擊實頻率對粗粒土干密度的影響研究

楊志浩，岳祖潤，郭春陽

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院，河北石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北石家莊 050043)

目前，粗粒土(A、B組填料和級配碎石)作為主要填料廣泛應用于路基和土石壩。粗粒土是指粒徑大于0.075 mm的顆粒質量大于總質量50%的粗顆粒土混合料，具有透水性強、黏結性小、抗剪強度高，沉陷變形小、壓實性強等優良工程特性。粗顆粒土在路基的穩定性方面起著決定性的作用。

壓實度是評價路基施工質量的重要指標，壓實度不夠會導致路基翻漿冒泥、不均勻變形等病害。路基填料的最大干密度與路基壓實度密切相關，研究路基壓實度必先研究其最大干密度。影響最大干密度的因素很多。蔡銘[1]研究了含水率、擊實時間、細顆粒含量等對粗粒土最大干密度的影響;杜可耕等[2]對比了干法和濕法以及表面振動儀和振動臺的振動效果;林紹湊[3]研究了不同松鋪厚度、不同噸位振動壓路機在粗粒土中產生的振動應力特點;朱俊高等[4]采用表面振動擊實儀法，研究了激振時間及表面壓重對粗粒土干密度的影響規律。王剛等[5]通過改變礫石土中粉黏粒含量，找出了不同擊實方法的粉黏粒含量分界點。楊凌云等[6]進行了黏性粗粒土的擊實試驗研究，著重分析了擊實功、粗顆粒含量對擊實效果的影響;鐘海輝等[7]進行了天然砂礫石基層的擊實特性研究;馮忠居等[8]通過改變室內擊實試驗的擊實參數，對影響粗粒土壓實特性的相關因素進行了分析。但是，針對擊實頻率對粗粒土干密度的影響研究還不多。本試驗應用表面振動擊實儀法和振動臺法研究擊實頻率對細圓礫土和級配碎石混合料最大干密度的影響，以期為現場壓實度控制提供參考。

1 試驗土樣及方法

1.1 試驗土樣

表面振動擊實儀法試驗混合料取自哈齊客?，F場施工路基填料，在室內進行篩分試驗，然后按照《鐵路路基設計規范》(TB 10001—2005)[9]配制成細圓礫土(最大粒徑40 mm)和級配碎石(最大粒徑45 mm)，其級配曲線如圖1。

圖1 表面振動儀法試驗粒徑級配曲線

振動臺法試驗混合料取自京石客運專線路基填料，分別在7個斷面上取樣(1#～7#)，進行篩分，其級配曲線如圖2。土樣混合好后加水攪拌，加水量控制為正好使橡膠板上沒有自由水析出，然后靜置0.5 h，使土樣中水分分布均勻后，再開始填料。每個頻率制備2個混合料土樣，進行平行測定，取平均值。

圖2 振動臺法試驗粒徑級配曲線

7 個斷面的土樣中 1#，4#，6#比較典型。1#和 4#土樣為碎石，6#土樣為卵石。由圖2可見，1#土樣級配良好，4#和6#土樣級配不好，但三者都屬于路基現場施工A，B組填料，屬于粗顆粒土的范疇，經綜合考慮選此3個土樣進行干密度試驗。

1.2 試驗設備

本試驗采用的表面振動擊實儀和振動臺如圖3所示。表面振動擊實儀法和振動臺法均是采用振動方法測定土的最大干密度。前者是振動作用自上表面垂直向下傳遞，而后者是整個土樣同時受到垂直方向的振動作用。

圖3 振動儀器

儀器主要參數:①表面振動擊實儀功率1 kW，振動頻率0～70 Hz，激振力4.2 kN。所帶的鋼制夯固定于振動電機上，且有一厚12.5 mm的夯板，夯板直徑應略小于試筒內徑約3 mm，夯與振動電機總重在試樣表面產生13.8 kPa靜壓力。試筒成圓柱形(內徑30 cm，高25 cm)，將試筒的底板固定于質量為450 kg的混凝土基礎上。②振動臺固定于混凝土基礎上，振動臺臺面尺寸為550 mm×550 mm，具有足夠剛度。振動臺最大負荷滿足承受試筒、套筒、試樣、加重底板及加重塊等質量的要求。振動頻率0～70 Hz，雙振幅3 mm。

1.3 試驗方案及方法

表面振動擊實儀法中，保持其他擊實參數不變，只改變擊實頻率，擊實頻率分別設置為 30，35，40，45，50，55，60 Hz，分別擊實求出所對應的干密度，找到頻率與最大干密度的關系。同表面振動擊實儀法一樣采用振動臺法對京石客專路基填料1，4，6斷面采集的土樣(1#，4#，6#)進行擊實試驗，擊實頻率分別設置為30，40，50，60，70 Hz。具體試驗過程按照《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)[10]中表面振動擊實儀法和振動臺法中的濕土法進行試驗。部分試驗過程見圖4。

圖4 部分試驗過程

2 試驗結果與分析

2.1 表面振動擊實儀法

試驗測得的干密度隨頻率的變化曲線如圖5所示。

圖5 表面振動擊實儀法干密度與擊實頻率的關系

從圖5中可見，干密度隨頻率的增大呈現先增大后減小的趨勢。頻率為40～55 Hz時干密度變化較大，在該范圍兩側隨頻率的改變干密度變化不大。細圓礫土和級配碎石的干密度在頻率為50 Hz時達到最大值，小于該頻率時，隨著頻率的增加干密度增大;大于該頻率時，隨著頻率的增大干密度反而減小。主要是因為粗顆粒土存在一個卓越頻率，擊實頻率接近該卓越頻率時，土樣與振動機械能夠共振，振動效果好，得到的干密度較大。相反，遠離卓越頻率時得到的干密度較小。

2.2 振動臺法

試驗測得的干密度隨頻率的變化曲線如圖6所示。

圖6 振動臺法頻率與干密度的關系

由圖6可見，3個斷面的土樣達到最大干密度時的頻率不同，1#土樣為 60 Hz，4#土樣為 40 Hz和60 Hz，6#土樣為50 Hz。4#土樣出現2個峰值的原因可能為:①粗顆粒土相對于細顆粒土具有一定的離散性;②4#土樣是由三相組成的物質，跟剛性結構不同，其卓越頻率可能是一個區間而不是一個單純的數值，只要在這個卓越頻率區間之內，得到的干密度均較大。

以上3種粗顆粒混合料之所以達到特定的頻率時干密度達到最大是因為該頻率接近其卓越頻率，此時振動機械和受壓混合料共振，振動效果較好，顆粒之間填充較密實，因而得到的干密度最大。

3 結論

1)表面振動擊實儀法的卓越頻率區間為45～55 Hz。振動臺法卓越頻率區間為40～60 Hz?？蔀楦侠淼卦O計現場施工振動壓實機械提供依據。

2)其他擊實參數如擊實振幅、錘重、擊實桶徑等對干密度的影響規律還有待進一步研究。只有把更多的擊實參數綜合考慮，才能更合理地模擬現場施工狀況，科學指導現場施工。

[1]蔡銘.粗顆粒土混合料最大干密度的研究[D].石家莊:石家莊鐵道大學，2010.

[2]杜可耕，李安珍.粗顆粒土混合料最大干密度及壓實度試驗研究[J].鐵道建筑，2012(11):98-100.

[3]林紹湊.粗粒土路基振動壓實效果試驗及分析[J].西北探礦工程，2013(1):179-183.

[4]朱俊高，軒向陽，薄以霆.表面振動壓實儀法測定粗粒土密度的影響因素[J].水利水運工程學報:自然科學版，2013(2):15-19.

[5]王剛，李志農，馮立群.粗粒土擊實試驗研究[J].道路工程，2011(20):61-65.

[6]楊凌云，王曉謀，尚濤.粘性粗粒土的擊實試驗研究[J].路基工程，2009(4):84-85.

[7]鐘海輝，全凱，王技.天然砂礫石基層的擊實特性研究[J].重慶交通學院學報，2005，24(3):52-55.

[8]馮忠居，張永清.粗粒土路基的壓實試驗[J].長安大學學報:自然科學版，2004，24(3):9-12.

[9]中華人民共和國鐵道部.TB 10001—2005 鐵路路基設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2005.

[10]中華人民共和國交通部.JTG E40—2007 公路土工試驗規程[S].北京:人民交通出版社，2007.