土方环刀试验

土方环刀试验

土方回填施工质量控制的关键是压实度，而压实度又受到回填土料、分层厚度、含水量等因素的影响，本文从压实度的影响因素角度讨论土方回填施工的质量控制问题。

关键词：压实度 回填土料 分层厚度 含水量 质量控制 土的湿密度=土的质量÷环刀的体积； 土的干密度=湿密度÷（1+含水量） 压实度=干密度÷标准击实最大干密度 1、工程概况

湛江钢铁场地平整工程位于广东省湛江市东海岛，其中我公司承建场平3标工程（以下简称“3标”）。3标共分为20个区域，总面积为1044370m，挖土总量为3324606 m，填土总量为2879257 m3。按照设计要求，3标内的填方区域分层厚度为500mm/层，压实度≥90% ，施工依据的主要规范为《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB 50202-2002和《冶金建筑工程施工质量验收规范》YB 4147-2006。3标区域划分如下图所示：

2、压实机具和程序

为保证压实的均匀性与密实度，避免碾轮下陷，提高碾压效率，在自卸汽车卸土后，我们先用SD22S履带式推土机将土推平，利用汽车和推土机的行驶将回填土进行初步压

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实，再用18T 的振动压路机进行正式碾压。

为保证碾压质量，振动压路机碾压速度控制在2km/h以内。碾压方向从两边向中间，且保证碾轮每次重叠宽度在15cm－25cm之间，避免漏压。施工中应保证碾轮的外侧距填方边缘大于500mm，以防发生溜坡倾倒。在第一遍碾压时，不开振动进行预压，使土表面的平整度达到较好状况，从第二遍开始开启振动效果，一般需碾压5－6遍，且碾轮下沉量不超过1－2cm。在边角、边坡等压实不到或不足之处，配合以小型夯实机具进行夯实。

3、压实度的质量控制

压实度有三个关键影响因素：回填土料、分层厚度和含水量，以下分别从这三个因素来阐明对压实度的控制。

3.1 回填土料

我们首先将取土区的覆盖层、腐殖土和山坡堆积物除清后运到指定场地，避免与可用土料混合。然后委托宝冶检测并邀请监理现场见证，在取土场取得不同深度土层、不同性状的土样，保证其数量足够且具有代表性。宝冶检测对所取土样进行成分分析、天然含水量试验、重型击实试验，得出实验结果为：有机质含量为3.01%，满足设计<5%的要求；天然含水量为W=19.4%，满足设计要求（<30%）；最优含水量Wop=23.8%，最大干密度dmax=1.59g/cm3 。

根据设计要求，土中石料（包括强风化玄武岩、凝灰岩）

也可用于回填，但填料粒径不应大于60mm，且回填石料量不应超过总填料量的20% 。我们在取土场及时发现并清理出粒径大于60mm的石料或孤石，在土方卸至填方区域时进行二次清理，并将清理出的石料或孤石运至指定地点集中堆放。

另外，填方区域施工前也要清理掉场地内的树根、草皮、地表腐质土、杂物、垃圾，并排水疏干，并对基底进行碾压密实。

3.2 分层厚度

我们在施工现场进行了4组不同厚度的压实试验得出如下数据：

序号 虚铺厚度H1(mm) 压实后厚度H2(mm) 1 500 357 2 600 461 3 700 583 4 800 727

将上表中数据录入excel，利用excel的图表功能，以压实后厚度为X轴、虚铺厚度为Y轴绘制直角坐标图：

得到虚铺厚度与压实后厚度关系公式为：

H1 =－0.0008 H22 + 1.6639 H2 + 0.8212 ① 将压实后厚度H2=500mm 代入上述公式得出虚铺厚度为：

H1 =633mm

我们取值H1 =630mm再进行3组压实试验，压实度满足设计要求后，测得压实后厚度如下：

序号 虚铺厚度H1(mm) 压实后厚度H2(mm) 偏差(H2－500)

1 630 504 ＋4 2 630 499 －1 3 630 495 －5

数据显示压实后厚度偏差在±5mm之间，满足设计厚度500mm。所以，我们最终选取630mm作为施工的虚铺厚度。

现场施工时，在每层填土前放好界桩，并在界桩上绑扎红色塑料袋作为记号，绑扎处距地面标高的距离为虚铺厚度630mm，在需要的时候还可在边桩之间拉线找平。对现场施工员进行技术交底，要求其必须严格按照交底内容，对照界桩记号控制虚铺厚度。

压实完成后按规范要求标高偏差范围应为±50mm。利用界桩进行表面拉线找平，凡超过标准高程的地方，及时依线铲平；凡低于标准高程的地方，应补土找平并补以人工夯实。同时测量员进行标高复核。

3.3 含水量

压实度计算公式为：压实度=d /dmax ②式中：d为压实后干密度；

dmax为最大干密度。

因场平3标压实度要求≥90% ，得出下式： d/dmax③

则： 0.9dmax≤d﹤dmax ④

将重型击实试验结果dmax=1.59g/cm3代入上式得：

1.43 g/cm3≤d﹤1.59g/cm3

根据重型击实试验报告的“含水量与干密度关系曲线图”，得出干密度在1.43 g/cm3 ～1.59g/cm3范围内对应的含水量区间为18.2%~27.5% 。

在土料卸至填方现场后，先目测其干湿程度，以土料手握成团、落地开花为适宜，并配合以土壤含水量检测仪及时测定土料含水量。

（1）若含水量＜18.2%，说明含水量过低，此时不应碾压，需初平后用水车洒水湿润。按照规范要求，每1 m3铺好的土层需要补充水量V水（L）为：

⑤V水=w(Wop-W)/(1+W)

⑤式中： Wop为最优含水量；W为天然含水量；w为回填土料碾压前的密度。

我们直接在回填土料中环刀取样，由于环刀的质量M环刀和容积V容均为规范中的已知标准值，我们只需称得环刀

≧90%

与土的总质量为M总，算出

⑥w=（M总－M环刀）/ V容 将⑥式代入⑤式得

⑦V水= (Wop-W) (M总－M环刀) / (1+W) V容 洒水后，拌和土料，使水均匀渗透，并且及时测定土料含水量，当测得含水量接近或等于最优含水量时随即进行碾压。

（2）若含水量＞27.5%，说明含水量过高，也不应碾压，需将土摊开晾晒风干，使水分蒸发，并随时检测含水量，在接近或等于最优含水量时及时压实。

4、结语

（1）土方回填施工质量控制的关键是压实度，而压实度又受到回填土料、分层厚度、含水量等因素的影响。

（2）回填土料要进行杂物淤泥的清理、含水量的测定、回填石料粒径控制。

（3）要预先进行压实试验确定合理的分层厚度，在施工中利用界桩控制填土厚度。

（4）根据重型击实试验的数据得出含水量的控制区间，并通过对土料含水量的定时测定决定是否需要洒水或是晾晒，在含水量接近或等于最优含水量时及时压实。

压实度=干密度÷标准击实最大干密度

路基、路面压实质量是道路工程施工质量管理最重要的内在指标之一，只有对路基、路面结构层进行充分压实，才能保证路基、路面的强度。刚度及路面的平整度，并可以保证及延长路基、路面工程的使用寿命。

现场压实质量用压实度表示，对于路基土及路面基层，压实度是指工地实际达到的干密度与室内标准击实试验所得的最大于密度的比值；对沥青路面，压实度是指现场实际达到的密度与室内标准密度的比值。

一、标准密度（最大干密度）和最佳含水量的确定方法 由于筑路材料结构层次等因素的不同，确定室内标准密度的方法也多样化，有些方法需在实践中进一步完善。最大干密度是指在标准击实曲线（驼峰曲线）上最大的干密度值，该值对应的含水量即为最佳含水量。

（一）路基土的最大子密度和最佳含水量确定方法 路基受到的荷载应力，随深度而迅速减少，所以路基上部的压实度应高一些；另外，公路等级高，其路面等级也高，对路基强度的要求则相应提高，所以对路基压实度的要求也应高一些。因此，高速、一级公路路基的压实度标准，对于路床0～80cm应不小于95%，路堤80～150cm应不小于93％，

150cm以下应不小于90%；对于零填及路堑、路槽底面以下0～30cm应不小于95% 。

在平均年降雨量少于150mm且地下水位低的特殊干旱地区（相当于潮湿系数≤ 0.25地区）的压实度标准可降低2％～3％。因为这些地区雨量稀少，地下水位低，天然土的含水量大大低于最佳含水量，要加水到最佳含水量情况下进行压实确有很大困难，压实度标准适当降低也不致影响路基的强度和稳定性。在平均年降雨量超过2000mm，潮湿系数>2的过湿地区和不能晾晒的多雨地区，天然土的含水量超过最佳含水量5％时，要达到上述的要求极为困难，应进行稳定处理后再压实。

由于上的性质、颗粒的差别，确定最大干密度的方法也有区别，除了一般上的“击实法”以外，还有粗粒上和巨粒上最大干密度的确定方法。由于击实功的不同，可分为重型和轻型击实，两个试验的原理和基本规律相似，但重型击实试验的击实功提高了4.5倍。击实试验中按采集土样的含水量，分湿土法和干土，法；按土能杏重复使用，也分为两种，即土能重复使用和不能重复使用。选择时应根据下列原则进行：根据工程的具体要求，按击实试验方法种类中规定选择轻型或重型试验方法；根据土的性质选用于土法或湿土法，对于高含水量上宜选用湿土法；对于非高含水量土则选用于土法；除易击碎的试样外）试样可以重复使用。

振动台法与表面振动压实仪法均是采用振动方法测定土的最大干密度。前者是整个土样同时受到垂直方向的振动作用，而后者是振动作用自上体表面垂直向下传递的。研究结果表明，对于元粘聚性自由排水上这两种方法最大干密度试验的测定结果基本一致，但前者试验设备及操作较复杂，后者相对容易，且更接近于现场振动碾压的实际状况。因此，使用时可根据试验设备拥有情况择其一即可，但推荐优先采用表面振动压实仪法。已有的国内外研究结果表明，对于砂、卵、漂石及堆石料等无粘聚性自由排水上而言，一致公认采用振动方法而不是普通击实法。因此，建议采用振动方法测定无粘聚性自由排水土的最大干密度。

各试验方法的仪器设备、试验步骤等详见《公路土工试验规程》（JTJI051-93）。

（二）路面基层混合料最大干密度及最佳含水量确定方法

常见的路面基层材料有半刚性基层及粒料类基层，粒料类基层最大干密度的确定可参照粗粒土和巨粒土的振动法。半刚性基层材料按照《公路工程元机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057-94）执行，用标准击实法求得，但当粒料含量高时（50％以上），由于击实筒空间的限制，现行方法就不能得出真正的最大干密度，若以此为准，按施工规范要求的压实度成型，所测得的强度和有关参数大小，据此进行设计，

势必造成浪费。同样，如以此为准进行施工质量控制，必然要求太低，不能保证施工质量，因此，需要寻求更科学的方法、下面介绍一种确定最大干密度和最佳含水量的方法，即理论计算法。

1。石灰土、二灰稳定粒料

根据室内试验测得结合料的最大干密度ρ 1 和集料的相对密度γ ，把已确定的结合料与集料的质量比换算为体积比V1 :V2 ，则可计算混合料的最大干密度。石灰土、二灰稳定粒料的最佳含水量w0 是结合料的最佳含水量w1 和集料饱水裹覆含水量W2 的加权值。饱水裹覆含水量是指把集料浸水饱和后取出，不擦去表面裹覆水时的含水量。除吸水率特大的集料外，此值对于砾石可以取3%，碎石可取4%。

2．水泥稳定粒料

此类材料的最大干密度ρ0 与集料的最大干密度ρG 和水泥硬化后的水泥质量有关。

水泥加水拌匀后，在105℃烘箱中烘干，称试验前水泥质量和烘干后硬化的水泥质量，即可求得水泥水化的水增量。

因水泥中含有水化水，故用烘箱法不能正确测出水泥稳定粒料的最佳含水量。根据对比试验，水泥稳定粒料的最佳含水量w0 由水泥的水化水、集料的饱水裹覆含水量和拌和水泥所需要的水（水灰比为0.5）三者组成。

（三）沥青混合料标准密度确定方法

沥青混合料标准密度，以沥青拌和厂取样试验的马歇尔密度或者试验段密度为准，当采用前者方法时，压实度标准比后者高（详见第二章），无论是用哪种方法，均存在对试件（马氏试件或芯样试件）测密度的问题，在进行密度试验时应根据混合料本身的特点，可采用下列方法之一：

（1）水中重法：本法仅适用于密实的Ⅰ型沥青混凝土试件，不适用于采用了吸水性大的集料的沥青混合料试件。

（2）表干法，本法适用于表面较粗但较密实的 Ⅰ 型或 Ⅱ 型沥青混凝土试件：但不适用于吸水率大于2％的沥青混合料试件。

（3）蜡封法：本法适用于吸水率大于2％的Ⅰ 型或Ⅱ 型沥青混凝土试件以及沥青碎石混合料试件，不能用水中重法或表干法测密度时，应用蜡封法测定。

（4）体积法：本法适用于空隙率较大的沥青碎石混合料及大空隙透水性开级配沥青混合料试件。

具体的试验方法见《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052一93）。

环刀法

环刀法是测量现场密度的传统方法。国内习惯采用的环刀容积通常为2oocm3 ，环刀高度通常约5cm。用环刀法测得的密度是环刀内土样所在深度范围内的平均密度。它不能代

表整个碾压层的平均密度。由于碾压土层的密度一般是从上到下减小的，若环刀取在碾压层的上部，则得到的数值往往偏大，若环刀取的是碾压层的底部，则所得的数值将明显偏小，就检查路基土和路面结构层的压实度而言，我们需要的是整个碾压层的平均压实度，而不是碾压层中某一部分的压实度，因此，在用环刀法测定土的密度时，应使所得密度能代表整个碾压层的平均密度。然而，这在实际检测中是比较困难的；只有使环刀所取的土恰好是碾压层中间的土，环刀法所得的结果才可能与灌砂法的结果大致相同。另外，环刀法适用面较窄，对于含有粒料的稳定土及松散性材料无法使用。

1.仪具与材料

(1)人工取土器或电动取土器：人工取土器包括环刀、环盖、定向筒和击实锤系统（导杆。落锤、手柄）。环刀内径6～8cm，高23cm，壁厚1．52mm。电动取土器由底座、行走轮、立柱、齿轮箱、升降机构、取芯头等组成。电动取土器主要技术参数为：工作电压DC24V(36Ah)；转速5o70r／min，无级调速；整机质量约35kg。

（2）天平：感量0．1g（用于取芯头内径小于70mm样品的称量），或1．0g（用于取芯头内径100mm样品的称量）。

（3）其他：镐、小铁锹、修土刀、毛刷、直尺、钢丝锯、凡士林、木板及测定含水量设备等。

2．试验方法与步骤

(1)用人工取土器测定粘性土及无机结合料稳定细粒土密度

①擦净环刀，称取环刀质量m2 ，准确至0.1g。 ②在试验地点，将面积约30cmx 30cm的地面清扫干净。并将压实层铲去表面浮动及不平整的部分，达到一定深度，使环刀打下后，能达到要求的取土深度，但不得扰动下层。

③将定向筒齿钉固定于铲平的地面上，顺次将环刀、环盖放人定向筒内与地面垂直。

④将导杆保持垂直状态，用取土器落锤将环刀打人压实层中，至环盖顶面与定向筒上口齐平为止。

⑤去掉击实锤和定向筒，用镐将环刀及试样挖出。 6.轻轻取下环盖，用修土刀自边至中削去环刀两端余土，用直尺检测直至修平为止。

7.擦净环刀外壁，用天平称取环刀及试样合计质量m1 ，准确至0.1g。

8.自环刀中取出试样，取具有代表注的试样，测定其含水量。

(2)用人工取土器测定砂性土或砂层密度

①如为湿润的砂土：试验时不需要使用击实锤和定向筒。在铲平的地面上、细心挖出一个直径较环刀外径略大的砂土柱，将环刀刃口向下，平置于砂土柱上，用两手平稳地

将环刀垂直压下，直至砂土柱突出环刀上端约2cm时为止。

②削掉环刀口上的多余砂土，并用直尺刮平。 ③在环刀上口盖一块平滑的木板，一手按住木板，另一只手用小铁锹将试样从环刀底部切断，然后将装满试样的环刀转过来，削去环刀刃口上部的多余砂土，并用直尺刮平。

④擦净环刀外壁，称环刀与试样合计质量m1 ，精确至0.1g。

⑤自环刀中取具有代表性的试样测定其含水量。 6.干燥的砂土不能挖成砂土柱时，可直接将环刀压人或打入土中。

（3）用电动取土器测定元机结合料细粒土和硬塑土密度

①装上所需规格的取芯头。在施工现场取芯前，选择一块平整的路段，将四只行走轮打起，囚根定位销钉采用人工加压的方法，压入路基土层中。、松开锁紧手柄，旋动升降手轮，使取芯头刚好与上层接触，锁紧手柄。

2.将电瓶与调速器接通，调速器的输出端接人取芯机电源插口。指示灯亮，显示电路已通；启动开关，电动机工作，带动取芯机构转动。、根据土层含水量调节转速，操作升降手柄，上提取芯机构，停机，移开机器。由于取芯头圆筒外表有几条螺旋状突起，切下的土屑排在筒外顺螺纹上旋抛出地表，因此，将取芯套筒套在切削好的土芯立柱上，摇动即

可取出样品。

③取出样品，立即按取芯套筒长度用修土刀或钢丝锯修平两端，制成所需规格土芯，如拟进行其他试验项目，装人铝盒，送试验室备用。

④用天平称量土芯带套筒质m1，从土芯中心部分取试样测定含水量。

3．计算

按下式分别计算试样的湿密度 ρw 。及干密度ρd。 （三）核子密度湿度仪法

该法是利用放射性元素（通常是 射线和中子射线）测量土或路面材料的密度和含水量。这类仪器的特点是测量速度快，需要人员少。该类方法适用于测量各种土或路面材料的密度和含水量，有些进口仪器可贮存打印测试结果。它的缺点是，放射性物质对人体有害，另外需要打洞的仪器，在打洞过程中使洞壁附近的结构遭到破坏，影响测定的准确性，对于核子密度湿度仪法，可作施工控制使用，但需与常规方法比较，以验证其可靠性。

1．仪具与材料

（1）核子密度湿度仪：符合国家规定的关于健康保护和安全使用标准，密度的测定范围为1.12～2.73g/cm3 ，测定误差不大于± 0.03 ，含水率测量范围为0～0.64 ， 测定误差不大于 ± 0.015 g/cm3 。它主要包括下列部件：

① γ 射线源：双层密封的同位素放射源，如铯一137 、钴－60 或镭-226等。

②中子源：如镅（241）一铍等。

③探测器：γ射线探测器或中子探测器等。

④读数显示设备：如液晶显示器。脉冲计数器、数率表或直接读数表。

⑤标准板：提供检验仪器操作和散射计数参考标准用。 ⑤安全防护设备：符合国家规定要求的设备。 6.刮平板、钻杆、接线等。 （2）细砂：0.15～0.3mm。 （3）天平或台称。 （4）其他：毛刷等。 2．试验方法与步骤

本方法用于测定沥青混合料面层的压实密度时，在表面用散射法测定，所测定沥青面层的层厚应不大于根据仪器性能决定的最大厚度。用于测定土基或基层材料的压实密度及含水量时打洞后用直接透射法测定，测定层的厚度不宜大于20cm. 。

1）准备工作

(1)每天使用前按下列步骤用标准板测定仪器的标准值：

①接通电源，按照仪器使用说明书建议的预热时间，预

热测定仪。

②在测定前，应检查仪器性能是否正常，在标准板上取34个读数的平均值建立原始标准值，并与使用说明书提供的标准值校对，如标准读数超过使用说明书规定的界限时，应重复此标准的测量，若第二次标准计数仍超出规定的界限时，需视作故障并进行仪器检查。

（2）在进行沥青混合料压实层密度测定前，应用核子法对钻孔取样的试件进行标定；测定其他材料密度时，宜与挖坑灌砂法的结果进行标定。标定的步骤如下：

①选择压实的路表面，按要求的测定步骤用核子仪测定密度，记录读数；

②在测定的同一位置用钻机钻孔法或挖坑灌砂法取样，量测厚度，按规定的标准方法测定材料的密度；

③对同一种路面厚度及材料类型，在使用前至少测定15处，求取两种不同方法测定的密度的相关关系，其相关系数应不小于0.9。

（3）测试位置的选择

①按照随机取样的方法确定测试位置，但与距路面边缘或其他物体的最小距离不得小于30cm。核子仪距其他射线源不得少于10m。

②当用散射法测定时，应用细砂填平测试位置路表结构凹凸不平的空隙，使路表面平整，能与仪器紧密接触。

③当使用直接透射法测定时，应在表面上用钻杆打孔，孔深略深于要求测定的深度，孔应竖直圆滑并稍大于射线源探头。

（4）按照规定的时间，预热仪器。 2)测定步骤

（1）如用散射法测定时，应将核子仪平稳地置于测试位置上。

（2）如用直接透射法测定时，将放射源棒放下插入已预先打好的孔内。

（3） 打开仪器，测试员退出仪器2m以外，按照选定的测定时间进行测量，到达测定时间后，读取显示的各项数值，并迅速关机。

各种型号的仪器具体操作步骤略有不同，可按照仪器使用说明书进行。

3.使用安全注意事项

（1）仪器工作时，所有人员均应退到距仪器2m以外的地方。

（2）仪器不使用时，应将手柄置于安全位置，仪器应装人专用的仪器箱内，放置在符合核幅射安全规定的地方。

（3）仪器应由经有关部门审查合格的专人保管，专人使用。对从事仪器保管及使用的人员，应遵照有关核幅射检测的规定，不符合核防护规定的人员，不宜从事此项工作。

（四）钻芯法测定沥青面层密度

沥青混合料面层的施工压实度是指按规定方法测得的混合料试样的毛体积密度与标准密度之比，以百分率表示。对沥青混合料，国内外均以取样测定作为标准试验方法。

1．仪具与材料 （1）路面取芯钻机。

（2）天平：感量不太于0.1g。 （3）溢流水槽。 （4）吊篮。 （5）石蜡。

（6）其他：卡尺、毛刷、勺、取样袋（容器）、电风扇。 2，试验方法与步骤 1）钻取芯样

按“路面钻孔及切割取样方法”钻取路面芯样，芯样直径不宜小于Φ100mm 。当一次钻孔取得的芯样包含有不同层位的沥青混合料时，应根据结构组合情况用切割机将芯样沿各层结合面锯开分层进行测定。

2）测定试件密度

（1）将钻取的试件在水中用毛刷轻轻刷净粘附的粉尘。如试件边角有松散颗粒，应仔细清除。

（2）将试件晾干或用电风扇吹干不少于24h，直至恒重。 按现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程

(JTJ O52 - 93)的沥青混合料试件密度试验方法测定试件的视密度或毛体积密度。当试件的吸水率小于2％时，采用水中重法或表干法测定；当吸水率大于2％时，用蜡封法测定；对空隙率很大的透水性混合料及开级配混合料用体积法测定。