黃土壓實(shí)特性研究

馬艷平

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

天然黃土是一種以粉粒為主，多孔隙、天然含水量較小、呈黃紅色、含鈣質(zhì)的粘質(zhì)土［1］。黃土的壓實(shí)可以使土粒重新排列，孔隙縮小，形成密實(shí)整體，增強(qiáng)穩(wěn)定性，減少沉降，促進(jìn)固結(jié)。經(jīng)大量試驗(yàn)和工程實(shí)踐證明:路基壓實(shí)后，路基的塑性變形、滲透系數(shù)、毛細(xì)水作用及隔溫性能等均有明顯改善［2］。

黃土壓實(shí)效果受多種因素影響，其中機(jī)械性能、土層厚度和含水量是壓實(shí)主要技術(shù)參數(shù)。碾壓機(jī)械產(chǎn)生不同形式壓實(shí)功作用在土體上，克服土粒間作用力，產(chǎn)生塑性變形。壓實(shí)功在土體表面?zhèn)鬟f至下層，壓實(shí)能隨深度逐漸衰減，直至不能克服土顆粒間穩(wěn)定能，壓實(shí)作用失效。適量水主要表現(xiàn)為潤滑效果，可促進(jìn)壓實(shí);過量的水減弱土粒間粘聚力和摩擦力，不利于提升壓實(shí)效果。在一定的壓實(shí)功作用下的最佳含水量可通過標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)確定。

為排除一些外部條件的干擾，深入了解靜壓、振動(dòng)壓實(shí)、沖擊壓實(shí)三種工藝的壓實(shí)機(jī)理和特性，試驗(yàn)采用可控壓實(shí)參數(shù)的小型壓實(shí)機(jī)械，通過埋設(shè)在土槽中感應(yīng)器采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可比性，三種工藝的主要條件采用歸一化處理;壓路機(jī)的尺寸和重量基本相同，線壓力均為7.7 N/mm;振動(dòng)碾壓時(shí)將上述壓路機(jī)調(diào)節(jié)為振動(dòng)模式，振動(dòng)頻率23 Hz～33 Hz，振幅0.45 mm;沖擊碾壓時(shí)，壓路機(jī)沖擊能量為42.4 J。碾壓材料采用較為典型的黃土低液限粘土(CLY)，具體性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 填料的性質(zhì)指標(biāo)

1 靜力壓實(shí)特性

靜力壓實(shí)是用具有一定質(zhì)量的滾輪慢速滾過土層，利用機(jī)械的自重對(duì)土體主要施加壓、剪力，使土體產(chǎn)生塑性變形(永久殘留變形)，微觀上表現(xiàn)為氣體排出和土粒相互靠近或嵌擠。土的密度隨著碾壓遍數(shù)增加，永久殘留變形減小。粘性土受臨界水頭和滲透系數(shù)低的特點(diǎn)，短時(shí)間的壓實(shí)主要將空隙中空氣擠出，而不是將水?dāng)D出。

不同深度的壓應(yīng)力隨碾壓遍數(shù)的變化規(guī)律見圖1。

1)隨著碾壓遍數(shù)的增加，土中壓應(yīng)力出現(xiàn)峰值，隨后回落。碾壓初期上層土體比下層密實(shí)快，壓應(yīng)力逐漸增大并出現(xiàn)峰值，逐漸密實(shí)的下層土體傳荷能力增強(qiáng)，上層土體壓應(yīng)力有所減小，應(yīng)力圖形上呈凸型曲線(見圖2)。

2)靜力壓實(shí)產(chǎn)生應(yīng)力隨深度迅速遞減，作用深度有限。15 cm以內(nèi)應(yīng)力增長較為明顯;在35 cm深度處的壓應(yīng)力在碾壓1遍～4遍時(shí)有輕微變化，繼續(xù)碾壓則幾乎不變化(見圖3)。

圖1 壓應(yīng)力變化

圖2 深度25 cm壓應(yīng)力變化

圖3 壓實(shí)度隨深度變化的變化規(guī)律

靜力壓實(shí)使得黃土顆粒逐漸嵌入周邊顆粒中，隨著靜載的增加或碾壓次數(shù)的增多，顆粒間的粘聚力和摩擦力也增加，即土體抗力也相應(yīng)提高。靜力壓實(shí)對(duì)于深層次的土體附加應(yīng)力小，采用增加碾壓遍數(shù)來提高壓實(shí)度是不經(jīng)濟(jì)的，甚至達(dá)到一定程度后是無效的。另一方面，土體具有承載力極限，通過增加滾輪荷載來提高壓實(shí)效果存在一個(gè)荷載上限，超過土體的承載極限會(huì)發(fā)生剪切破壞。所以，靜力壓實(shí)有一個(gè)極限的壓實(shí)效果。

靜力壓實(shí)的特點(diǎn)是隨深度迅速遞減且壓實(shí)深度有限。壓實(shí)過程中，靜力壓實(shí)對(duì)淺層土體壓實(shí)效果明顯，可通過增加壓實(shí)能達(dá)到預(yù)期壓實(shí)效果，但對(duì)于深層壓實(shí)則效果不明顯甚至無效。

2 振動(dòng)壓實(shí)特性

振動(dòng)壓實(shí)過程中一方面對(duì)鋪層加載機(jī)械重力，另一方面產(chǎn)生一定頻率的沖擊，脅迫土粒振動(dòng)，同時(shí)相互聯(lián)系的土粒將振動(dòng)沿縱橫向擴(kuò)散和傳播。

在壓路機(jī)的振動(dòng)沖擊下，土顆粒受到擾動(dòng)而脫離原來的平衡位置，碰撞周圍土體，并以周圍粘性顆粒施加給它反力為回復(fù)力，土顆粒便振動(dòng)起來。表層振動(dòng)的土粒作用于周邊土顆粒，迫使周圍的顆粒隨之振動(dòng)。這樣，振動(dòng)便以一定的速度在土體中傳播，形成波動(dòng)。振動(dòng)壓實(shí)是將固定在物體上的振動(dòng)器所產(chǎn)生的高頻振動(dòng)傳給土體，土體顆粒受迫振動(dòng)時(shí)，在此過程中土顆粒間的摩擦力被減弱或消除，小的顆粒充填到大的顆粒之間的間隙中，土體密實(shí)，空隙率減小，密度增加，從而壓實(shí)度增加。振動(dòng)壓實(shí)的作用基本上可歸結(jié)于:1)對(duì)土體施加了沖擊力;2)減少了土顆粒間的內(nèi)摩擦力;3)由于振動(dòng)使土顆粒易于移動(dòng)。

當(dāng)外力振動(dòng)頻率與土體顆粒自身固有頻率相近時(shí)，土顆粒發(fā)生共振，此時(shí)振幅最大。較大的振幅有利于土粒運(yùn)動(dòng)，提高壓實(shí)度。不同頻率下土體壓應(yīng)力見圖4～圖6，壓實(shí)度見圖7。

圖4 27 Hz壓應(yīng)力

圖5 29 Hz壓應(yīng)力

圖6 31 Hz壓應(yīng)力

圖7 不同頻率碾壓后的壓實(shí)度隨深度變化

壓路機(jī)施加29 Hz壓力時(shí)，黃土顆粒產(chǎn)生共振，顆粒之間的連接最弱，土顆粒會(huì)迅速重新排列趨于密實(shí)。29 Hz相對(duì)于其他頻率同深度應(yīng)力，25 cm處土層應(yīng)力提高最大，35 cm處應(yīng)力提高最小，這一現(xiàn)象與壓實(shí)度提高幅度相對(duì)應(yīng)，見圖6。

從不同頻率壓實(shí)度隨深度變化圖6可以看出，當(dāng)振動(dòng)頻率為29 Hz時(shí)，壓實(shí)度遞減最緩;當(dāng)深度大于25 cm后，隨深度的增加，壓實(shí)度急劇減小。

在施工過程中，應(yīng)將振動(dòng)壓路機(jī)的頻率調(diào)整到黃土的共振頻率29 Hz附近，并控制壓實(shí)厚度，以便取得最優(yōu)的壓實(shí)效果。

3 沖擊壓實(shí)特性

沖擊式壓路機(jī)通過反復(fù)利用瓣?duì)钔馆喌慕Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生向下的動(dòng)能沖擊土層，同時(shí)具有壓實(shí)和擊實(shí)的功效，逐漸使土體密實(shí)。沖擊式壓路機(jī)凸輪結(jié)構(gòu)使自身行走時(shí)同時(shí)產(chǎn)生勢(shì)能和動(dòng)能。凸輪著地時(shí)，碾輪的勢(shì)能最小，動(dòng)能最大，部分勢(shì)能轉(zhuǎn)化為豎向動(dòng)能，沖擊土層并產(chǎn)生巨大的沖擊波，碾輪連續(xù)沖擊地面，逐漸使土體壓實(shí)。高沖擊能的壓路機(jī)可對(duì)黃土填料作深層壓實(shí)，影響深度可達(dá)1.4 m［3］，從而提高壓實(shí)效果，降低土的滲透性。

Channel 5～Channel 8依次為距路表5 cm，15 cm，25 cm和35 cm處碾壓信號(hào)。從圖8中可以看出:凸輪著地前，土體受上次凸輪著地時(shí)沖擊荷載產(chǎn)生一系列振動(dòng);凸輪著地時(shí)產(chǎn)生一次應(yīng)力峰值，并伴隨有沖擊振動(dòng)，沖擊應(yīng)力隨深度減弱。對(duì)比碾壓前后各深度壓應(yīng)力，25 cm深處壓應(yīng)力提高最大，35 cm處壓應(yīng)力最小，見圖9。應(yīng)力提高使得土體壓實(shí)度提高，25 cm處壓應(yīng)力提高較大使得壓實(shí)度隨深度遞減減緩，見圖10。

圖8 沖擊壓實(shí)應(yīng)力碾壓信號(hào)

圖9 碾壓前后壓應(yīng)力

圖10 沖擊碾壓各深度壓實(shí)度

4 壓實(shí)特性綜合分析比較

靜力壓路機(jī)、振動(dòng)壓路機(jī)和沖擊壓路機(jī)，工作原理具有相同點(diǎn):三者均向土體施加荷載，迫使土粒移動(dòng)，填充靠近，同時(shí)排出氣體，土體逐漸密實(shí)。振動(dòng)壓路機(jī)相比靜力壓路機(jī)施加豎向荷載的同時(shí)并強(qiáng)迫土顆粒高頻振動(dòng)，沖擊壓路機(jī)更附加高能沖擊效果。

三種壓實(shí)機(jī)械產(chǎn)生的效果均隨深度遞減，但整體壓實(shí)效果不一樣。靜力壓實(shí)的效果在15 cm深度范圍內(nèi)迅速遞減，超過15 cm壓實(shí)度變化不大。振動(dòng)壓實(shí)對(duì)于25 cm以上土層壓實(shí)效果較為明顯。沖擊壓實(shí)相對(duì)于振動(dòng)和靜碾，可以對(duì)深層土體進(jìn)行壓實(shí)，見圖11。

圖11 壓實(shí)度沿深度變化曲線

圖12 土內(nèi)應(yīng)力隨碾壓遍數(shù)變化曲線

靜力壓實(shí)和振動(dòng)壓實(shí)在碾壓過程中出現(xiàn)應(yīng)力峰值，但整體回落幅度較小，可以忽略，見圖1和圖5。所以，隨碾壓遍數(shù)增加，不同壓實(shí)機(jī)械對(duì)于土層產(chǎn)生的應(yīng)力表現(xiàn)為整體增加。應(yīng)力增加的幅度與壓實(shí)方式密切相關(guān)，沖擊壓實(shí)的應(yīng)力增加幅度最大，振動(dòng)碾壓次之，靜力壓實(shí)最小，見圖12。

5 結(jié)語

1)三種壓實(shí)機(jī)械產(chǎn)生應(yīng)力隨著碾壓遍數(shù)增加而提高;應(yīng)力增加幅度與壓實(shí)方式密切相關(guān)，沖擊壓實(shí)應(yīng)力增加最快，對(duì)深層土體的壓實(shí)效果明顯，其次是振動(dòng)壓實(shí)，靜力壓實(shí)的上升速度最慢。

2)振動(dòng)壓實(shí)黃土的最佳振動(dòng)頻率即29 Hz。在該頻率下壓實(shí)，能引發(fā)土粒共振，提高壓實(shí)效率。實(shí)際施工中建議將振動(dòng)壓路機(jī)頻率調(diào)整至29 Hz，并在最佳含水量狀態(tài)時(shí)分層碾壓，這時(shí)能夠取得最優(yōu)的壓實(shí)效果。

3)靜力壓實(shí)、振動(dòng)壓實(shí)和沖擊壓實(shí)各有特點(diǎn)，一般來說沖擊壓實(shí)效率高，速度最快，適于大面積，長路段施工，但工序復(fù)雜，受周邊構(gòu)造物、含水量等諸多條件限制［3］;靜壓雖然壓實(shí)效率較低，但幾乎無條件限制，適用廣泛。實(shí)際施工過程碾壓應(yīng)結(jié)合公路等級(jí)、土質(zhì)條件、工期要求和地形地貌等條件，恰當(dāng)運(yùn)用三種施工機(jī)械方能取得最佳效果。

［1］JTG D30-2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］鄧學(xué)鈞，張登良.路基路面工程［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［3］交通部公路科學(xué)研究院.公路沖擊碾壓技術(shù)指南［M］.北京:人民交通出版社，2006.