工作任务四 土方填筑与压实

工程中场地平整，基坑（槽）、管沟回填，枯井、暗塘的处理以及填土等项目都需要进行填土施工，为了保证填土工程的质量，必须正确选择土壤的种类和填筑方法。而这些填土需要满足压实要求，压实的目的是保证填土的强度和稳定性。

一、土料的选择

选择填方土料应符合设计要求。设计无要求时，应符合下列规定：

（1）碎石类土、砂土和爆破石渣（粒径不大于每层铺土的2/3）可用于表层下的填料。

（2）含水量符合压实要求的黏性土，可用作各层填料。

（3）碎块草皮和有机质含量大于8%（质量分数）的土，仅用于无压实要求的填方。

（4）淤泥和淤泥质土一般不能用作填料，但在软土或沼泽地区，经过处理使含水量符合压实要求后，可用于填方中的次要部位。

（5）水溶性硫酸盐大于5%（质量分数）的土，不能用作回填土，在地下水作用下，硫酸盐会逐渐溶解流失，形成孔洞，影响土的密实性。

（6）冻土、膨胀性土等不应作为填方土料。

二、影响填土压实的因素

影响填土压实质量的因素很多，主要有填土的种类、压实功、土的含水量以及每层铺土厚度。

1.不同类别土的影响

黏性土中的黏土粒小，孔隙比大，压缩性也大，但因其颗粒间的间隙小，压实时逸气排水困难，所以较难压实。砂土的颗粒大，孔隙比小，压缩性也小，但因颗粒间的间隙大，透水透气性好，所以比较容易压实。

2.压实功的影响

填土压实后的密度与压实机械在其上所施加的功有一定的关系。当土的含水量一定，在开始压实时，土的密度急剧增加，待到接近土的最大密度时，压实功虽然增加许多，而土的密度却变化不大。

在实际施工中，在压实机械和铺土厚度一定的条件下，碾压一定遍数即可，过多增加压实遍数对提高土的密度并无多大作用。对于砂土一般只需碾压或夯实2～3遍，对亚砂土只需3～4遍，对亚黏土或黏土只需5～6遍。

3.含水量的影响

在压实功相同的条件下，土的含水量对压实质量有直接的影响（图1-49）。较干燥的土，由于土颗粒间的摩阻力较大，因而不易压实。但若土的含水量超过一定限度，土颗粒之间的孔隙全部被水填充而呈饱和状态，故土颗粒的间隙无法减小，土也不能被压实。所以，只有当土具有适当的含水量时，土颗粒之间的摩阻力减小，土才容易被压实。在压实功相同的条件下，使填土压实获得最大的密度时土的含水量，称为土的最佳含水量。土的最佳含水可由击实试验确定，也可查经验表确定（仅供参考）。各种土壤的最佳含水量（质量分数）为：砂土 8%～12%，粉土16%～22%，粉质黏土18%～21%，黏土19%～23%。为了保证填土在压实过程中具有最优含水量，当实际含水量偏高时，应先翻松晾干，或均匀掺入干土或吸水性填料（碎砖、毛石灰粉等），再铺填压实；若含水量偏低，则应预先洒水湿润，以提高压实效果。

4.铺土厚度的影响

土在压实功的作用下，其应力随深度增加而逐渐减小（图1-50），其影响深度与压实机械、土的性质和含水量有关。超过一定深度后，虽经反复碾压，土的密实度仍与未压实一样，这是因为业已压实的上部土层较厚，则在继续压实过程中上层土体的弹性变形将吸收较多的压实功，必然影响下层的压实效果。所以铺土厚度应小于压实机械压土时的作用深度，但其中还有最优土层厚度问题，铺得过薄，则会增加机械的总压实遍数。施工时，每层最优铺土厚度和压实遍数可根据所填土料性质、压实的密实度要求和所选用的压实机械性能确定或按表1-16选用。

三、土料压实方法及压实机械选择

（一）填土的压实方法

填土压实的方法有碾压、夯实和振动压实三种，此外还可以利用运土工具压实。

1.碾压法

碾压法是由沿填筑面滚动的鼓筒或轮子的压力压实土壤，多用于大面积填土工程。碾压机械有平碾（压路机）、羊足碾和气胎辗等。

（1）平碾。平碾（压路机）［图1-51（a）］是一种以内燃机为动力的自行式压路机。按重量大小平碾划分为轻型、中型和重型三种。碾压时每层铺土厚度一般为20～30cm，从两侧向中心分条碾压，为防止漏碾每条都应有不小于20cm的重叠搭接，如条件许可应先用轻型作初碾，再用重型追碾，可提高压实质量。否则如直接用重型碾压虚铺的土层，会使碾压后的地表产生较大的起伏现象，影响压实效果。

若在平碾上附加以振动装置则构成振动平碾，多适用于压实爆破石渣、碎石类土、杂填土或轻亚黏土的大型填方。

（2）羊足碾。羊足碾［图1-51（b）］一般设有动力，常用拖拉机或推土机牵引，其单位面积的碾压力大，压实效果好。但只适用于黏性土，不适宜于砂类土。因为在砂土中碾压时，土颗粒受到“羊足”较大的单位压力后会向四面移动，使土的结构破坏，反而使土颗粒处于不稳定的状态。

羊脚碾压实有两种方式：圈转套压和进退错距。后种方式压实效果较好。羊脚碾的碾压遍数，可按土层表面都被羊脚压过一遍，即可达到压实要求考虑。所以，碾压遍数可用式（1-49）计算

式中 K——考虑羊脚碾在碾压时分布不均匀的修正系数，一般取1.3；

S——滚筒表面面积，cm²；

m——滚筒上羊脚的个数；

F——每个羊脚的底面面积，cm²。

（3）气胎碾。气胎碾是一种拖式碾压机械，分单轴和双轴两种。单轴气胎碾主要由装载荷载的金属车厢和装在轴上的4～6个充气轮胎组成。碾压时在金属车厢内加载同时将气胎充气至设计压力。为避免气胎损坏，停工时用千斤顶将金属车厢顶起，并把胎内的气放出一些，如图1-52所示。

气胎碾在压实土料时，充气轮胎随土体的变形而发生变形。开始时，土体很松，轮胎的变形小，土体的压缩变形大。随着土体压实密度的增大，气胎的变形也相应增大，气胎与土体的接触面积也增大，始终能保持较均匀的压实效果。另外，还可通过调整气胎内压，来控制作用于土体上的最大应力，使其不致超过土料的极限抗压强度。增加轮胎上的荷重后，由于轮胎的变形调节，压实面积也相应增加，所以平均压实应力的变化并不大。因此，气胎的荷重可以增加到很大的数值。对于平碾和羊脚碾，由于碾滚是刚性的，不能适应土壤的变形，荷载过大就会使碾滚的接触应力超过土壤的极限抗压强度，而使土壤结构遭到破坏。

气胎碾既适宜于压实黏性土，又适宜于压实非黏性土，适用条件好，压实效率高，是一种十分有效的压实机械。

2.夯实法

夯实法是利用夯锤自由下落的冲击力来夯实土壤。这种方法主要适用于小面积的回填土。夯实机械主要有夯锤、内燃夯土机和蛙式打夯机等。人工夯土用的工具有木夯、石夯、飞蛾等。

（1）夯锤。夯锤是用钢筋混凝土做成的截头圆锥体，锤底面为钢板。夯锤重量一般为1.5～3.0t。工作时，借助起重机将锤提升至2.5～4.5m，然后自由下落夯击。夯土的影响深度大，压实效果好，但费用较高。适用于夯实砂砾土、湿陷性黄土、杂填土以及含有石块的填土。

（2）蛙式打夯机。蛙式打夯机（图1-53）是建筑工地上应用较广的小型夯实机械，由电动机带动皮带轮使偏心块旋转继而使夯板作上下运动而夯击土层，夯头架即随之牵引拖盘作蛙跃式前移。这种机械，操作简单，尤其对零星分散或边角部分的夯实反应灵活。其虚铺土厚一般为20～25m。

3.振动压实法

振动压实法是利用振动机械作用的振动力，使土颗粒发出相对位移而趋向密实的稳定状态，此法用于非黏性土效果较好。将碾压和振动结合而设计制作了振动平碾、振动凸块碾等新型压实机械。振动平碾适用于填料为爆碎石碴、碎石类土、杂填土或粉土的大型填方；振动凸块碾则适用于粉质黏土或黏土的大型填方。当压实爆破石碴或碎石类土时，可选用8～15t重的振动平碾，铺土厚度为0.6～1.5m，先静压、后振压，碾压遍数应由现场试验确定，一般为6～8遍。

（二）压实机械的选择

选择压实机械主要考虑如下原则：

（1）适应筑坝材料的特性。黏性土应优先选用气胎碾、羊脚碾；砂砾质土宜用气胎碾、夯板；堆石与含有特大粒径的砂卵石宜用振动碾。

（2）应与土料含水量、原状土的结构状态和设计压实标准相适应。对含水量高于最优含水量1%～2%的土料，宜用气胎碾压实；当重黏土的含水量低于最优含水量，原状土天然密度高并接近设计标准时，宜用重型羊脚碾、夯板；当含水量很高且要求压实标准较低时，黏性土也可选用轻型的肋形碾或平碾。

（3）应与施工强度大小、工作面宽窄和施工季节相适应。气胎碾、振动碾适用于生产要求强度高和抢时间的雨季作业；夯击机械宜用于坝体与岸坡或刚性建筑物的接触地带、边角和沟槽等狭窄地带。冬季作业选择大功率、高效能的机械。

（4）应与施工单位现有机械设备情况和习用某种设备的经验相适应。

（三）填土压实的施工方法

碾压机械碾压实土料的施工方法主要有两种：圈转套压法和进退错距法，如图1-54所示。

1.圈转套压法

碾压机械从填方一侧开始，转弯后沿压实区域中心线另一侧返回，逐圈错距，以螺旋形线路移动进行压实。这种方法适用于碾压工作面大，多台碾具同时碾压的情况，生产效率高。但转弯处重复碾压过多，容易引起超压剪切破坏，转角处易漏压，难以保证工程质量。

2.进退错距法

碾压机械沿直线错距进行往复碾压。这种方法操作简单，容易控制碾压参数，便于组织分段流水作业，漏压重压少，有利于保证压实质量。此法适用于工作面狭窄的情况。

由于振动作用，振动碾的压实影响深度比一般碾压机械大1～3倍，可达1m以上。它的碾压面积比振动夯、振动器压实面积大，生产率高。振动碾压实效果好，使非黏性土料的相对密实度大为提高，坝体的沉陷量大幅度降低，稳定性明显增强，使土工建筑物的抗震性能大为改善。故抗震规范明确规定，对有防震要求的土工建筑物必须用振动碾压实。振动碾结构简单，制作方便，成本低廉，生产率高，是压实非黏性土石料的高效压实机械。

四、压实参数的选择及压实试验

坝面的铺土压实，除应根据土料的性质正确地选择压实机具外，还应合理地确定黏性土料的含水量、铺土厚度、压实遍数等各项压实参数，以便使坝体达到要求的密度，而消耗的压实功能又最少。由于影响土石料压实的因素很复杂，目前还不能通过理论计算或由实验室确定各项压实参数，宜通过现场压实试验进行选择。现场压实试验应在坝体填筑以前，土石料和压实机具已经确定的情况下进行。

1.压实标准

土石坝的压实标准是根据设计要求通过试验提出来的。对于黏性土，在施工现场是以干密度作为压实指标来控制填方质量的；对于非黏性土则以土料的相对密度来控制。由于在施工现场用相对密度来进行施工质量控制不方便，往往将相对密度换算成干密度作为现场控制质量的依据。

2.压实参数的选择

当初步选定压实机具类型后，即可通过现场碾压试验进一步确定为达到设计要求的各项压实参数。对于黏性土，主要是确定含水量、铺土厚度和压实遍数。对于非黏性土，一般多加水即可压实，所以主要是确定铺土厚度和压实遍数。

3.碾压试验

根据设计要求和参考已建工程资料，可以初步确定压实参数，并进行现场碾压试验。

（1）试验场地选择。要求试验场地地面密实，地势平坦开阔，可以在建筑物附近或在建筑物的非重要部位。

（2）场地布置。

1）一般布置成60m×6m的条带形，然后将此条带等分为4段，每段长15m，各段含水量依次为ω₁、ω₂、ω₃、ω₄（要求误差不超过1%）。再将每段沿长边等分为4块，段内各块按规定碾压遍数依次为n₁、n₂、n₃、n₄，如图1-55所示。

2）压实试验土料的含水量可根据土料性质分别确定。黏性土料一般采用4种含水量：ω₁=ω_p=4%，ω₂=ω_p-2%，ω₃=ω_p，ω₄=ω_p+2%。（注：ω_p为土的塑性下限。）

3）试验的铺土厚度和压实遍数，可参照表1-17的数据选用。

4.现场碾压试验记录

试验时依次按规定碾压遍数进行碾压。将每段压n₁遍的小块各取9个试样组成一组，依次对各段压n₂、n₃、n₄遍的小块，各取9个试样，组成相应的组，然后分别测定其含水量和干密度。以上试验是在同一铺土厚度下进行的，如果要确定不同铺土厚度的压实参数，试验在不同铺土厚度h的地段进行。试验土料的土质、含水量应与筑坝土料一致。现场碾压试验记录可填入干密度测定成果表，见表1-18。

5.碾压试验成果整理分析

根据上述碾压试验成果，进行综合整理分析，以确定满足设计干密度要求的最合理碾压参数，步骤如下：

（1）根据干密度测定成果表，绘制不同铺土厚度、不同压实遍数土料含水量和干密度的关系曲线，如图1-56所示。

（2）根据设计干密度ρ_d，从图1-56上可以分别查出不同铺土厚度对应的最大干密度对应的最优含水量，得到最大干密度与最优含水量汇总表，见表1-19。

（3）根据表1-19，可以绘出铺土厚度、压实遍数和最优含水量、最大干密度的关系曲线，如图1-57所示。

（4）根据设计干密度ρ_d，从图1-57上分别查出不同铺土厚度时所对应的压实遍数a、b、c和最优含水量d、e、f，然后计算出h₁/a、h₂/b及h₃/c进行比较，以单位压实遍数的压实厚度最大者为最终的施工参数。

对于非黏性土料的压实试验，也可用上述类似的方法进行，但因含水量的影响较小可以不考虑。根据试验成果，按不同铺土厚度绘制干密度（或相对密度）与压实遍数的关系曲线，然后根据设计干密度（或相对密度）即可由曲线查得在某种铺土厚度情况下所需的压实遍数，再选择其中压实工作量最小的，即仍以单位压实遍数的压实厚度最大者为参考值，取其铺土厚度和压实遍数作为施工的依据。

选定经济压实厚度和压实遍数后，应首先核对是否满足压实标准的含水量要求，然后将选定的含水量控制范围与天然含水量比较，看是否便于施工控制，否则可适当改变含水量和其他参数。有时对同一种土料采用两种压实机具、两种压实遍数最为经济合理。