辽宁广播电视大学 省水利厅工作站 《水利工程施工》 教师：张玉福

第五章：土石坝施工 第三节：土石料压实

第十九次课：土石方压实 课题 日期 2004年6月25日 班级 水利水电工程（专科） 教学目的 使学生掌握土石方的压实方法，压实机械的选择及压实试验方法。 教学方式 课件、视频、图片 教学重点 土石方压实方法、机械选择 教学难点 土石方压实原理、压实试验场地布置 旧课复习 土石方开挖方法，开挖机械及适用条件，生产率计算方法。 新课内容 土石方压实原理；土石方的压实方法；土石方的压实机械；土石方的压实标准；土石方的压实参数。 教学小结 核心内容：土的压实方法和压实机械的选择，难点：理解压实的原理与影因素，熟悉：压实试验步骤和参数确定。 作业 思考题4个，见后。

一、复习： 1、土的施工分级与可松性？ 2、土石方开挖的施工方法？ 3、单斗挖掘机的类型、特点、适用条件？ 4、多斗挖掘机的类型、工作特点？ 5、铲土运输机械的特点？ 二、提问： 1、土的可松性？掌握可松性有什么意义？ 2、土石方开挖最常用的施工方法？有哪些常用机械？可用机械？ 3、单斗挖掘机械生产率计算考虑了哪几个主要因素？ 4、铲土运输机械与挖掘相比有哪些优点和缺点？

第三节 土石料压实 一、土料压实基体理论 1、压实的意义： 土是松散颗粒的集合体，其自身的稳定性主要取决于土料内摩擦力和粘结力。而土料的内摩擦力、凝聚力和抗渗性都与土的密实性有关，密实性越大，物理力学性能越好。例如：干表观密度为１.4t/m³的砂壤土，压实后若提高到1.7t/m³，其抗压强度可提高4倍，渗透系数将降至原来的1/200。由于土料压实，可使坝坡加陡,减少工程量，加快施工进度。

2、压实的影响因素： ●土料的性质：粘性土与非粘性土的压实有显著的差别。一般粘性土的粘结力较大，摩擦力较小，具有较大的压缩性，但由于它的透水性小，排水困难，压缩过程慢，所以很难达到固结压实。而非粘性土料正好相反，它的粘结力小，摩擦力大，具有较小的压缩性，但由于它的透水性大，排水容易，压缩过程快，能很快达到密实。 ●土料颗粒大小与组成：颗粒越细，空隙比就越大，就越不容易压实。所以粘性土压实干表观密度低于非粘性土压实干表观密度。颗粒不均匀的砂砾料，比颗粒均匀的砂砾料达到的干表观密度要大一些。 ●含水量：当压实功能一定时，粘土的干表观密度随含水量增加而增大，并达到最大值，此时的含水量为最优，大于此含水量后，干表观密会减小，因此时土料逐渐饱和，外力被土料内自由水抵消。非粘性土料的透水性大，排水容易，不存在最优含水量，含水量不作专门控制。 ●压实功能的大小：也影响着土料干表观密度的大小。压实功能增加，干表观密度也随之增大而最优含水量随之减少。说明同一种土料的最优含水量和最大干表观密度，随压实功能的改变而变化，这种特性对于含水量过低或过高的土料更为显著。

二、土料压实方法与机械 1、 压实方法 ●碾压法：用于各类土，采用羊脚碾、气胎碾 ●夯击法：用于各类土，采用夯实机械。 ●振动法：适用于砂性土。采用振动碾。 2、压实机械： ●羊脚碾：它是碾的滚筒表面设有交错排列的柱体，形若羊脚。碾压时，羊脚插入土料内部，使羊脚底部土料受到正压力，羊脚四周侧面土料受到挤压力，碾筒转动时土料受到羊脚的揉搓力，从而使土料层均匀受压，压实层厚，层间结合好，压实度高，压实质量好，但仅适于粘土。非粘性土压实中，由于土颗粒产生竖向及侧向移动，效果不好。压实原理见图5-7。

羊足碾压实原理 图5-7 气胎碾压实原理 图5-8

凸块碾压实示意图

凸块碾组合压实粘土料

羊脚碾压实中，一种是逐圈压实，即先沿填土一侧开始，逐圈错距以螺旋形开行逐渐移动进行压实，机械始终前进开行，生产率高，适用宽阔的工作面，并可多台羊脚碾同时工作。但拐弯处及错距交叉处产生重压和漏压。另一种方式为进退错距压实，即沿直线前进后退压实，返复行驶，达到要求后错距，重复进行。压实质量好，遍数好控制，但后退操作不便。此法用于狭窄工作面。压实遍数，由经验可按土层表面被羊脚普遍压过一遍就能满足要求估算。压实遍数可按5-3计算： N=K·S/(m ·F) (5-3) 式中：Ｓ—碾筒表面面积，cm²； Ｆ—羊脚的端面积，cm²； m—羊脚的数量； Ｋ—碾压时羊脚在土料表面分布不均匀修正系数，一般取1.3。

● 气胎碾 利用充气轮胎作为碾子，由拖拉机牵引的一种碾压机械。这种碾子是一种柔性碾，碾压时碾和土料共同变形，其原理见图5-8。胎面与土层表面的接触压力与碾重关系不大，增加碾重（可达几十吨至上百吨），可以增加与土层的接触面积，从而增大压实影响深度，提高生产率。它即适用于粘性土的压实，也可以压实砂土、砂砾石、粘土与非粘性土的结合带等。与羊脚碾联合作业效果更佳，如气胎碾压实，用羊脚碾收面，有利于上下层结合；羊脚碾碾压，气胎碾收面，有利于防雨。 ●振动碾 是一种具有静压和振动双重功能的复合型压实机械。常见的类型是振动平碾，也有振动变形（表面设凸块、肋形、羊脚等）碾。它是由起振柴油机带动碾滚内的偏心轴旋转，通过连接碾面的隔板，将振动力传至碾滚表面，然后以压力波的形式传到土体内部。非粘性土的颗粒比较粗，在这种小振幅、高频率的振动力的作用下，摩擦力大大降低，由于颗粒不均匀，惯性力大小不同而产生相对位移，细粒滑入粗粒孔隙而使空隙体积减小，从而使土料达到密实。振动碾的构造见图5-9。

由于振动力的作用，土中的应力可提高4-5倍，压实层达1m以上，有的高达2m，生产率很高。可以有效地压实堆石体、砂砾料和砾质土，也能压实粘性土，是土坝砂壳、堆石坝碾压必不可少的工具，应用非常广泛。 ●夯实机械 是一种利用冲击能来击实土料的一种机械，有强夯机、挖掘机夯板等，用于夯实砂砾料，也可以用于夯实粘性土。适于在碾压机械难于施工的部位压实土料。 1)强夯机 是一种发展很快的强力夯实机械。它是由高架起重机和铸铁块或钢筋混凝土块做成的夯砣组成。夯砣的重量一般为10-40t，由起重机提升10-40m高后自由下落冲击土层，影响深度达4-5m，压实效果好，生产率高，用于杂土填方，软基及水下地层。 2)挖掘机夯板　是一种用起重机械或正铲挖掘机改装而成的夯实机械。其结构见图5-10。夯板一般做成圆型或方型，面积约１m²，重量为1-2t，提升高度为3-4m。主要优点是压实功能大，生产率高，有利于雨季、冬季施工。当石块直径大于50cm时，工效大大降低，压实粘土料时，表层容易发生剪力破坏，目前看有逐渐被振动碾取代之势。

振动碾原理图 图5-9 挖掘机夯板示意图 图5-10

三、压实标准及参数 （一）压实标准 意义：毫无疑问，土料压实越好，力学性能越高，坝体质量越有保证。 要求：压实适度，防止压实过度和不足。 过分压实：不仅提高了费用，还会造成剪力破坏。 压实不足：质量低，各种力学指标不足。 １ 、粘性土料 指 标：压实干表观密度和施工含水量 压实标准： １）压实干表观密度：用击实试验来确定。 我国采用南实仪25击[89.75(t.m)/m³]作为标准压实功能，得出一般不少于25-30组最大干表观密度的平均值γd·max(t/m³)作为依据，从而确定设计干表观密度γd(t/m³): γd=m·γd·max （５-４） 式中:m—施工条件系数，一般Ⅰ、Ⅱ级坝及高坝，采用0.97-0.99,中低坝采用0.95-0.97。

此法对大多数粘土料是合理的、适用的。但是，土料的塑限含水量、粘粒含量不同，对压实度都有影响，应进行以下修正： 其一：以塑限含水量为最优水量，由试验从压实功能与最大干密度与最优含水量曲线上初步确定压实功能；当天然含水量与塑限含水量接近且易于施工时，以天然含水量做最优含水量确定压实功能； 其二：考虑沉降控制的要求 ，通过控制压缩系α=0.0098-0.0196cm²/kg,确定干表观密度。 2）施工含水量的控制范围 是由标准击实条件时的最大干表观密度确定的，而最大干表观密度对应的最优含水量是一个点值，而实际的天然含水量总是在某一个范围变动。为适应施工的要求，必须围绕最优含量规定一个范围，即含水量的上下限。即在击实曲线上以设计干表观密度值作水平线与曲线相交的两点就是施工含水量的控制范围。如图5-11。 

图5-11施工含水量控制图

2、砂土及砂砾石 砂土及砂砾石的压实程度，与颗粒级配及压实功能关系密切，一般用相对密度Dr表示: Dr＝(emax-e)/(emax-emin) （５-５） 式中：　emax-砂石料的最大孔隙比； emin-砂石料的最小孔隙比； e—设计孔隙比。 　用干表观密度γР(t/m³)表示： γР＝γmax·γmin／［γmax-Dr(γmax-γmin)　（５-６） 式中：γmax－砂石料最大干表观密；(t/m³)； 　　　 γmin－砂石料最小干表观密；(t/m³)。

参数：施工控制含水量、铺土厚度、压实遍数 3、石渣及堆石体 石渣及堆石体作为坝壳填筑料，压实指标一般用孔隙率表示。根据国内外的经验，碾压式堆石坝坝体压实后空隙率应小于30%，为了防止过大的沉陷，一般规定为22%-28%。上游主堆石区标准为21%-25%。 （二）压实参数确定 参数：施工控制含水量、铺土厚度、压实遍数 因素：根据土料的性质、颗粒大小及组成、压实标准、压实机械类型，还应进一步确定压实参数，使之达到经济合理。 方法：经 验 法：根据已成工程类比取值。 现场试验法：确定施工控制含水量、铺土厚度、压实遍数。

四、压实试验 ●试验要求： 土料的碾压试验，是根据已选定的压实机械，来确定铺土厚度、压实遍数及相应的含水量。应选择有代表性的土料，各料场如有差异，应分别试验。 ●试验方法： 一般采用淘汰法，也叫逐步收敛法。此法每次变动一种参数，固定其它参数，通过试验求出该参数的适宜值，依此类推。待各项参数选定后，用选定参数进行复核试验。这种方法的优点是,效果相同时而试验总数较少。 ●厂地条件： 试验场地应平坦、坚实，靠近水源，地形开阔，有水电附属设施。用试验土料先在地基上铺筑一层，压实到设计标准，将这一层作为基层，然后在上面进行碾压试验。

●试验区的面积： 每个试验组合面积为： 粘土 不小于5m×2m(长×宽)； 砾石土、风化砾石土、砂及砂砾 不小于4m×8m； 卵漂石、堆石料不小于6m×10m。 由于碾压时产生侧向挤压，因此，试验区的两侧应各留出一个碾宽，试验区的两端各留出4m-5m（粘土）或8m-10m（堆石料）作非试区，以满足停车和错车的要求。 ●试验步骤： 1、布置场地：一般试验可完成十几或几十个组合试验。淘汰法，每场只变动一种参数，一般一场试验布置4个组合试验，粘性土及堆石料一场试验布置见图5-12、5-13。

图5-12粘性土料场压实试验布置图

图5-13非粘性土料场压实试验布置图

2、压实试验、取样： ●按不同压实遍数（N）、 　●不同铺土厚度（h）、 　●不同含水量（W）进行压实，取样。 每一个组合取样数量为：粘土、砂砾石10-15个；砂及砂砾6-8个；堆石料不少于3个。 　3、测定干容重、含水量： 分别测定土样干表观密度、含水率、颗粒级配。 4、作压实遍数与干容重、含水量曲线 可作出不同铺土厚度时压实遍数与干容重、含水量曲线，见图5-14。

图5-14含水量~干容重曲线 5、量取最大干容重、最优含水量值。做最大干容重、 碾压遍数、铺土厚度、最优含量曲线，见图5-15。

图5-15压实遍数—最大干容重—最优含水量曲线

6、量取设计干容重的碾压遍数、铺土厚度、含水量 （NHW）得出多组压实参数，均能满足要求。 7、确定经济合理的压实参数： 计算单位土方厚度压实功能最小的参数 即N/H最小值，组合参数最优。

尼尔基土坝粘土料压实

尼尔基土坝排水体施工

尼尔基土坝粘土卸料推平

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尼尔基土坝沥青砼心墙

尼尔基水利枢纽坝下桥

●小结： ●作业： 核心内容：土的压实方法和压实机械的选择， 难点内容：理解压实的原理与影因素，熟悉压实试验步骤和参数确定。 熟悉内容：试验步骤和参数确定 　●作业： 　　1、土石料压实有哪些方法？如何根据土料性质选择压实方法？ 　　2、土石料压实的影响因素？ 3、压实机械的类型及适用条件？ 4、压实试验的步骤和压实参数确定方法？