粘土压实特性分析研究讲解
《工程力学》增刊 2003年
粘土压实特性分析研究
郝中海1，崔江余2
（1.交通部公路科学研究所，北京 100088；2.北方交通大学土建学院，北京100044）
摘要：本文主要针对粘土在不同含水量及压实度下的特性进行了分析研究，根据室内试验资料统计分析，建议了压实粘
土的强度指标和孔隙比随含水量和压实度变化的经验公式，利用该经验公式可方便的确定粘土的强度及孔隙比，对工程上控制填土的压实质量具有一定的指导意义。
关键词：粘土；压实特性；含水量；孔隙比
1 前言
路基是公路（或铁路）工程的重要组成部分，是道路的基础，公路投入运营后，如何保证路基坚固而稳定，是近年来主要研究的课题之一。路基的填料、基底状况，尤其是填土的密度，对路基的稳定、强度、控制弹性变形和积累塑性变形关系甚大。特别是近几年发展起来的高速铁路，对传统铁路的设计、施工和养护提出了新的挑战。
大量工程实践表明，路基稳定状态与压实密度关系十分密切，其中密实度小是引起路堤下沉的一个主要原因，此外，由于路堤密实度小引起下沉时，还会伴生一系列其它路堤病害，如路基表面的完整性遭到破坏，在上部荷重和列车动荷载作用下产生压缩变形，道床下形成凹槽，给雨水的积存提供了良好条件，这样将造成路基表层土软化、变形加速、反复进行将会形成道碴陷槽。由于填土密度小，其强度的降低是显而易见的，尤其是雨季，雨水下渗，含水量提高更使土体强度进一步降低，道碴槽的存在和积水都给边坡溜滑和滑动创造了条件，这种工程事故是很多的。在既有线路上往往能看到不少用干砌片石做成的拱带支护边坡，就是对上述病害的补强工程，虽然能稳定边坡，但是造价是很高的。
从铁路技术发展的角度看，铁路正在向高速、大轴重、大运量发展，运量可达几千万吨甚至上亿吨，铁路路基负荷的大幅度增加，将会带来一系列新的问题，如路基土动应力强度准则及疲劳破坏等。所以若不改善现有的技术状态，原来已非常被动的局面将日益加剧。另外，铁路各组成部分都不断应用新技术、新材料装备，如上部构造的钢轨将逐渐采用60kg级和70kg级，如路基仍采用现行的设计标准，路基病害问题就会越来越突出。路基稳定性降低还会影响新技术在路基上的推广应用，如目前国际上广泛采用的在路基上铺设土工纤维布的技术，国内不少地方采用后并不理想，其主要原因是铺设土工纤维布的基础不稳定，因此不能发挥应有的作用。
目前，国家确定了发展重载列车和高速客运专线的技术政策。如京沪、京哈、京广等干线相继提速，开行了一批最高运行速度在140~160km/h的“快速列车”。大秦重载铁路、广深准高速列车已经运营，秦沈客运专线已经开工，京沪高速铁路预可行性研究正在紧张有序地进行。140 km/h，160km/h，200km/h及160km/h的线、桥、遂、站设计规定及设计暂规已经制定，因此进一步加强路基方面各项室内外试验研究，特别是现场测试资料的积累和分析是十分必要的。我国缺乏在高速铁路基床表层及路基的测试资料值，在实际基床设计中按照基床表层的临界动应力对此进行限制是不能满足要求的，由于没有可靠的数据，对不同材料填筑的基床表层中的动应力分布情况、特别是关系到线路动力平顺、沿线路纵向动应力分布的特征不能详细了解。因此，为了满足高速铁路舒适、平稳、安全地运行，一个先决条件是轨道几何尺寸的稳定或轨道平稳性必须符合一定的要求，而要保证轨道几何尺寸的稳定、平稳，除了采用高稳定性的重型轨道外，至关重要的是必须有一个强度高、刚度大且纵向变化均匀、长久稳定的路基。这里强度是指抵抗由轨道传来的动应力而破坏的能力，刚度是提抵抗由动载荷产生变形的能力。作者简介：郝中海（1972。2），男，工学学士，助理研究员，从事公路工程研究和监理工作
崔江余（1962.12）,男，博士，副教授，主要从事岩土工程与结构抗震方面的教学科研工作
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本文主要通过对路基粘土填料在不同的含水量、不同压实度下的室内试验资料进行分析，建议了粘土强度指标及空隙比随含水量和压实度的经验关系，所建议经验关系对控制填土质量、估计压实填土强度和变形量具有很适用的参考价值。
2 填土压实质量控制指标
土承受的动强度能力比静强度低，为避免发生基床病害，路基基床填土要求的密度比路堤下部填土密度大，填料的选择也有所规定。路基填土为典型的扰动过的土颗粒、水、和气体组成的三相体材料，不同种类填土压密过程变化特性是不同的。细粒土中的自由水对土的压密起主导作用。含水量对粗粒土压密的影响远没有对粘性土的影响那么大。粗粒土填料颗粒大小的级配对压实效果也有很大的影响。 2.1压实度定义
我国铁路路基规范中规定，粘土压实质量检验采用压实系数（或压实度）来衡量，其表达式为：
γd
（1） K=
γmax
式中：K为粘土压实度；γd为现场测试的干重度；γdmax为室内标准击实试验测试的最佳干重度； 2.2检测标准及方法
路基规范规定：I、II级干线路基基床表层压实度为95%，基床底层为90%，路堤下部为85%；重载线路路基基床表层压实度为97%，表床地层为95%，路堤下部为90%；在粘性土压实质量检查中，一般认为合格率仅仅是压实度达到规定的标准，而忽视了填土压实时的含水量变化范围对填土压实性的影响，一般认为填土压实时含水量应控制在最佳含水量附近，其波动范围为+2%~-3%。只要含水量在这个范围内，用最小的压实能即可把填土压实到所需要的标准。若含水量不在这个范围内，同样的压实能即达不到压实标准，若遇高含水量粘性土，用机械压实会出现“橡皮土”，压实度可以达到压实要求，但土的强度会明显降低。
在路基填筑过程中，为保证路基在纵向和横向压实得都比较均匀，一般为每填筑0.5m，用机械填筑每100m，人力50m的距离内抽检6处密度和含水量，检验位置在路基中部2处，距边坡0.5~1.0m内左右各2处。用环刀法和湿度密度计检测取样深度位于填筑层中部偏下为宜。若用核子密度湿度仪，则把仪器探头插到填筑层底部为宜，核子密度湿度仪所检测结果是探头到土层表层的平均密度。用核子密度湿度仪时，在测完一点密度和含水量后，在原测孔中把仪器转180°，再测土的压实度，就可分析填土的均匀性。
3 粘土压实室内试验
众所周知，影响土的强度指标为内摩擦角和粘聚力，内摩擦角和粘聚力与土的干容重和含水量关系密切，粘性土的内摩擦力不同于粗粒土颗粒之间的摩擦力，它不是真正的纯土颗粒之间的接触摩擦。例如某粘性土，现场取回的扰动土其液限WL=30%，塑限Wp=17.3%，塑性指数Ip=12.7%，最大干容重γ
dmax
Wopt
，最佳含水量
=15.1%。用人工方法制备三轴试验土样，
=18.6KNm
3
模拟现场填土压实度K，对不同的含水量、不同的压实度条件下，内摩擦角随含水量（在给定压实度K条件下）的变化关系如图1，从图
中可以看出(由表1也可看出)，一定的压实度下，内摩擦角随含水量增加而降低，随压实度近似线形增加，如图1中(1)、(2)、(3)、(4)曲线；从表1中还可以看出粘聚力和孔隙比随含水量变化不明显，可认为与含
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水量无关。粘聚力和孔隙比随压实度近似成线形变化，如图2为粘聚力和孔隙比随压实度变化的关系，从图2可以看出，随K的增加，粘聚力近似线性增加，而孔隙比近似线性减小。
4 填土压实特性经验关系
4.1强度指标的经验关系
由上面室内模型试验分析结果统计分析，可得粘土强度指标即内摩擦角和粘聚力的经验关系如下：
?=a(w)+b(w)K （2）
c=3K-1.85 （3）
式中：K为填土压实度，由式（1）确定；a(w),b(w)是与含水量有关的经验常数，统计分析结果参见表2。
4.2孔隙比随压实度的经验关系：
由表1室内粘土压实试验结果统计分析，孔隙比随压实度的近似关系可表示如下：
e=2.44-2K (4)
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式中：e为一定压实度下填土的孔隙比；K为填土的压实度。
4.3填土压实强度和变形的确定
众所周知，土的抗剪强度可表示为：
τf=c+σtg? (5)
式中，τf为土的抗剪强度(KPa)；σ为试样所加正应力(KPa)；c为粘聚力(KPa)；?为内摩擦角（度）。已知土的含水量和压实度即可利用前面建议的经验公式确定土的粘聚力和内摩擦角，由（5）式即可确定在不同的压实度和含水量下的抗剪强度。
大量研究表明，土的变形主要是由土中孔隙的变化引起的，土样相对变形可表示为：
ε=?e
1+e1 (6)
；?e为压实度改变时孔隙比的变化值；e1ε为土样相对变形量（即试样压缩变形与土样初始高度的比值）
为某压实度下的初始孔隙比，由（4）式确定。
5 结论
本文主要根据室内试验结果统计分析，建议了压实填土强度指标与孔隙比的经验表达式，由强度指标和孔隙比即可确定土的强度和变形特性。通过分析可得出如下结论：
1、土的强度指标是压实度和含水量的函数，含水量增加，强度降低，压实度增加，强度近似线性增加；
2、在一定的含水量条件下，土的内摩擦角与填土压实度成正比，粘聚力也与填土压实度成正比；
3、在相同的压实度下，内摩擦角随含水量增加而降低，粘聚力随含水量变化不明显；
4、填土孔隙比随压实度增加而近似线性减小，含水量改变对孔隙比影响不大。
5、本文建议公式中的系数仅以本次试验粘土为主，对于不同的土质，建议经验公式仅供参考，经验公式中的系数需根据室内试验来确定。
本文建议的经验公式对工程上控制填土质量十分方便，只要已知填土的压实度和含水量，即可对填土强度和变形特性作出估计，以便指导工程设计和施工。
参考文献
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