土石坝土料压实的基本理论

土石坝在外水压力、地震力、自重、孔隙水压力等内外荷载的作用下,对填方的稳定性和防渗性要求较高。而填方的自身稳定主要靠土料内部的阻力（内摩擦力和凝聚力）来维持的。土料的内摩擦力、凝聚力以及土料的防渗性能都与土料的密实度密切相关，它们都是随着填土密实度的增大而提高的。例如将干容重为1.4的砂壤土压实后干容重提高到1.7,其抗压强度可提高4倍,其渗透系数将降低2000倍。所以土石坝填土的压实不仅大大增强了防渗性能,而且由于自身稳定性的增强,可以加陡设计边坡,节约工程投资,加快施工进度。 

由于土料是三相体,即由固相的土壤颗粒、液相的水和气相的空气组成。土料压卖过程中,土壤颗粒和水是不会被压缩的。所以土料压实的实质就是将水包袤的土壤颗粒挤压填充到土粒间的空隙里,从而排走空气占有的空间,使土料的孔隙率减小,密实度提高。所以土料的压实的过程,就是外荷载作用下将组成土料的三相重新组合的过程。

   土料压实的水膜理论揭示了土料的含水量、土壤性质、压实功能的大小对土料压实的影响的内在联系和规律。该理诠认为土料中的水呈两种状态：一种是服从液体规律的自由水,另一种是包裹在土粒表面的弹性水膜。由于土粒表面的物理化学电分子力的作用,使这层弹性水膜类似固体的性质, 具有特殊的粘滞性、抗剪性和弹性极限。这层水膜愈薄这种特性愈显著。随着水膜的增厚土粒表面的电分子力的控制作用减弱,从而使这些性能迅速丧失。当水膜增加到某一厚度,它的抗剪性降低到零。在这个厚度以外的水不受土粒表面电分子力的束缚呈自由状态称自由水。而这个厚度范围以内的水,由于受土粒表面电分子力的束缚作用,故称束缚水。

土料压实过程中,只有自由水才产生润滑作用。而受束缚的弹性水膜具有抗剪性,构成土粒间相互位移的阻力。水膜理论从这个观点出发,解释含水量对各种土料压实特性的影响。 

①当粘性土料中含水量越小则弹性水膜越薄,土粒表面电分子力控制作用越大,土料的抗剪性能越强,压实所需的功能越大,则越不容易压实。
       ②而当弹性水膜的厚度逐步增加到土料的抗剪能力趋近于零时,耗费最小的压实功能就能使土料达到最大的密实程度。这时土料的含水量就称为最优含水量。

从被压实的粘性土干容重与含水量的关系曲线图可见如上特性。

开始,土料的干容重随含水量的增大而增大。当含水量逐步增大到某一临界值时,干容重达到最大。若含水量进一步增加,超过这一临界含水量,干容重反而减小。曲线表明在一定的压实功能的情况下，最大干容重对应的含水量为最优含水量。同时说明土料的最优含水量随压实功能大小而变化。最优含水量随压实功能增大而减小（实验中以锤击次数的多少来表示压实功能的大小)。施工中所说最优含水量是指用确定重量的压实机具进行土料压实中，为获得设计干容重,单位体积的填土消耗压实功能最小的含水量。

对于非粘性土,由于土料的颗粒较粗 ,单位体积内土粒表面面积比粘性土小得多,因此土粒表面束缚水的电分子力的影响也要小得多。所以非粘性土的粘结力较之颗粒间的摩擦力要小得多。由于颗粒粗,孔隙率相对粘性土为小,压缩性、膨胀性都不大。由于透水性较强,能在外压力及自重力作用下迅速排水,迅速团结。与之相反,粘性土颗粒极细,孔隙率大,压缩性、膨胀性都大；但透水性弱,排水困难,压缩过程缓慢,难以达到固结压实。另外,颗粒级配的均匀性也影响压实效果。颗粒级配不均匀的砂砾料,较颗粒级配均匀的砂土容易压实。