘土的工程性质出发，认为路基压实不应采用重型击实标准，而以稠度、饱和度双指标压实标准控制压实较[47]为适宜。凌旭初（1995）认为对于细粒土来说，应根据天然稠度指标wc来决定轻、重型压实标准，他指出：首先将细粒土天然稠度指标wc定为1.1，当wc>1.1时使用重型击实标准，wc＝1.0～1.1时使用轻型压实标准。[48]范林眼（2003）提出了利用空气体积率大小来控制湿粘土的压实，从而保[49]证施工质量。韩萍、王志强探讨了用空气体积率控制粉性土、粘性土等细粒土压实度的科学性，并提出了合理的压实度控制指标。建议以空气体积率Va<8%或13%分别作为粉性土、粘性土的压实度控制标准；用空气体积率作为土基压实控制标准，能适应工地土类多变，含水量各异等自然情况，因而更切合实际，更能比较真实反映土体的压实稳定情况。4.3国外路基压实控制标准及其与国内标准的比较4.3.1日本土质路基压实控制标准[17]日本的路基压实控制方法中，首先根据0.075mm筛的通过量将土进行分类，对不同的填土采用不同的控制方法。对0.075mm筛通过量在20％以上的土用空气体积率Va控制，而对0.075mm筛通过量在20％以下的土用密度比(即压实度)K控制，详细规定见表4.3。表4.3日本土质路堤的标准试验和现场管理试验方法及控制标准部位类别试验项目压实度∕Va用Va控制标准试验比值试验75μm≥50%时，Va≤8%的土质现场试验密度和含水量50%≥75μm≥20%时，Va≤13%用K控制标准试验标准击实试验路床上层75μm≤20%时，K≥97%的土质现场试验密度和含水量路床用Va控制标准试验比值试验75μm≥50%时，Va≤8%的土质现场试验密度和含水量50%≥75μm≥20%时，Va≤13%用K控制标准试验标准击实试验路床下层75μm≤20%时，K≥92%的土质现场试验密度和含水量基层标准试验比值试验75μm≥50%时，Va≤8%路基路上60 硕士学位论文用Va控制现场试验密度和含水量50%≥75μm≥20%时，Va≤13%的土质用K控制标准试验标准击实试验75μm≤20%时，K≥92%的土质现场试验密度和含水量用Va控制标准试验比值试验75μm≥50%时，Va≤8%的土质现场试验密度和含水量50%≥75μm≥20%时，Va≤13%用K控制标准试验标准击实试验路基下层75μm≤20%时，K≥92%的土质现场试验密度和含水量表4.3中的密度比法与我国确定压实度的试验方法相同，与我国方法不同的是空气体积率。其计算公式为:ρdvw=−−1ρ（4.1）addS式中Va—空气体积率，ρd—现场两次测得干密度的平均值；dS—现场土的比重；w—现场土的含水量；由上式可知，不同细粒土的空气体积率Va不仅与干密度有关，也与压实含水量、土体比重有关。而对于同种细粒土填料来说，干密度与压实含水量越大，空气体积率就越小。实际上，英国道路与桥梁施工规范（SpecificationforRoadandBridgeWorks，1976)对路基压实状态也是以土中的空气体积率控制的，要求路堤上层Va<5%，下层Va<10%。采用空气体积率进行控制的原因在于，在工地使用不同吨位和不同类型的压路机碾压时，各自的最佳含水量和所能达到的最大干密度虽然不同，但达到最大干密度时，土中的空气体积率却几乎是相同的，土中始终保留有一定的空气体积。4.3.2.美国填土压实度标准[51]美国对填土的压实标准也考虑了土颗粒组成和填筑层位对压实度的不同要详细规定见表4.4。61 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究表4.4美国压实度暂行规范压实度（标准普氏）K（％）土的种类1级2级3级级配良好砾979490级配不良砾979490含粉质土砾989490含粘质土砾989490级配良好砂979591级配不良砂989591粉质砂土989591粘质砂土999692低液限粉质土1009692低液限粘质土1009692低液限有机土－9693注：1级是指一层或二层建筑物以下3米以内填土；路面以下1米以内路基；防洪堤以下0.3米以内地基；2级是指建筑物下3米以下填土；路面、防洪堤3米以下10米以上的填土；3级是指需要一定强度和压缩性的其它填土。4.3.3我国与日本压实控制方法的比较4.3.3.1考虑含水量的角度不同我国在路基压实过程中对含水量的控制是基于怎样以最小的压实功获得规范规定的压实度。因为从压实曲线上可以看出，含水量过大或过小都不能或不易达到规定的压实度。日本的路基压实控制方法中，首先根据0.075mm筛的通过量将土进行分类，对不同的填土采用不同的控制方法。对0.075mm筛通过量大于20％的填土(相当于粘土和粉土)，只能用空气体积率法控制，而不允许用压实度法控制；对0.075mm筛通过量小于20％的填土，才用密度比(压实度)法控制。在空气体积率指标中，综合考虑了干密度与路基压实含水量两方面的影响。4.3.3.2含水量对不同土质的影响不同颗粒组成的土受压实含水量的影响是不同的，但压实度(干密度)控制指标并不能反映什么含水量条件下，对不同颗粒组成的土路基的稳定性更为有利。细粒组含量少的土(如砂性土和塑性指数不大的砂砾土、碎石土)，在施工碾压时，其密度对含水量不敏感，可以放宽对含水量的控制。在路基投入使用后水62 硕士学位论文的侵入不会使土体发生明显膨胀或湿陷，含水量减小，土体亦不会明显收缩。这类土的水稳定性好，是较好的筑路材料。由于这类土的压实状态受水的影响较小，用压实度法控制压实质量是合适的。细粒组含量较多的土(如粘性土，特别是塑性指数较大的土)，水的入侵使土的含水量增加，粘粒与水之间由于各种因素的影响，能够发生一系列复杂的物理化学作用。若超载压力较小时，体积发生膨胀〔膨胀率和初始含水量有关，初始含水量越小，膨胀率越大)，单位体积内颗粒的含量减小，因此干密度减少，土的承载能力降低；若超载压力较大，则可能发生湿陷而引起沉降。相反，当土体含水量变小，体积发生明显收缩，引起土体开裂。因此，对细粒含量较多的土，在道路使用期间路基可能泡水的情况下，不宜在含水量小的情况下压实。1.90试验点1.85)31.80(g/cm1.751.70干密度1.65w1w2912151821含水量(%)图4.1含水量w与干密度曲线关系但压实度法不能反映粘性土遇水的这一特性。如上图4.1所示的压实曲线上，某一干密度对应着两个含水量w1和w2(w1V2，也就是说，在含水量大时更有利路基的水稳定性。Rao等根据试验结果，也建议在压实粘性土时，控制含水量在最优含水量的湿侧，压实至稍低于标准葡氏击实试验的最大干密度，以减少湿化引起的膨胀和湿陷。因此，对细粒成分含量多的土质用空气体积率法控制更趋于合理。凡是压实不足的土，无论其初始密度如何，饱水后都会趋于稳定密实度(相应的含水量称为[1]最大饱和含水量)。压实到稳定密实度的土，受到水作用时其稳定密实度不变，既不发生沉陷，也不出现膨胀，在此种情况下，土的水稳定性最好。路基成型时的含水量和密实度对路基达到或接近稳定密实度具有相当重要的作用，因此，不应仅强调密实度而淡化路基成型时的含水量对稳定性的影响。4.3.4我国与美国压实控制方法的比较从表4-3可见，美国压实规定与日本压实规定一样，都较为具体地考虑了不同土颗粒组成对压实的不同影响。美国将颗粒组成不同的土视为不同的材料，对63 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究AASHTO划分的14种土均确定了具体的压实度要求，细粒成分越多，要求达到的压实度越高。我国现行标准《公路路基设计规范》JTJ013-95和《公路路基施工技术规范》JTJ033-95都规定对细粒成分含量高的粘质土(稠度小于1.1、液限大于40，塑性指数大于18)用作下路床及上、下路堤的填料，当进行表面处治或采用重型压实标准确实有困难时，才允许采用规范所规定轻型压实标准，否则仍应采用重型压实标准。在路堤压实含水量控制方面，我国在路基压实过程中对含水量的控制标准是基于怎样以最小的压实功获得规范规定的压实度。而美国没有全国统一的标准，而各州交通局制定的标准也不完全相同。在美国有31个州没有提出现场含水量的具体控制标准，只要含水量可以保证达到要求的干密度即可，另外19个州则具体提出了路堤压实的含水量控制要求，全美各州交通局提出的路堤压实的不同含水[52]量控制要求见下表4.5，表4.5美国各州关于路堤压实含水量控制规定含水量控制规定州个数含水量控制规定州个数达到规定压实度的合适含水量31-2～11±51±25-4～010～+31-4～230～＋51-4～51≤＋21±31≤＋31-2～01≤115％wopt1从表4.5可以看出，综合各州对含水量的规定，范围是较宽的。很明显，并不存在能达到最好的压实和稳定性的一个一致的标准。有的州不允许含水量超过最优含水量，有的州却又不允许低于最优含水量。在19个规定了具体含水量要求的州中，有5个州的要求与我国《公路路基施工技术规范》JTJ033-95相同，即含水量不超过最优含水量的±2％。有的州的含水量控制要求决定于所使用的材料。比如，堪萨斯州根据土的分类确定了5个不同的含水量控制范围，新墨西哥州根据土的塑性确定含水量的控制范围。从1997年5月开始，依阿华州选择了能代表全州土体类型的六个公路路堤并进行深入研究，于2001年2月进而提出了新的规范，规定了施工中采用含水量的施工图，并推荐了现场快速压实控制和土类鉴别方法。该法建立在土的“经验性的性能分类方法”(EPS)和土的相对密实和/或标准葡氏试验的最大干密度和最优含水量的基础之上。基于规定的室内试验结果，就可以建立粘性土和无粘性土的含水量控制范围。根据填土的性质确定其适宜的含水量，有利于保证路堤的施工64 硕士学位论文质量，与不考虑土的性质而采用同一含水量控制范围的方法相比，该法更合理一些。4.4压实填土的强度影响因素及其在全压实曲线上的特征4.4.1压实填土中空气含量指标的关系孔隙率n、孔隙比e和空气体积率Va是各不相同的，它们都从不同角度反应了土中气体含量的大小；孔隙比（e）等于土的孔隙体积（包括水和气）与土粒体积的比值；而孔隙率（n）等于孔隙体积（包括水和气）与总体积的比值，空气体积率Va等于孔隙中的空气体积与总体积的比值。按土的三相体理论，可用下列式子表征土体中固相Vs、液相Vw和气相Vs间的相互关系，其中：Vs＋Vw＋Va＝1（4.2）ρd或者：+×+=ρνw1（4.3）dadSρdvw=−−1ρaddS式中Va—空气体积率，%，VS—固相体积率，%，Vw—液相体积率，%，3ρ—干密度，g/cm；ddS—土的比重；w—土的含水量，%；4.4.2压实填土强度的影响因素路基是公路的重要组成部分，强度是确定路面结构类型及厚度设计的依据，又是保证路面稳定的基础，提高路基强度，可以降低路面厚度，从而降低公路造价。然而影响细粒土路基强度的因素是很多的，通常粘性土的含水量、空气体积率、密实度均可对路基强度产生较大影响。因此，取代表性细粒土土样进行击实、CBR等试验，来分析强度变化规律，及其与含水量，空气体积率和密实度的关系。土样的基本物理性质如下：比重ds=2.7、液限wL=32％、塑限wp=20％、塑性指数IP=12，因此判断其为低液限粘土；经重型（3×120）击实后，最大干密度3为1.87g/cm，最佳含水量14％。采用干法制备不同的含水量试样，并对同一含水量试样采用不同击实功（击实分别按重型3×30次、3×50次、3×75次、3×98次和3×120次）制备出不同干密度试件，然后进行不泡水CBR试验、泡水CBR试验及泡水后的膨胀量试验，其CBR（泡水前、后）及泡水后膨胀量试验结果如65 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究表4.6及图4.2～4.7。对此低液限粘土的试验结果进行分析，可以得出如下结论：（1）泡水前后CBR强度随干密度、击实功的增加而增大，当含水量较小时，泡水前虽然得到的强度很大，但在泡水后其CBR强度却很低，因此其水稳定性较差，而含水量较大时有相对较好的水稳定性；（2）泡水前后CBR强度随空气体积率Va的减小而增大，不同含水量试件泡水CBR强度随压实后土体中的空气体积率分布在某一较小范围内，说明泡水CBR强度与压实后的空气体积率有密切关系，当空气体积率Va<8%时，其泡水强度保持相当水平，具有较强的水稳定性；（3）随击实功的增加、含水量增大，泡水后的膨胀量呈递减趋势，并且膨表4.6泡水前后试验结果含水量(%)空气体CBR(%)饱和膨胀压实重型干密度积率度量度3层×次(g/cm)泡水前泡水后泡水前泡水后Va(%)(%)(%)(%)3×301.5811.420.422.816.31.243.75.584.73×501.6711.421.118.823.81.749.75.889.23×751.7311.421.615.635.41.755.24.592.73×981.7711.421.313.846.31.458.64.394.73×1201.7911.42113.156.41.460495.43×301.6313.520.917182.155.94.587.43×501.7313.521.91227.52.965.13.892.63×751.7813.519.29.534.43.570.63.695.23×981.8113.519.18.147.54.8743.496.73×1201.8213.519.57.4605.675.62.897.43×301.6515.221.313.317.13.164.73.888.33×501.7315.221.18.922.94.373.73.792.73×751.8015.220.25.732.54.881.42.9963×981.8315.219.13.839.15.786.62.697.93×1201.8515.219.93.154.96.488.61.998.73×301.6717.422.28.49.84.776.62.889.53×501.7217.421.36.113.25.4822.691.83×751.7517.421.14.3155.986.4293.53×981.7817.420.62.817.66.690.42953×1201.7917.419.12.117.37.492.41.295.766 硕士学位论文胀量随空气体积率的增大、含水量减少呈递增趋势。在相同压实功时，试件在有侧限的条件下的膨胀量随含水量增大而大大减小，说明了当路基受水(地表水浸入、气态水、毛细水及冰冻过程中水分重分布)影响后，由于含水量增大不仅整体强度降低，而且在路面、基层及土基自重影响下将发生沉陷变形。可见控制施工时的含水量与控制干密度对路基的强度和稳定性同样重要；（4）不同含水量压实土体经过四昼夜泡水后，其含水量都接近于土的塑限，泡水后土体的饱和度都接近或者大于85%，空气体积率都比较接近，基本处于饱水稳定状态；（5）对于高液限粘土及低液限粉土等细粒土来说，除具有上述规律外(试验结果与分析略)，还有其特有的工程特性。高液限粘土遇水具有较高膨胀量，含水量愈大，越易发生超压弹簧现象；低液限粉土遇水具有较小的膨胀量，而遇水则有较强的强度和变形敏感性。同时，含水量越低，试件膨胀量越大，说明单一采用压实度作为检测压实指标不能完全保证路基后期的强度和稳定性。（6）从图中可见，干密度越大，膨胀量越小，CBR值越大；而空气体积率越大，膨胀量越大，CBR值越小；也就是说，增大干密度与减小空气体积率对压实土性质的改善有相同的效果。860不泡水泡水w=11.3%w=11.3%50w=13.5%w=13.5%6w=15.2%w=15.2%40w=17.4%w=17.4%（％）(%)304CBRCBR202101.61.71.81.51.61.71.833干密度(g/cm)干密度(g/cm)图4.2不泡水CBR、干密度与w关系图4.3泡水CBR、干密度与w关系60不泡水8泡水w=11.3%w=11.3%50w=13.5%w=13.5%w=15.2%6w=15.2%40w=17.4%(%)w=17.4%30（％）4CBR20CBR10248121620242848121620空气体积率Va(%)空气体积率Va(%)67 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究图4.4不泡水CBR值、Va、含水量关系图4.5泡水CBR值、Va、含水量关系8w=11.3%8w=11.3%w=13.5%w=13.5%w=15.2%6w=15.2%w=17.4%6w=17.4%(%)（％）44膨胀率膨胀率221.51.61.71.81.905101520253干密度(g/cm)空气体积率Va(%)图4.6膨胀量、干密度、含水量关系图4.7膨胀量、空气体积率、含水量关系从以上试验结果及各种指标间的相互关系可以看出，对于细粒土（粘性土、粉性土）来说，在含水量较低时，采用重型击实，虽可获得高强度，但这种强度极不稳定，当受水影响后强度大大降低。而路基土受水影响后的强度和稳定性，却与土体空气体积率有非常好的相关关系，说明了采用空气体积率作为路基压实度检测指标是科学合理性的。4.4.3用压实度单一指标评定压实土强度所存在的问题压实标准对于潮湿粘土的压实问题，原则同意适当降低压实标准，但并未提出明确的控制指标，是目前路基控制中的一个空白点。关于压实度K降低的问题，有人提出了不同的意见。首先，K折减以后，干密度ρd降低了，而含水量w并没有相应地减小，因而得到的不是图4.8中的A"点，而是A′点。这样，在碾压完毕时已经不具备充分的抗压缩性能。更重要的是：干密度rd的降低部分都转化为空隙了，将来这部分空隙都可能充满水分，使压实土由A′的状态转变到B点的状态。土样1重型A120100不泡水100泡水'AB9880’A(%)60K(%)9640CBR压实度20940ww1opt921012141618101214161820含水量w(%)含水量w(％)图4.8压实度与含水量的关系图4.9CBR与含水量的关系如果按照图4.9中土样1的CBR与含水量w曲线来计算，对于不泡水CBR来说，当K折减2％（即K＝98％）时，不泡水CBR值降低27％～38％；当K折减5％（即68 硕士学位论文K＝95％）时，不泡水CBR值降低45％～65％；当K折减7％（即K＝93％）时，不泡水CBR值降低65％～85％；而对于泡水CBR来说，随着压实度K的减小，CBR值降低也很明显，当K折减2％（即K＝98％）时，泡水CBR值降低已经达到30％左右；当K折减5％（即K＝95％）时，泡水CBR值降低65％；当K折减7％（即K＝93％）时，泡水CBR值降低85％。由于压实度的降低，干密度减小导致土中的空隙增多，也就意味这在饱和后的含水量将增大，而含水量的增大又严重影响着压实土的承载力，显然这样的土是极不稳定的。因此，建议除了采用压实度K作为压实控制指标外，还要再加上空气体积率ρdVa的限制作为指标之一。从式子vw=−−1ρ可以看出，如果对压实度K适当addS减小后，对应的干密度ρd也减小，在含水量不变的情况下，空气体积率Va就会增大。所以，限制了Va，也就间接地控制了压实度。并且对于细粒土（粘性土、粉性土）来说，在含水量较低时，采用重型击实，虽可获得高强度，但这种强度极不稳定，当受水影响后强度大大降低。而路基土受水影响后的强度和稳定性，却与土体空气体积率有非常好的相关关系，说明了采用空气体积率作为细粒土路基压实度检测指标是科学合理的。4.5压实填土压实状态和空气含量的关系为分析压实状态（含水量和压实度K）与含气率之间的关系，我们对以上不同的三种细粒土，在三种不同的击实功下进行击实试验，并在最佳含水量的两侧取压实度分别为93％、95％、98％和100％，而含水量不同的点来进行分析它们的压实状态，并研究其强度（CBR）之间的变化关系；试验结果见表4.7～表4.9。表4.7土样1在相同压实度下的空气含量与CBR的关系土wwopt（湿侧）K样与woptVaCBR（％）与woptVaCBR（％）(%)ee1之差/%不泡水泡水之差/%不泡泡水93-4.180.5418104.18——4.320.5430.482.9395-2.550.511384.303.333.250.5137.206.97重型98-1.320.47869.298.411.610.47318.8913.5210000.44451.1219.1600.44451.1219.1693-3.990.601857.582.834.460.604————95-2.580.571445.065.803.320.573——3.35中间98-1.380.52934.5410.601.690.52312.587.4469 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究10000.49428.2611.9700.49428.2611.9793-3.720.671829.347.495.000.674————95-2.890.641521.017.943.860.644————轻型98-1.700.591019.127.242.060.5944.647.1910000.56512.827.1700.56512.827.177表4.8土样2在相同压实度下的空气含量与CBR的关系土wwopt（湿侧）K样与woptVaCBR（％）与woptVaCBR（％）/%ee2之差/%不泡泡水之差/%不泡泡水93——0.61———1.804.820.6112.319.89重95-7.010.582082.334.903.620.58120.7110.34型98-2.280.53969.757.481.840.53147.5011.9910000.50363.6913.6700.50363.6913.6793——0.68———1.585.180.6814.39——中95-6.250.651856.203.793.900.6519.68——间98-2.430.60947.018.942.100.60114.82——10000.57333.8011.6300.57333.8011.6393——0.79—————5.640.792————轻95-5.900.751829.591.714.440.752————型98-2.460.701020.114.842.440.702————10000.66416.1214.5300.66416.1214.53表4.9土样3在相同压实度下的空气含量与CBR的关系土wwopt（湿侧）样K(%)与wopt之VaCBR（％）与woptVaCBR（％）ee3差/%不泡泡之差％不泡泡94-7.200.6622——5.000.662——重96-4.580.631678.273.770.63210.80型98-2.800.591172.882.500.59235.8710000.56564.4100.56564.41中94-8.040.7421——4.820.743——间96-4.410.701549.743.570.703——98-2.530.671143.762.290.6732.8470 硕士学位论文10000.63531.6000.63531.6094-6.020.832032.994.930.834——轻96-3.860.791525.733.650.794——型98-2.290.751120.032.310.7543.8510000.72611.9700.72611.974.5.1压实度K与孔隙比e的关系压实度与空隙比之间的关系分别见图4.10～图4.13。图中右边＋w表示该边试验含水量大于最佳含水量，左边－w表示该边试验含水量小于最佳含水量。压实度与孔隙比e之间关系土样1重型土样1中间土样1轻型0.650.6e0.550.5孔隙比0.450.40.930.950.9810.980.950.93-w←压实度K→+w图4.10相同压实度下不同含水量时的孔隙比压实度与孔隙比e之间关系土样2重型土样2之间土样2轻型0.780.73e0.680.63孔隙比0.580.530.480.950.9810.980.950.93-w←压实度K→＋w图4.11相同压实度下不同含水量时的孔隙比分析如下：（1）最佳含水量两侧的不同两点，在同一击实功下，当压实度K一定时，小于最佳含水量一侧的孔隙比e与大于最佳含水量一侧的孔隙比e基本相同；（2）无论是在小于最佳含水量的干侧，还是在大于最佳含水量的湿侧，孔隙71 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究比e都是随着压实度K的增加而减小的，在最大干密度处获得最小的孔隙比e；并且，孔隙比e与压实度之间的这种减小趋势呈直线关系（这样的规律只是出现在最佳含水量两侧的附近）；土样3重型压实度与孔隙比e之间关系土样3中间土样3轻型0.850.8e0.750.7孔隙比0.650.60.550.940.960.9810.980.960.940.92-w←压实度K→+w图4.12相同压实度下不同含水量时的孔隙比K=93%0.70K=95%e0.65K=98%K=100%0.600.55孔隙比0.500.4550010001500200025003压实功（KJ/cm）图4.13土样1的孔隙比e与压实功之间的关系（3）无论是在小于最佳含水量的干侧，还是在大于最佳含水量的湿侧，在同一压实度下，击实功越大，压实后的孔隙比e也越低，图（4.13）显示了是土样1压实后的孔隙比e与压实功间的变化趋势，土样2和土样3也是如此。4.5.2含水量w与空气体积率Va的关系在细粒土全压实曲线的湿润区域，无论如何增大击实功，由于土粒和水对空气的包裹作用，在土体中形成很少一部分的封闭气体，它与大气不联通。因此当含水量较大时，无论怎样压实，不可能通过压实使土中的空气体积为零，土样都[1]始终也无法达到完全饱和状态。沙庆林研究发现，在室内进行击实试验，土达72 硕士学位论文到最大干密度时，土中常保持3～5％的空气。下图4.14显示了土样1、土样2的空气体积率Va在全压实曲线上的变化趋势（土样3类似）：由此可知：（1）空气体积率Va随着含水量的增长而减小，含水量比较低时减小缓慢，在全压实曲线的过渡区域，这种减小趋势是最明显的，而在稍微大于最佳含水量进入湿润区域后，曲线明显出现转折，Va基本保持不变；土样10.40.4重型土样2(%)中间重型a0.3轻型0.3中间V(%)a轻型V0.20.20.10.1空气体积率空气体积率0.00.00510152025051015202530含水量w（％）含水量w（％）图4.14土样1、2的Va与含水量关系（2）在含水量小于最佳含水量的情况下，含水量相同时，不同击实功下Va也是不同的，且击实功越低，空气体积率会越大；但在含水量大于最佳含水量后，空气体积率都基本保持不变，且与击实功的关系也不明显，虽然击实功不同，但Va基本相同。4.5.3压实度K与空气体积率Va的关系三种不同土样在三种击实功下进行击实后，压实度与空气体积率Va之间的关系分别见图4.15～图4.17。图中右边＋w表示该边试验含水量大于最佳含水量，左边－w表示该边试验含水量小于最佳含水量。压实度与空气体积率Va之间关系土样1重型土样1中间0.2土样1轻型Va0.150.10.05空气体积率00.930.950.9810.980.950.93-w←压实度K→+w73 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究图4.15压实度K与空气体积率Va的关系由表4.7～表4.9及图4.15～图4.17，我们可以得到以下结论：（1）在干侧，当压实度小于100％时，土样的空气体积率Va是很高的，在K＝93％时Va最高可达22％左右（土样3）；因此，在较干的状态下，压实度对Va的影响很大，Va随着K的增大而呈直线下降，直到K＝100％时这种减小趋势开始变缓慢；当进入湿侧K＝98％后，空气体积率Va基本保持为常数，为一定值约2％～4％；压实度与空气体积率之间关系土样2重型土样2中间0.25土样2轻型Va0.20.150.1空气体积率0.0500.950.960.9810.980.950.93－w←压实度K→＋w图4.16压实度K与空气体积率Va的关系压实度与空气体积率之间关系土样3重型土样3中间0.25土样3轻型Va0.20.150.1空气体积率0.0500.940.960.9810.980.960.940.92-w←压实度K→+w图4.17压实度K与空气体积率Va的关系（2）在Va随压实度K的变化过程中，击实功对Va也有不同程度的影响；在干侧，击实功越高Va值稍稍偏大，其值可差3～5％左右；随着压实度的增大到进入湿侧K再减小，压实功越大，Va反而变得越小，重型击实与轻型击实后的Va可相差2％～3％左右。4.5.4泡水前后土的强度CBR值的变化由表4.7和表4.8我们可得到，土样1、土样2两种土样在重型和中间击实功击实74 硕士学位论文后，其压实度与泡水前后CBR值变化如图4.18、4.19所示：从图4.18、4.19可看出：（1）在干侧，当压实度小于100％时，不泡水的CBR值是很高的，最高达110左右（土样1）；因此，在较干的状态下，高液限土具有较高的强度；击实功对强度的影响也非常明显，击实功越高所得到的CBR值也越大，其值可差3～5倍左右。土样1泡水前后CBR值的变化重型不泡水重型泡水120中间不泡水100中间泡水8060CBR(%)40200939598100989593压实度K(%)图4.18土样1泡水前后土的强度CBR值的变化土样2泡水前后CBR值的变化重型不泡水重型泡水100中间不泡水中间泡水806040CBR(%)200939598100989593压实度K(%)图4.19土样2泡水前后土的强度CBR值的变化尽管此时不泡水的CBR值很高，但泡水后的CBR值却很低，两条曲线形成鲜明的对比，因此，高液限土在干燥状态下的高CBR值是不稳定、不可靠的；（2）在湿侧，随着压实度从100％开始逐渐减小，其不泡水CBR值也开始下降，在重型击实功下，这种减小趋势更明显，当达到98％后，不泡水CBR基本趋于稳定，并和泡水后的CBR值大致相当；并且，此时压实功对强度CBR的影响也不明显，重型击实的CBR与中间击实功的CBR值基本差不多，直到压实度等于95％时，CBR值又明显降低。4.6细粒土压实控制质量的评价指标公路路基的强度和稳定性很大程度取决于路基填料的性质及其压实的程度。75 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究粉性土、粘性土特别是高液性粘土，也为我国各地不少高等级公路路基工程的主要填料。但用这些土填筑的路堤，若施工不当，压实后可能处于不稳定状态，极易受自然降水、地下水和地表水的影响，路基含水量升高，强度降低，在行车荷载和路堤自重压力下，路堤发生不均匀沉降、导致路面开裂，影响车辆正常行驶。对于粉性土、粘性土等细粒土而言，仅仅控制土体压实时的干密度，即用现行的压实度控制方法。若施工含水量低，压实后土的三相体内的空气体积(空气体积率)大，饱和度较小，吸水能力强，泡水后土体强度下降快，体积变形大，极具工程隐患。因此，为了路基的稳定，就应通过压实作用，使土体空气体积率减小到一定数值。这不仅要通过压实得到较大的干密度，而且还应要求土体在压实时具有较大的含水量(以压路机能压实为限)。4.6.1现行规范存在的问题4.6.1.1压实度标准在我国的《公路路基施工技术规范》JTJ033-95和《公路路基设计规范》JTJ013-95中，对高速公路、一级公路压实指标，不分土质条件，采用压实度(现场压实后的干密度和试验室最大干密度比)控制压实质量，具体要求如下表4.10:表4.10路基压实度标准（重型）部位路面底面以下深度(cm)压实度（重型）（％）路床0～80≥95上路基80～150≥93下路基150以下≥90零填及路堑路床0～30≥95但是在压实曲线上，某一压实度下的干密度对应着两个不同的含水量w1（干侧）和w2（湿侧）(w1V2，也就是说，在含水量大时更有利路基的水稳定性。可见，同时用压实度和空气体积率两个指标来评价，更科学合理。4.6.1.2含水量要求在规范标准中，虽指出路基应在最佳含水量wopt±2%条件下进行压实，但《公路工程检验评定标准》JTJ071-94的土方路基实测项目中，只有压实度指标，并无76 硕士学位论文含水量要求，因此使填料压实含水量成为失控的非检测项目。加之近年来施工中普遍采用30t～50t重型碾压机具，在较小含水量条件下，路基也能达到规范要求的压实度标准，因此路基压实含水量实际上并未成为路基压实必要的质量控制指标。高速公路建成后，由于路基边坡、中央分隔带渗水，路基、路面中聚积的水分得不到消散和蒸发，加铺路面后路基中毛细水、气态水的聚积以及冰冻过程路基含水量的重分布作用，使得路基湿度逐年增大，最终路基处于“中湿”状态。路基的实际含水量增大，在路面、基层自重作用下会发生沉陷变形，就可能出现不同程度的病害。在路堤压实含水量控制方面，我国在路基压实过程中对含水量的控制标准是基于怎样以最小的压实功获得规范规定的压实度。而美国没有全国统一的标准，而各州交通局制定的标准也不完全相同。在美国有31个州没有提出现场含水量的具体控制标准，只要含水量可以保证达到要求的干密度即可，另外19个州则具体提出了路堤压实的含水量控制要求。综合各州对含水量的规定，范围是较宽的。很明显，并不存在能达到最好的压实和稳定性的一个一致的标准。有的州不允许含水量超过最优含水量，有的州却又不允许低于最优含水量。在19个规定了具体含水量要求的州中，有5个州的要求与我国《公路路基施工技术规范》JTJ033-95相同，即含水量不超过最优含水量的±2％。有的州的含水量控制要求决定于所使用的材料。比如，堪萨斯州根据土的分类确定了5个不同的含水量控制范围，新墨西哥州根据土的塑性确定含水量的控制范围。根据填土的性质确定其适宜的含水量，有利于保证路堤的施工质量，与不考虑土的性质而采用同一含水量控制范围的方法相比，该法更合理一些。4.6.1.3潮湿粘土的压实度标准对于多雨地区潮湿粘土的压实标准，我国的《公路路基施工技术规范》JTJ033-95和《公路路基设计规范》JTJ013-95中也明确做了说明：特殊干旱或特殊潮湿地区，压实度标准可根据试验资料确定或较列表数值降低2～3个百分点。对于此问题，原则同意适当降低压实标准，但并未提出明确的控制指标，是目前路基控制中的一个空白点。对于这个问题我们在前面也做了诸多分析，由于压实度的降低，干密度减小导致土中的空隙增多，也就意味这在饱和后的含水量将增大，而含水量的增大又严重影响着压实土的强度和稳定性，显然这样的土是极不稳定的。4.6.2细粒土压实建议控制指标4.6.2.1建议含水量控制指标我国《公路路基施工技术规范》JTJ033-95规定，对于一般选作路基填方填料77 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究的细粒土、砂类土、砾类土无论采用任何机械压实，均应在该种土的最佳含水量wopt±2%（称为“规定”范围）以内压实。但笔者认为不宜普遍要求填料含水量都必须控制在“规定”范围内，尤其是对压实度要求较低（如90区）、“理论含水量”控制范围（按照压实度计算出现场干密度ρd，在击实曲线上，由此干密度所对应的纵坐标处画一水平线，此线与击实曲线相交的两点间的含水量范围即为理论含水量控制范围，此范围一般都会超出wopt±2%范围）较宽的情况，应该根据实际情况进行适当调整，在确保压实度不变的前提下，使含水量有更大的空间，施工有更大的余地。对于细粒土来说，小于0.075mm颗粒含量大于50%，其中的细粒成分较多，水的入侵使土的含水量增加，体积膨胀，膨胀率和初始含水量有关，初始含水量越小，膨胀率越大；若体积发生膨胀，单位体积内颗粒的含量减小，因此干密度减少，土的强度减小，承载能力降低，稳定性变差；并且在行车荷载和路堤自重压力下，路堤易发生不均匀沉降、导致路面开裂。相反，当土体含水量变小，体积发生明显收缩，又会引起土体开裂。因此，对细粒含量较多的土，在道路使用期间路基可能浸水的情况下，不宜在含水量小的情况下压实。综上所述，对于细粒含量较多的粘性土、粉质土来说，可以在最佳含水量wopt稍微偏右的范围内压实；并且根据前面三种细粒土的泡水CBR试验我们可以看到，在压实含水量大于最佳含水量3个百分点以内，其CBR强度都可以达到要求指标，因此建议细粒土的压实含水量范围大致为（－1％＋wopt）～（wopt＋3％）。4.6.3.2路基压实的空气体积率控制指标根据土的三相体理论，只有当土体中固相成分多(压实度高)，液相成分合理(土粒吸附水膜有足够厚度)，气相成分(空气体积率)小于一定值时，路基才可能获得较高的强度和稳定性。因此采用空气体积率作为细粒土压实质量控制指标之一是合理的。日本土质路堤的压实度是根据土的级配(0.075mm)筛的通过量来划分控制标准。对0.075mm筛通过量在20％以上的土用空气体积率Va控制，而对0.075mm筛通过量在20％以下的土用密度比(即压实度)K控制，具体指标如下:土中小于0.075mm颗粒含量空气体积率指标Va（％）50%≥75µm≥20%Va≤15（13）75µm≥50%Va≤10（8）括号内数值为核子密度仪测定值。采用空气体积率指标控制路基压实度，实质上是要求在路基压实中，不仅要求有较高的压实度(干密度)，还要求有一定的含水量(w≥wopt+2％)。当压实度大于0.93且压实时填料含水量在wopt～wopt+3％范围内时，空气体积率一般可满足设计要求。78 硕士学位论文对土中小于0.075mm颗粒含量大于50%的细粒土（粘性土、粉质土），除按现行技术规范采用压实度指标外，要求增加空气体积率控制指标，而且无论此类土的填土高度大小，上下两层均应采用相同的压实标准，具体标准如下表4.11。高速公路土基压实采用压实度、空气体积率双指标控制，这与我国现行技术规范的精神是一致的，不同的只是将路基土施工含水量要求由wopt±2%提高为wopt-1%~3%，该要求是针对细粒土及潮湿多雨地区湿粘土高速公路的土质特点，并和国外高速公路路基压实含水量wopt+2%的要求是一致的。表4.11细粒土路基建议压实度和空气体积率标准部位路面底面以下深度(cm)压实度（重型）（％）Va(%)路床0～80≥95上路基80～150≥93≤10`下路基150以下≥904.6.3.3空气体积率控制细粒土路基压实度的科学性（1）空气体积率控制细粒土路基压实质量与路基受水浸蚀后的强度相适应用现行单一压实度标准控制施工的路基，一般经过雨季或一年以上自然条件影响后，施工时的干燥路基，随着含水量的增加，强度会逐渐降低。当含水量增至塑限附近，即稠度达1.0～1.1时，饱和度达到90%左右，土体水分才接近稳定。由于高速公路路面的封闭作用，路基、路面中聚积的水分得不到蒸发，路基己处于“中湿”状态。如果以空气体积率Va<10%作为细粒土路基压实质量控制指标，泡水前后CBR强度变化小，也就是说，路基有较强的水稳定性。而泡水CBR强度反映了路基在毛细饱水情况下的强度，更符合路基的实际受力状况。（2）空气体积率控制细粒土路基压实质量与路基受水影响后的沉降相适应路基的实际含水量增大，在路面、基层自重作用下会发生沉陷变形，高填土路基会更加突出。路基变形是随空气体积率的增大、含水量的减少呈递增趋势，如果以较小的空气体积率控制细粒土路基的压实质量，将有利于防止路基受水影响而发生的沉陷、变形。（3）空气体积率Va指标具有较好的稳定性几种不同土类的试验结果表明，重型、中型、轻型击实法得到的最大干密度、最佳含水量相差很大，但其最佳状态时相应的空气体积率却很相近，即用空气体积率指标控制路基压实质量是稳定可靠的。（4）空气体积率Va试验检测的方便性取代表性土样在室内做土粒比重试验，在施工现场用核子密实度仪检测路基79 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究ρd的干密度和含水量，由式子vw=−−1ρ计算，即可得出压实后土体的空气体积addS率，操作起来方便快捷。（5）空气体积率指标避免了人为因素的影响，适用性更广土质多变路段，室内击实试验周期较长，难以及时指导施工。当采用空气体积率作为路基压实度检测指标时，室内不作击实试验而只作比重(土粒密度)试验，这样既避免了选定最大干密度时的人为因素带来的误差，又省去室内的大量试验，更能适应施工现场土质多变的情况。综上所述，认为空气体积率Va作为细粒土路基压实质量控制指标之一是合理可行的。在采用重型碾压机具的条件下，填料合理含水量是路基压实成败的关键因素，只有严格按压实度、空气体积率(含水量)双指标控制路基压实，才能确保路基工程质量和高速公路最终的使用效果。80 硕士学位论文结论与建议为掌握压实路堤的工程性能和保证长期稳定，需要对压实机理和路用性能进行更深入地研究，也需要研究在施工过程中如何采用合理的规范、压实控制方法(包括室内试验和现场检测)以及使用过程中保持其强度与稳定性的技术措施。本文围绕影响路堤压实的几个主要而又较为复杂的因素，结合国内外的相关规范，依托湖南省交通厅科技进步与创新项目（200544）“公路细粒土路基压实施工技术研究”，对细粒土填料的压实特性和压实控制进行了深入研究。根据含水量与干密度之间的关系，以土体的物理性质和压实曲线为对象，研究了细粒土的压实特性；在此基础上，通过对比分析国内外压实控制指标，提出了适合控制细粒土压实质量的建议指标。1结论本文做了大量的试验研究工作，得到了以下部分有益的结论与建议：（1）研究了细粒土的室内击实曲线，总结了细粒土压实理论的发展，分析了影响细粒土压实特性的因素；并在总结前人研究全压实曲线特征（边界条件、曲线形状及范围等）的基础上，对全压实曲线进行了研究，讨论了细粒土的压实机理，建立了4参数全压实曲线方程，并讨论了4参数对全压实曲线的影响及其自身的影响因素；（2）验证了全压实曲线方程的正确性，此方程可以较好地描述土体在大含水量范围内的压实特性，应用此方程能精确确定土体压实的最大干密度和最佳含水量；在对细粒土物理性质指标测试的基础上，通过室内击实试验，探讨了细粒土的物理性质指标和击实功对细粒土体压实特性的影响，并且对全压实曲线参数与土体物理性质指标之间的关系进行了研究。结果发现形状参数n与土体组成(不均匀系数Cu)、压实方法、击实功有关，土体在干燥状态下的干密度会随着平均粒度的增加而增大，可压缩含水量范围指数p与土体的塑性和平均粒度有关；（3）探讨了压实曲线形状与土体物理性质的关系，并建立起了土体物理指标与全压实曲线方程参数之间的量化关系，这样我们便可通过对土体物理性质指标的量测，直接确定土体的压实曲线方程参数；（4）在分析细粒土填料压实特性的基础上，通过对三种细粒土土样在不同击实功下的强度试验，包括无侧限抗压强度、直接剪切试验和CBR试验，探讨了土体压实含水量、压实度和空隙率对强度的影响，并提出压实填土的强度随含水量的变化情况及其沿全压实曲线的分布状况；81 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究（5）分析了土体压实含水量沿全压实曲线对强度指标的影响，土体压实后的强度并不是在最佳含水量处达到最大值，其位置不仅与压实含水量有关，也与压实功有关；重型击实功下，最大强度值比较接近于最佳含水量，而在轻型击实功下，最大值大致出现在全压实曲线的压实敏感阀值含水量wcst附近；（6）首先分析压实度和含水量对变形特性的影响，并且通过室内压缩试验，得到了压缩试验的荷载p与孔隙比e关系、压实度与孔隙比e之间的关系，探讨了压实填土的压缩性与填土压实状态和空隙率的关系。分析了环境变化对土体工程性质和路基整体稳定性的影响；（7）对日本、美国等国家的土质路基压实控制标准与我国标准进行了详细的对比分析，指出日、美等国家根据土的颗粒组成划分压实度标准有其合理性；并通过对三种细粒土压实后的压实状态与强度、孔隙比、空气体积率之间关系的对比分析，发现对于高速公路细粒土填料来说，路堤压实采用压实度、空气体积率双指标控制压实质量是比较合理的，并提出了建议的控制指标值。2建议（1）对于细粒含量较多的粘性土、粉质土来说，可以在最佳含水量wopt稍微偏右的范围内压实，这样在满足压实度要求前提下，既达到了强度指标，又保证路基有良好的水稳定性。根据前面三种细粒土的泡水CBR试验我们可以看到，在压实含水量大于最佳含水量3个百分点以内，其CBR强度都可以达到要求指标，因此建议细粒土的压实含水量范围大致为（－1％＋wopt）～（wopt＋3％）；（2）对土中颗粒粒径小于0.075mm的细粒组含量大于总质量50%的细粒土（粘性土、粉质土），除按现行技术规范采用压实度指标外,建议增加空气体积率控制指标，而且无论此类土的填土高度大小，上下两层均应采用相同的空气体积率标准：Va≤10％。3展望由于本人的水平和时间有限，尚存在以下问题有待进一步深入探讨和研究：（1）本文仅讨论了在三种击实功下，细粒土的压实特性与土体的物理性质指标的关系；因此，不同的击实作用方式对土体压实特性有何影响则需进行更深入的后续研究；（2）本文仅讨论单个土体物理指标与方程参数之间的一一对应关系，客观的说，压实曲线方程的每一参数都与多种因素有关，不仅与土体物理性质有关，也与压实功有关；因此，其更为合理和精准的相关关系也有待进一步深入研究；（3）在对比分析国内外土质路基压实控制标准的基础上，发现对于高速公路82 硕士学位论文细粒土填料来说，路堤压实采用压实度、空气体积率双指标控制压实质量是比较合理的，并提出了建议的控制指标值；但是，这个建议指标是建立在本文所选择的三种细粒土工程性质基础上的，其合理与否有待于通过更多种类型细粒土的验证；（4）本文大量的研究工作是在室内试验的基础上完成的，由于时间的关系，来不及用现场试验做检验，以后有待于在现场实践中加以检验。83 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硕士学位论文致谢本文是在导师曹喜仁副教授的悉心指导和耐心帮助下完成的。无论是论文的选题、研究、审查，还是室内外试验的设计，数据的采集与整理，试验中特殊问题的解决无一不凝聚了导师心血。导师在百忙之中，仍然经常了解和督促论文的进展，把握论文的方向，并在生活上给予我极大的关心和帮助。导师崇高的品格、严谨的治学态度、一丝不苟的工作作风，以及严于律己、宽于待人的生活作风，使我受益匪浅。值此，谨向曹老师表以最诚挚的谢意！本文的研究工作、试验过程及论文整理均得到了湖南省交通科学研究院万智博士的大力帮助和细心指导，并且试验过程中还得到了王利人老师的支持和热情指导，在此深表谢意！还要感谢各位老师以及所有关心和帮助我的师兄弟。王浩2007年5月10日于湖南大学87 细粒土路堤的压实特性、工程性质及压实控制研究附录A攻读学位期间所发表的学术论文[1]曹喜仁，王浩，万智.细粒土的压实特性与土体物理性质的关系研究.中南公路工程，2007，32（2）：25-29.文章编号：1002-1205(2007)05-0025-05.88