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【摘要】：无粘性粗粒土因其强度高，透水性好是一种良好的筑路材料，但因填料粒径大，均匀性差，不易被压实，且碾压后的施工质量难以检测评定，工程中常将其弃之不用而采取借土方案来修筑路堤，造成公路建设费用增加和生态-环境破坏。通过对无粘性粗粒土的压实特性研究，以便使其
能够在工程中很好的应用。
【关键词】：无粘性粗粒土压实特性压实方法
中图分类号： TU66 文献标识码： A 文章编号：
1 引言
国道311鲁山沙河大桥引线工程（K487+200～K492+200）位于鲁山县楼张镇，全长5km，其中沙河大桥长760米，沿线地形地质条件比较复杂。在沙河大桥附近分布较多的无粘性粗粒土，特别是引线工程K490+120～K490+350段深挖路堑所产生的大量以玄武岩为主的石料，若全部废弃，借土填筑路堤，不仅对生态旅游区的环境造成较大的影响，而且将增加工程费用。为实现填挖平衡以及少占耕地，减少投资，设计与施工中将大量的挖方无粘性粗粒填料利用到路堤填筑，可避免大量借土和弃方。为了能够使用这些天然材料，节约资金，就需要对其压实特性进行研究。
2 影响压实的主要因素
影响无粘性粗粒土压实的因素很多，主要有压实功能、最大粒径、级配、颗粒形状等。
（1）压实功能
室内试验和现场碾压试验都说明随着压实功能增加，干密度的增加不与压实功能的增加成线性比例，随压实功能的增加，干密度迅速增大；但当压实功能增至某值以后，干密度的增加率减小，压实效果降低。单靠增加压实功能来提高干密度是不经济的，实际施工时应注意这一规律，选择经济合理的压实功能，据此选择出合适的压实机械和压实方法。
（2）压实方法
压实方法不同，施加于土体上作用力的大小及作用原理不同，压实效果也不同与采用夯实法时，土体受的是冲击力；当采用平碾碾压时，土体承受的是碾的重量；当采用振动碾时，土体还要承受振动力。实践证明，对于无粘性粗粒土，在一定的静荷载和动荷载联合作用下，才能达到较好压实，振动法压实效果最好，而且铺土厚度可以提高，因此功效高。
（3）最大粒径
W.I.Low和C.Senet（1973）、史彦文（1981）等根据试验资料得出结论，干密度随最大粒径增加而增加。
（4）可压实性
在级配良好的粗粒土中，压实比F较大，这种土易于压实。在均匀粗粒土中，压实比F较小，这种土不易于压实。
（5）颗粒级配
颗粒级配直接影响粗粒土的压实难易与干密度大小，试验数据表明，凡不均匀系数Cu值大、曲率系数Cc在1～3左右，级配良好的粗粒土，其可压实性F均较大，最大干密度较大。
3 压实方法
粗粒土压实的施工过程中，采用的压实方法有人工夯、机械夯、振动夯和拖拉机、平碾、汽胎碾、凸块碾、振动凸块碾、振动平碾、重型振动平碾等。其中碾压机械分为自行式和牵引式两种。人工夯因劳动强度高、效果不理想，除早期施工和某些小型的土石方工程中仍有应用以外，工程中已较少采用，目前粗粒土路基工程压实中多采用机械压实的方法。如对风化石料、砾石土多采用凸块振动碾；对砂卵石、堆石等无粘性粗粒土和超粒径粗粒土多采用振動平碾和重型振动平碾；对公路路基工程多采用操作灵活的自行式振动碾；对填方量较大的情况，多采用牵引式振动碾。牵引式碾压机械具有碾重量大，压实效果好，摊铺厚度可以增大，工效高等优点。
对于以上的压实方法和设备，将其压实原理归结为三类，即静压、冲击和振动(快速连续冲击)。它们对粗粒土的作用和压实原理如图1所示，人工夯、机械夯、振动夯为冲击作用；拖拉机、平碾、凸块碾、汽胎碾属静压作用；凸块振动碾、振动平碾是振动、静压联合的快速连续冲击作用。压实试验证明，在静压、冲击或振动产生的快速连续冲击等外力的作用下，土体中压应力和剪切应力的大小，决定着压实机械下面不同深度粗粒土的压实程度。
图1不同压实方法的压实原理
1．振动碾压
根据已有的调查资料和现场试验资料分析，振动碾具有静压碾不可比拟的优越性，它的摊铺厚度大，生产效率高，能量消耗少，是一种良好的压实机械。对于粗粒土路基的施工，更能显示出其优越性。在试验现场，用18t自行式钢轮振动压路机和牵引式30吨的重型钢轮振动压路机对试验路进行碾压，可以明显看出后者的工程进度和压实效果要比前者显著的多。所以，对于粗粒土路基的压实，特别是对超重载下粗粒土路基的压实，采用重型的振动碾压机械进行碾压，对确保压实质量和提高工程进度是非常有利的。
2．冲击压实
冲击力是以压力波的形式，从土体的表面传至土体的内部，从而在土体深处产生较大的应力。尤其近年来用强夯或超强夯在粗粒土路基工程中的应用，压实影响深度可深达数米，相比之下，冲击荷载比静压荷载对粗粒土路基产生的作用要大，但其作用的面积相对机械压实而言要小。图2示冲击压实机的基本原理。冲击压实机以其静能量来标定, 能量按下式以千焦尔计算：
E = mgh
式中, E ———能量, kJ ;
m ———动力部件的质量, kg ;
g ———重力常数(9181m/ s2) ;
h ———轮子外半径同内半径的差值, h = R –r，m 见图2.2。
图2 冲击压实机基本原理和施工图片
3．各种现场压实方法的比较（见表1）
(1) 振动碾压法是传统的路基压实加固方法,施工经验较多,施工成本最低,碾压效果良好。
(2) 强夯法加固路基也是一种传统方法,施工方法成熟,施工效果好,施工成本太高,在公路工程中它不能连续作业,工作效率最低,对临近及地下构造物容易造成破坏而且强夯机械的可操作性差,不适合大面积作业。
(3) 冲击压实加固路基方法是一种新型施工方法,其压实原理可归纳为可连续的轻型强夯,从冲击压实前后路基填土的物理力学性质看,冲击压实试验段路基时,其最佳的冲击压实遍数为 12～20遍,具体视不同土质而定,此时明显有效加固深度达 1.5m。
表1 常用方法的工作适用性对比
4无粘性粗粒土的压实特性
通过压实试验，我们得到了一些结论，一般而言，无粘性粗粒土具有自由排水能力，压实中孔隙水被挤压出来，其最优含水率相当于全部孔隙被水填充的饱和含水率。在实际施工工程中，当填料为干燥状态时，干密度较大，不需加水；当处于潮湿状态时，需要加水接近谷底含水率的不利状态，增加压实效果。我国《碾压式土石坝施工技术规范》规定，对于沙砾石和堆石，铺料后应充分加水，加水率宜为填筑工程量的20％～40％；日本《坝工设计规范》（1987）规定石料加水量为填筑工程量的30％～50％。
充分加水总是有利于压实，尤其对于吸水率大的软岩颗粒，加水使其软化，并在压实过程中破碎、变形，减小填筑体的工后变形。但是企图通过加水使填料达到最佳含水率以获得做大干密度是很困难的，因为粗粒土难以保持水分，用增加含水率来增大压实效果反而不经济。日本的手取川坝、美国的奥洛维尔坝在现场对填筑石料进行加水与不加水填筑对比试验，结果表面，加水与不加水填筑效果差别很小；小浪底堆石料碾压加水与不加水对比试验结果表明，加水后沉降变形量仅增加1～3mm，干密度仅增加0～0.013g/cm3，加水对压实效果影响甚微。
5 小结
（1）无粘性粗粒土填料粒径较大，均匀性较差，易产生离析现象，不易被压实，且碾压后易产生空隙，可能发生较大的沉降。
（2）无粘性粗粒土的压实效果与其颗粒组成、粗粒含量、细料性能、压实功能、压实方法、最大粒径和颗粒级配等因素有关。
（3）粗粒土的密实度不能用某一密度或孔隙比来表示，应采用相对密实度指标，它取决于粗粒土的最大、最小干密度。
（4）无粘性粗粒土压实的施工过程中，一般采取振动碾压法、强夯法及冲击压实法。其中振动碾压法应用较为广泛。
参考文献：
[1]郭熙灵,文丹译.无粘性粗粒土的现场压实[M].日本土质工学会.中国水利水电社,1998(10):10-15.
[2]郭庆国.粗粒土的工程特性及应用[M].黄河水利出版社,1998(8):23-25.
[3]郭庆国.关于无粘性粗粒土工程特性及其分类的探讨[J].水利水电技术,1997(6):33-36.
[4]王永，赵学峰.无粘性粗粒土填筑路堤的压实工艺研究[J].中外公路. 2011,4(31):42-46.
[5]杨世基,吴立坚.冲击压实粗粒土路堤[J].路基工程2000（1）:40-43.
[6]冯忠居,张永清.粗粒土路基的压实试验[J].长安大学学报(自然科学版).2004,24(3):09-12.
[7]刘丽萍,王东耀. 土石混合料压实质量控制方法[J].土木工程学报.2006,1(26):35-38.
作者简介：
王永(1979-)，男，安徽人，讲师，工程师，主要从事路基、路面等方面的教学及研究。
柴金玲(1978-)，女，天津人，讲师，工程师，主要从事工程基础的教学及研究。
能够在工程中很好的应用。
【关键词】：无粘性粗粒土压实特性压实方法
中图分类号： TU66 文献标识码： A 文章编号：
1 引言
国道311鲁山沙河大桥引线工程（K487+200～K492+200）位于鲁山县楼张镇，全长5km，其中沙河大桥长760米，沿线地形地质条件比较复杂。在沙河大桥附近分布较多的无粘性粗粒土，特别是引线工程K490+120～K490+350段深挖路堑所产生的大量以玄武岩为主的石料，若全部废弃，借土填筑路堤，不仅对生态旅游区的环境造成较大的影响，而且将增加工程费用。为实现填挖平衡以及少占耕地，减少投资，设计与施工中将大量的挖方无粘性粗粒填料利用到路堤填筑，可避免大量借土和弃方。为了能够使用这些天然材料，节约资金，就需要对其压实特性进行研究。
2 影响压实的主要因素
影响无粘性粗粒土压实的因素很多，主要有压实功能、最大粒径、级配、颗粒形状等。
（1）压实功能
室内试验和现场碾压试验都说明随着压实功能增加，干密度的增加不与压实功能的增加成线性比例，随压实功能的增加，干密度迅速增大；但当压实功能增至某值以后，干密度的增加率减小，压实效果降低。单靠增加压实功能来提高干密度是不经济的，实际施工时应注意这一规律，选择经济合理的压实功能，据此选择出合适的压实机械和压实方法。
（2）压实方法
压实方法不同，施加于土体上作用力的大小及作用原理不同，压实效果也不同与采用夯实法时，土体受的是冲击力；当采用平碾碾压时，土体承受的是碾的重量；当采用振动碾时，土体还要承受振动力。实践证明，对于无粘性粗粒土，在一定的静荷载和动荷载联合作用下，才能达到较好压实，振动法压实效果最好，而且铺土厚度可以提高，因此功效高。
（3）最大粒径
W.I.Low和C.Senet（1973）、史彦文（1981）等根据试验资料得出结论，干密度随最大粒径增加而增加。
（4）可压实性
在级配良好的粗粒土中，压实比F较大，这种土易于压实。在均匀粗粒土中，压实比F较小，这种土不易于压实。
（5）颗粒级配
颗粒级配直接影响粗粒土的压实难易与干密度大小，试验数据表明，凡不均匀系数Cu值大、曲率系数Cc在1～3左右，级配良好的粗粒土，其可压实性F均较大，最大干密度较大。
3 压实方法
粗粒土压实的施工过程中，采用的压实方法有人工夯、机械夯、振动夯和拖拉机、平碾、汽胎碾、凸块碾、振动凸块碾、振动平碾、重型振动平碾等。其中碾压机械分为自行式和牵引式两种。人工夯因劳动强度高、效果不理想，除早期施工和某些小型的土石方工程中仍有应用以外，工程中已较少采用，目前粗粒土路基工程压实中多采用机械压实的方法。如对风化石料、砾石土多采用凸块振动碾；对砂卵石、堆石等无粘性粗粒土和超粒径粗粒土多采用振動平碾和重型振动平碾；对公路路基工程多采用操作灵活的自行式振动碾；对填方量较大的情况，多采用牵引式振动碾。牵引式碾压机械具有碾重量大，压实效果好，摊铺厚度可以增大，工效高等优点。
对于以上的压实方法和设备，将其压实原理归结为三类，即静压、冲击和振动(快速连续冲击)。它们对粗粒土的作用和压实原理如图1所示，人工夯、机械夯、振动夯为冲击作用；拖拉机、平碾、凸块碾、汽胎碾属静压作用；凸块振动碾、振动平碾是振动、静压联合的快速连续冲击作用。压实试验证明，在静压、冲击或振动产生的快速连续冲击等外力的作用下，土体中压应力和剪切应力的大小，决定着压实机械下面不同深度粗粒土的压实程度。
图1不同压实方法的压实原理
1．振动碾压
根据已有的调查资料和现场试验资料分析，振动碾具有静压碾不可比拟的优越性，它的摊铺厚度大，生产效率高，能量消耗少，是一种良好的压实机械。对于粗粒土路基的施工，更能显示出其优越性。在试验现场，用18t自行式钢轮振动压路机和牵引式30吨的重型钢轮振动压路机对试验路进行碾压，可以明显看出后者的工程进度和压实效果要比前者显著的多。所以，对于粗粒土路基的压实，特别是对超重载下粗粒土路基的压实，采用重型的振动碾压机械进行碾压，对确保压实质量和提高工程进度是非常有利的。
2．冲击压实
冲击力是以压力波的形式，从土体的表面传至土体的内部，从而在土体深处产生较大的应力。尤其近年来用强夯或超强夯在粗粒土路基工程中的应用，压实影响深度可深达数米，相比之下，冲击荷载比静压荷载对粗粒土路基产生的作用要大，但其作用的面积相对机械压实而言要小。图2示冲击压实机的基本原理。冲击压实机以其静能量来标定, 能量按下式以千焦尔计算：
E = mgh
式中, E ———能量, kJ ;
m ———动力部件的质量, kg ;
g ———重力常数(9181m/ s2) ;
h ———轮子外半径同内半径的差值, h = R –r，m 见图2.2。
图2 冲击压实机基本原理和施工图片
3．各种现场压实方法的比较（见表1）
(1) 振动碾压法是传统的路基压实加固方法,施工经验较多,施工成本最低,碾压效果良好。
(2) 强夯法加固路基也是一种传统方法,施工方法成熟,施工效果好,施工成本太高,在公路工程中它不能连续作业,工作效率最低,对临近及地下构造物容易造成破坏而且强夯机械的可操作性差,不适合大面积作业。
(3) 冲击压实加固路基方法是一种新型施工方法,其压实原理可归纳为可连续的轻型强夯,从冲击压实前后路基填土的物理力学性质看,冲击压实试验段路基时,其最佳的冲击压实遍数为 12～20遍,具体视不同土质而定,此时明显有效加固深度达 1.5m。
表1 常用方法的工作适用性对比
4无粘性粗粒土的压实特性
通过压实试验，我们得到了一些结论，一般而言，无粘性粗粒土具有自由排水能力，压实中孔隙水被挤压出来，其最优含水率相当于全部孔隙被水填充的饱和含水率。在实际施工工程中，当填料为干燥状态时，干密度较大，不需加水；当处于潮湿状态时，需要加水接近谷底含水率的不利状态，增加压实效果。我国《碾压式土石坝施工技术规范》规定，对于沙砾石和堆石，铺料后应充分加水，加水率宜为填筑工程量的20％～40％；日本《坝工设计规范》（1987）规定石料加水量为填筑工程量的30％～50％。
充分加水总是有利于压实，尤其对于吸水率大的软岩颗粒，加水使其软化，并在压实过程中破碎、变形，减小填筑体的工后变形。但是企图通过加水使填料达到最佳含水率以获得做大干密度是很困难的，因为粗粒土难以保持水分，用增加含水率来增大压实效果反而不经济。日本的手取川坝、美国的奥洛维尔坝在现场对填筑石料进行加水与不加水填筑对比试验，结果表面，加水与不加水填筑效果差别很小；小浪底堆石料碾压加水与不加水对比试验结果表明，加水后沉降变形量仅增加1～3mm，干密度仅增加0～0.013g/cm3，加水对压实效果影响甚微。
5 小结
（1）无粘性粗粒土填料粒径较大，均匀性较差，易产生离析现象，不易被压实，且碾压后易产生空隙，可能发生较大的沉降。
（2）无粘性粗粒土的压实效果与其颗粒组成、粗粒含量、细料性能、压实功能、压实方法、最大粒径和颗粒级配等因素有关。
（3）粗粒土的密实度不能用某一密度或孔隙比来表示，应采用相对密实度指标，它取决于粗粒土的最大、最小干密度。
（4）无粘性粗粒土压实的施工过程中，一般采取振动碾压法、强夯法及冲击压实法。其中振动碾压法应用较为广泛。
参考文献：
[1]郭熙灵,文丹译.无粘性粗粒土的现场压实[M].日本土质工学会.中国水利水电社,1998(10):10-15.
[2]郭庆国.粗粒土的工程特性及应用[M].黄河水利出版社,1998(8):23-25.
[3]郭庆国.关于无粘性粗粒土工程特性及其分类的探讨[J].水利水电技术,1997(6):33-36.
[4]王永，赵学峰.无粘性粗粒土填筑路堤的压实工艺研究[J].中外公路. 2011,4(31):42-46.
[5]杨世基,吴立坚.冲击压实粗粒土路堤[J].路基工程2000（1）:40-43.
[6]冯忠居,张永清.粗粒土路基的压实试验[J].长安大学学报(自然科学版).2004,24(3):09-12.
[7]刘丽萍,王东耀. 土石混合料压实质量控制方法[J].土木工程学报.2006,1(26):35-38.
作者简介：
王永(1979-)，男，安徽人，讲师，工程师，主要从事路基、路面等方面的教学及研究。
柴金玲(1978-)，女，天津人，讲师，工程师，主要从事工程基础的教学及研究。