第二节 填土压实

一、压实机械

（一）静作用压实机械

根据静压压实原理利用滚碾的重量对填土表面施加静压力来将土压实。这类压实机械称为静作用压路机。按照牵引行驶方式可分为拖式和自行式两种。按滚筒的构造特点可分为光面碾、非光面碾和充气轮胎碾三种。非光面碾按其凸出物的形状又可分为羊足碾、凸块碾和格栅碾等。非光面碾和轮胎碾在碾压土料时除产生压力外，还产生剪切力，故其除产生静压作用外，还产生一种揉搓作用以促进土料密实。

1.光面碾

光面碾又称平碾。拖式光面碾一般就是一个简单的钢制滚筒，由拖拉机拖动工作，滚筒是空心的，可以加入填料（水、砂或铁砂等）以调节滚碾重量。自行式光面碾有两种类型：①两轴两轮串联碾（图 1-4-1 a ），②两轴三轮并联碾（图 1-4-1 b ）。

光面碾的优点是压实后填筑表面极为平滑。但缺点较多，主要有：土料表面易形成硬壳，深层土得不到压实，整个压实层的密实度上下不均匀；作用在土层上的单位压力较小，故压实的深度较浅。

为了取得较好压实效果，光面碾压实时每层的铺土厚度宜为200～300mm，每层压实6～8 遍，其行驶速度不应超过 2km/h。

2.羊足碾

羊足碾是在光面碾滚筒上焊有若干羊足状的凸出物而成，如图 1-4-2所示。羊足的形状要求能均匀传递压力，从土中拔出时翻松的表土少，且有良好的自洁性。一般羊足表面呈椭圆形，羊足端面积一般为 32～66cm ² ，羊足长度与滚筒直径有关，要求它们之间的比以 1∶5～1∶8 较为适宜，一般羊足长度为 200～400mm。

羊足碾工作时，滚筒的重量通过一排着地的羊足作用在下层土料上，由于羊足端面的面积小、压强大，故土料受到很大的正压力。同时，羊足在插入和拔出过程中，对土料还施加侧压力，形成一种揉搓作用，因而能取得很好的压实效果。另外羊足碾对土层的压力作用时间长、土层压实得较均匀，而且羊足碾压实过的表面有一定的粗糙度，有利于上下土层的结合。羊足碾特别适用于粘性土的压实。对于非粘性土，由于过大的正压力和侧压力反而易使土料松动而难以压实。含水量过高的粘性土，由于碾子易被土粘塞，故也不适用。

采用羊足碾压实土料，每层铺土厚度宜为200～350mm，每层压实6～12遍，其行驶速度不应超过 3km/h。

3.凸块碾

凸块碾类似羊足碾，它是将凸块焊在钢滚筒面上，如图1-4-3所示。凸块高度约 200mm，比羊足矮些，但其端面积比羊足大，一般为 129～194cm ² 。羊足碾缺点之一是羊足又细又高，当其插入土中难免要粘附一些粘土，这些粘土的清理是项繁重劳动，因而人们对羊足碾进行改进而产生了凸块碾。凸块碾允许采用高速作业（16～20km/h），因此一方面提高了生产率，另一方面对土料除有静压和揉搓作用外，还能产生夯实和振实的作用，压实层与使用羊足碾压实的比较要更加均匀和密实，凸块碾既能压实粘性土，也可以压实无粘性土，性能比羊足碾优越，故有逐渐取代羊足碾的趋向。

4.轮胎碾

轮胎碾又称轮胎压路机，如图 1-4-4 所示。它的前后轮分别密排着四个、五个轮胎，既是行驶轮，也是碾压轮。

由于轮胎弹性大，在压实过程中，土与轮胎都会发生变形，而随着几遍碾压后铺土的密实度的提高，沉陷量逐渐减少，因而轮胎与土的接触面积逐渐缩小，但接触应力则逐渐增大，最后使土料得到压实。

轮胎碾对土的接触应力主要决定于轮胎的胎压和负荷，当荷重增加时，仅增加轮胎的变形，使其与土的接触面积增大，而接触应力改变不大。由于压实深度与接触面积有关，当压强相同时，接触面积愈大，压实深度也便愈深。故通过增加轮胎碾的负荷，尽量扩大接触面积，就可以取得较深的压实深度。另外通过随时改变轮胎胎压的方法来调节接触应力，这不仅可使轮胎碾能适应压实各种粘性土和无粘性土的要求，而且即使是在压实同一性质的土料时，也可先用较小的接触应力压实若干遍（占总碾压遍数的30 %～40 %），再用较大的接触应力进行压实。这与全用较大接触应力进行压实的方法比较，其压实遍数可减少，且压实质量高。轮胎碾的另一特点是碾压时对土加压的时间长，故可提高压实效果，减少碾压遍数。轮胎碾的工作速度为 2～10km/h。每层铺土厚度 200～500mm，每层碾压遍数 6～12 遍。

（二）冲击压实机械

利用重物下落的冲击作用夯实土料。夯实机械既可压实粘性土，也可压实无粘性土。重型夯实机是利用起重机改装而成，它将重达 2～4t的夯板（用混凝土或铸铁制成）吊起，使其自由落下夯击填料，使其密实。小型夯实机有爆炸夯、蛙式夯等多种，其特点是尺寸小、质量轻、多用于小面积夯实作业。

1.爆炸夯

爆炸夯是利用二冲程内燃机原理工作，由于气缸内的燃气混合物的爆炸作用，使爆炸夯向上跃起250～400mm，在重力作用下坠落地面，夯击填土。由于夯底座与夯的中心线呈 80°角，因此每跃起一次可自行前进 150～250mm。

2.蛙式夯

蛙式夯（图 1-4-5）是利用旋转惯性离心力的原理工作。由于构造简单，轻便灵活，在建筑工程中广泛用于夯实地面和小面积土方。蛙式夯工作时，由电动机带动夯锤上部的偏心块旋转，由于偏心块离心力的作用，使夯锤连续地冲击地面。偏心块每回转一周，夯锤冲击地面一次，同时带动机身前移一步。蛙式夯压实时，每层铺土厚度为200～250mm ，每层压实 3～4 遍。

（三）振动压实机械

振动压实机械是在静作用压实机械上增设激振装置，工作时利用机械的静压力和激振力的共同作用压实土料。其与静作用压实机械相比，单位线压力大，压实深度可比同重力级静作用压实机械大1.5～2.5倍，结构质量轻，外形尺寸小，与同级静作用压实机械相比，工作时可增大碾压厚度，并减少碾压遍数，故生产效率高。

振动压实机械可分振动板和振动碾两大类。振动板主要用于狭窄场地的小量填方压实工作，大体积填方的压实都用振动碾。

振动碾又称振动压路机，按滚碾形状有振动平碾、振动羊足碾、振动凸块碾等。按行走方式有拖式、自行式和手扶式三种。振动碾可压实各种粘性土和无粘性土，可参考表1-4-2 选用。

二、土料压实

压实是指对被压实材料施加外力以提高其密实度的一种作业。土以及与其相类似的松散材料中，在颗粒之间存在充满空气的孔隙，部分孔隙还为水所充填。压实时，土颗粒产生运动并重新组合，孔隙中的空气和水被强迫挤出，孔隙体积减小，于是土的密实度得到提高，压缩系数大大降低，抗剪强度显著提高。

（一）压实方法

1.静压压实

依靠压实机械的静态重力作用来压实土料。土颗粒在静压力作用下产生位移，使结构紧密。但土颗粒在运动过程中，会受到摩擦力的作用阻止其运动，随着静载荷的增加，颗粒间的摩擦力也增大。因此，静压压实的效果及影响深度有一定极限，无限地增加静载荷不但不能进一步提高压实效果，反而会破坏表层土的结构。

2.冲击压实

依靠机械自由落体产生的冲击力作用来压实土料。当冲击力产生的压力波传入土料中时，土颗粒产生运动，使土体密实。载荷相同时，冲击作用的影响深度要比静压作用的影响深度大，故冲击压实比静压压实的压实效果好。

3.振动压实

依靠机械的振动机构产生的激振力作用来使土料密实。振动使土颗粒间的摩擦力基本消失，土颗粒在振动中重新排列，小的土颗粒充填到大颗粒土间的孔隙中，使土料的密实度提高。

（二）影响土料压实效果的主要因素

影响土料压实效果的主要因素有：土料的种类，土料的颗粒级配，土料的含水量以及压实机械的类型与性能等。

1.土料的种类

粘性土因其塑性指数高，在外力作用下压实时，应力在土体内的传递速度和土体的变形速度均较缓慢，排水较困难，需要较长时间的加荷和较多的压实遍次方能压实。故土中粘粒含量愈多，压实愈困难。无粘性土因颗粒较粗，排水较易，故较易压实。

2.土料的颗粒级配

颗粒级配良好的土料，因小颗粒能充填到大颗粒的孔隙中去，比较容易压实。而颗粒粒径单一的土料则难以压实。

3.土料的含水量

土料的含水量对压实效果的影响很大，用同样的压实方法，压实不同含水量的同类土，所得到的密度（以干密度表示）各不相同。由于土的孔隙为空气和水所充填，土的压实就是减少土中的孔隙。对于粘性土，短时间的加压并不能将水排出，故被压缩的孔隙只是空气所占有的孔隙。因而，如果含水量愈大，被水所充填的孔隙愈多，可被压缩的孔隙便愈少，可能达到的干密度便愈小，土料得不到压实。但在土料被压实过程中，水又起着润滑的作用，可减小土颗粒之间的摩阻力。因此，如果土料较干燥，含水量过小，则由于土颗粒间的摩阻力较大，土料也不易被压实，所得的干密度值也较小。故在一定外力作用下，含水量过高过低，都达不到最优的压实效果。只有在某一定的含水量下，压实效果才最好，能取得最大的干密度。与这个能取得最大干密度相对应的含水量称为最优含水量。土料的最优含水量和相应的最大干密度可由室内击实试验或室外压实试验取得。由于室内击实试验方法与现场各种压实机械的压实条件不同，故二者所测得的最优含水量并不完全一致，如图 1-4-6 所示。从图中可看出，静力压实的最优含水量比室内击实试验测得的最优含水量低1 %～1.5 %，而气胎碾碾压的最优含水量则要比室内击实试验测得的最优含水量高 1 %～1.5 %。

对于能自由排水的无粘性土压实时，不仅空气所占的孔隙能被压缩，水也可排出，而且由于其即使压实后也是相当透水的，它并不因水占据孔隙而影响密实，故它们的压实效果受含水量的影响就比较小，其压实特征与粘性土不同。它们压实时没有最优含水量，最大干密度是在它完全干燥和完全饱和时获得。

为了保证粘性土填料在压实过程中的含水量与最优含水量之差在-4 %～ + 2 %控制范围之内（当设计压实系数为 0.9时），当填料的含水量偏高时，应于翻松、晾晒，也可掺入干土或吸水性填料；如含水量偏低，则应采取预先洒水润湿，增加压实遍数或使用大功能压实机械等措施。

4.压实功能

压实机械压实土所做的功称为压实功能。在室内做击实试验时，是将同一土样预先制备数个不同含水量的试样，每个试样分几层装入一定容积的击实筒内，每层用一定重量和落高的击锤，锤击一定击数。其压实（击实）功能按下式计算：

式中 E _c ——压实功能（kJ/m ³ ）；

W _R ——锤的重力（kN）；

H ——锤落高（m）；

N _B ——每层击实次数；

N _L ——层数；

V ——击实筒体积（m ³ ）。

对于现场填土碾压的压实功能是用填土的密度与室内标准功能击实密度的比值来衡量，其值以下式表示：

式中 C ——重度比；

γ _f ——填土重度（kN/m ³ ）；

γ _c ——用现场填土的土样（保持原有含水量不变）做室内标准功能击实的重度（kN/m ³ ）。

若 C ＞1，表示现场填土压实功能大于室内标准击实功能；若 C ＜1 ，表示现场填土压实功能小至室内标准击实功能。

土的压实最大干密度、最优含水量与压实功能有关，随着压实功能的增加，最大干密度增加，最优含水量则减小。但当压实功能超过某一定值后，最大干密度便增加不大了。

5.压实机械的类型与性能

不同性质的土料应采用与之相适应的压实机械才能获得较大的密实度。对于粘性土料，以采用具有静压和揉搓作用的压实机械为好。对于砂砾料，则以采用具有振动作用的压实机械为宜。

试验表明，尽管各种压实构件的形状和与土料接触面积的大小不同，但在相同的压强下，接触面积愈大，土料被压实的深度也愈大。由于应力随深度增加而减小，并为了有效地将土中的空气挤出，故压实时不能一次铺填过厚，必须薄层铺土和分层多次压实才能使土体上下密度均匀。为使压实机械消耗的能量最少，每次铺土厚度有一最优厚度范围，在此范围内，可使土料在获得设计要求干密度的条件下，压实机械所需的压实遍数最少。施工时，每层最优铺土厚度和压实遍数，可根据土料性质、对密实度的要求和选用的压实机械性能等因素确定。

各类压实机械压实土时施加荷重（作用力）的方法虽不同，但他使土料体积压缩得到密实，都是靠瞬时循环荷重的作用。所谓瞬时循环荷重就是对土压实时施加荷重是多次的并依次地进行瞬时加荷和卸荷。加荷时土中应力增加，卸荷时土中应力减小直至为零。而由于土的粘滞性，使其在压实过程中的变形过程大大滞后于相应的应力变化。

瞬时循环荷重的特征可用下列三个参数表示，即：最大应力（ σ _max ）、应力变化速度（ v _σ ）和应力持续时间（ t ）。几种压实机械瞬时循环荷重的近似参数见表1-4-3。

瞬时循环荷重参数及其重复次数对土的压实效果有重要影响。而这些参数值与压实机械类型、重量等有关，也与运行速度有关。因为行车速度快慢直接影响应力变化速度和应力持续时间。当应力变化速度增加时，土的变形则减小，压实效果降低，所以压实土时，必须控制压实机械的行车速度。

压实机械重量直接与荷重参数的最大应力有关，选择压实机械时，应控制压实机械作用于填土表面的最大应力不超过土压实后的极限强度，否则，压实土层内部将产生剪切破坏。通常最大应力取土极限强度的 80 %～90 %效果最好。 xy3BlfUsao8pUUfy+kNqFWkS+jIHTufwpKAexcxaa0fhErRR0IM3eycN7wkGKR4G