室內(nèi)表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)參數(shù)控制分析

曾 濤，蔣良濰，黃 強(qiáng)，李傲贏

(1.高速鐵路線(xiàn)路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

最大干密度是基于一定試驗(yàn)方法和做功能量下的干密度最大值，是檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度能否達(dá)到規(guī)范技術(shù)要求的重要參數(shù)。目前，常用確定粗粒土最大干密度的室內(nèi)土工試驗(yàn)方法有擊實(shí)法、相對(duì)密度儀法(也稱(chēng)振動(dòng)臺(tái)法)和表面振動(dòng)三種。擊實(shí)是土工試驗(yàn)運(yùn)用最普遍的方法，以沖擊荷載作用使土體擠壓密實(shí)，擊實(shí)做功及能量輸出計(jì)算較簡(jiǎn)單；相對(duì)密度儀法是將試筒置于振動(dòng)臺(tái)上并上覆壓重塊，整體振動(dòng)使試筒內(nèi)土樣達(dá)到密實(shí)；表面振動(dòng)壓實(shí)法是鋼制夯在試樣筒內(nèi)土樣表面做垂直振動(dòng)，通過(guò)振動(dòng)作用使土顆粒發(fā)生位置交換，相互擠壓而填充密實(shí)。水利行業(yè)土工試驗(yàn)[1]用相對(duì)密度儀法較多,適用于最大粒徑為60 mm能自由排水的粗顆粒土，規(guī)定粗顆粒土中細(xì)粒土(<0.075 mm)含量不得大于12 %。鐵路[2]公路[3]土工試驗(yàn)可采用表面振動(dòng)壓實(shí)法測(cè)定最大干密度，適用于最大顆粒粒徑小于75 mm，小于0.075 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于15 %的無(wú)黏性自由排水粗粒土。

室內(nèi)表面振動(dòng)壓實(shí)可在一定程度上反映現(xiàn)場(chǎng)壓路機(jī)振動(dòng)碾壓實(shí)際工況[2]，其振動(dòng)控制參數(shù)的概念辨析、作用機(jī)理以及取值大小與振動(dòng)壓路機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工作參數(shù)的相關(guān)性等都是土工試驗(yàn)研究的問(wèn)題。針對(duì)表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)中振動(dòng)頻率、靜壓重以及對(duì)土體的動(dòng)作用力大小，規(guī)范[2]規(guī)定振動(dòng)頻率為30～50 Hz，振動(dòng)夯板靜壓重18 kPa以上，激振力為10～80 kN。規(guī)范規(guī)定振動(dòng)參數(shù)取值范圍較大，現(xiàn)行生產(chǎn)表面振動(dòng)壓實(shí)儀控制參數(shù)大都符合規(guī)范要求范圍，但不可調(diào)，因此不能根據(jù)粗粒土特征選擇不同的振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)。已有研究大多是分析各振動(dòng)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響及最優(yōu)參數(shù)的取值，尚未形成針對(duì)粗粒土表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)的準(zhǔn)確參數(shù)。馮瑞玲[4]對(duì)8種級(jí)配粗粒土進(jìn)行表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)，分析干密度-振動(dòng)頻率、干密度-激振力的變化規(guī)律，結(jié)果表明振動(dòng)頻率和激振力存在最佳取值。振動(dòng)壓路機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)可根據(jù)壓實(shí)填土結(jié)構(gòu)層不同選擇名義振幅和振動(dòng)頻率，因此室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)振幅和頻率的取值若能與現(xiàn)場(chǎng)工況有一定的關(guān)聯(lián)性，儀器參數(shù)取值有與實(shí)際工況相關(guān)聯(lián)的合理范圍，則減小了室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)工況的差異性，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度的評(píng)價(jià)更加客觀。

1 振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)及振動(dòng)參數(shù)測(cè)試

1.1 試驗(yàn)方案及測(cè)試儀器

用試驗(yàn)室表面振動(dòng)壓實(shí)儀進(jìn)行試驗(yàn)，在鋼制夯上表面安裝振動(dòng)傳感器，測(cè)試不同工況下的振動(dòng)加速度、速度、振幅及頻率等參數(shù)，用相同碎石土進(jìn)行三次試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并計(jì)算其最大干密度；對(duì)試筒進(jìn)行改裝，用動(dòng)土壓力盒分三層測(cè)試試筒內(nèi)土中應(yīng)力變化，對(duì)動(dòng)作用力大小進(jìn)行校核；對(duì)相同碎石土樣進(jìn)行重型擊實(shí)對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比兩種試驗(yàn)方法測(cè)試最大干密度值。

表面振動(dòng)儀試筒內(nèi)直徑為280 mm，面積0.062 m2，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定，激振箱和鋼制夯質(zhì)量為117.143 kg，靜壓力18.643 kPa，振動(dòng)頻率為25 Hz；891-II型拾振器以及imc采集系統(tǒng)，拾振器量程和精度均滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。在鋼制夯上表面間隔對(duì)稱(chēng)布置測(cè)試加速度、速度和位移的拾振器(圖1)，采用兩組儀器測(cè)試以便數(shù)據(jù)相互校對(duì)；電阻應(yīng)變式雙模動(dòng)土壓力盒，量程為1 MPa，P=K×μξ，P為壓強(qiáng)值，K為標(biāo)定系數(shù)；某高鐵試驗(yàn)段碎石土試樣，最大粒徑為40 mm，不均勻系數(shù)為Cu=67.75，曲率系數(shù)為Cc=2.37，為鐵路路基A組填料，級(jí)配曲線(xiàn)如圖2所示。

圖1 測(cè)振儀測(cè)試振動(dòng)參數(shù)

圖2 碎石土級(jí)配曲線(xiàn)

1.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

啟動(dòng)儀器，當(dāng)鋼制夯懸空時(shí)讀取測(cè)試數(shù)據(jù)，確定儀器名義振動(dòng)參數(shù)；按照規(guī)范[2]的要求，測(cè)試碎石土試樣的最大干密度值并讀取振動(dòng)參數(shù)，試驗(yàn)分三層進(jìn)行，每層振動(dòng)6 min，測(cè)試參數(shù)振動(dòng)參數(shù)范圍如表1所示。

表1 不同工作狀態(tài)時(shí)振動(dòng)參數(shù)

表面振動(dòng)儀的振動(dòng)頻率為25 Hz，振動(dòng)振幅和加速度的變化值如圖3、圖4所示，振幅和加速度呈先增大至逐漸穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)，隨著振動(dòng)壓實(shí)的繼續(xù)進(jìn)行，增大緩慢并在較小范圍內(nèi)波動(dòng)。振動(dòng)1 min以后，工作振幅保持在1 mm左右波動(dòng)，波動(dòng)幅度相對(duì)較小，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程工作振幅A是名義振幅A0的1～2倍；加速度在66 m/s2的水平波動(dòng)，波動(dòng)幅度較小，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程工作加速度a是名義加速度a0的2.5～3.5倍；振動(dòng)3 min以后試樣高度無(wú)明顯下降，試樣干密度值接近最大；通過(guò)鋼制夯質(zhì)量與加速度值，可計(jì)算出鋼制夯對(duì)土體的動(dòng)作用力最大值從5.9 kN逐漸增大到7.8 kN左右，最后保持在穩(wěn)定水平。

圖3 振動(dòng)加速度最大值隨時(shí)間變化

圖4 振幅最大值隨時(shí)間變化

為測(cè)試被壓實(shí)土體中的動(dòng)應(yīng)力變化，并對(duì)最大動(dòng)作用力值進(jìn)行校核，用動(dòng)土壓力盒分層測(cè)試土中動(dòng)應(yīng)力，如圖5所示，測(cè)試深度分別為2 cm、4 cm、6 cm，為避免鋼制夯直接接觸動(dòng)土壓力盒，最淺深度時(shí)動(dòng)土壓力盒工作面為2 cm砂墊層，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 土中動(dòng)應(yīng)力測(cè)試

表2 動(dòng)土壓力盒實(shí)測(cè)土壓力數(shù)值

隨著深度增加，試筒內(nèi)土中應(yīng)力衰減很快，2～4 cm衰減25 %，4～6 cm衰減64 %，2～6 cm衰減73 %，最上層測(cè)試數(shù)據(jù)換算得到最大壓實(shí)力值為6.5 kN，由于砂墊層的緩沖衰減作用，測(cè)試值小于測(cè)試加速度計(jì)算值，在理論分析的合理范圍內(nèi)，達(dá)到了對(duì)動(dòng)作用力檢算的目的。

重型擊實(shí)試驗(yàn)：按照規(guī)程[2]規(guī)定，采用Z3標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀器，擊實(shí)筒內(nèi)徑152 mm，高116 mm，錘重4.5 kg，落距457 mm，分三層，每層擊實(shí)次數(shù)為94次。本試驗(yàn)的碎石土粒徑均小于40 mm，因此并不存在超粒徑的情況，最大干密度不需進(jìn)行校正。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，同一種試驗(yàn)方法所得試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值差別較小，滿(mǎn)足試驗(yàn)誤差范圍要求，表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果均小于擊實(shí)試驗(yàn)，表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果為擊實(shí)試驗(yàn)所得最大干密度值的95.6 %。室內(nèi)表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)側(cè)限為剛性約束，試筒側(cè)壁摩擦對(duì)土體的摩擦較大。而對(duì)于擊實(shí)試驗(yàn)，由于擊實(shí)錘直徑遠(yuǎn)小于擊實(shí)筒，因此側(cè)壁摩擦影響比表面振動(dòng)試驗(yàn)小；表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)振幅小于擊實(shí)，擊實(shí)試驗(yàn)局部沖擊力產(chǎn)生的壓強(qiáng)也大于表面振動(dòng)試驗(yàn)，因此表面振動(dòng)壓實(shí)最大干密度試驗(yàn)結(jié)果小于擊實(shí)試驗(yàn)具有必然性。

表3 兩種試驗(yàn)方法下最大干密度 g/cm3

1.3 試驗(yàn)振動(dòng)參數(shù)與振動(dòng)壓路機(jī)工作參數(shù)對(duì)比

室內(nèi)試驗(yàn)和振動(dòng)壓路機(jī)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)振動(dòng)參數(shù)也有差別。頻率、名義振幅以及加速度校核值對(duì)比如表4，其中加速度校核值的計(jì)算為a=A0f2/g，以重力加速度的倍數(shù)計(jì)。對(duì)比表明：振動(dòng)壓路機(jī)和表面振動(dòng)壓實(shí)儀工作頻率比較接近，振動(dòng)壓路機(jī)的名義振幅和加速度校核值均大于室內(nèi)試驗(yàn)所取值，規(guī)范最小值控制參數(shù)小于振動(dòng)壓路機(jī)實(shí)際工作參數(shù)。

表4 表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)與振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)路基合理控制參數(shù)對(duì)比

振動(dòng)壓路機(jī)工作頻率的取值不合理會(huì)降低壓實(shí)質(zhì)量，影響操作人員健康，造成使用壽命下降等問(wèn)題。頻率過(guò)高則振動(dòng)輪跳離地面后在空中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)引起被壓實(shí)地面呈“搓板形”，降低施工質(zhì)量。對(duì)比分析，室內(nèi)試驗(yàn)頻率取值差別不可能太大，頻率不是最主要控制因素；振幅變化對(duì)壓實(shí)效果的影響大于振動(dòng)頻率，同樣頻率下，振幅越大，壓實(shí)效果越好。振幅是影響壓實(shí)效果的最重要參數(shù)，振幅增大，振動(dòng)輪對(duì)土作用力沖擊能量增大，沖擊波在土中傳播距離越遠(yuǎn)，因此壓實(shí)效果提高(圖6)。

圖6 頻率和振幅對(duì)壓實(shí)效果的影響[10]

1.4 室內(nèi)表面振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)控制差異性分析

表面振動(dòng)壓實(shí)法更接近于現(xiàn)場(chǎng)壓路機(jī)振動(dòng)碾壓的實(shí)際狀況，規(guī)范[2]將表面振動(dòng)壓實(shí)法作為粗粒土最大干密度試驗(yàn)方法，所以室內(nèi)試驗(yàn)的參數(shù)控制與現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)壓路機(jī)工作參數(shù)控制應(yīng)具有一定的聯(lián)系。擊實(shí)試驗(yàn)和表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)得出的室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)最大干密度不同，因此壓實(shí)系數(shù)也不同，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量的評(píng)價(jià)也不統(tǒng)一。建議不同的試驗(yàn)方法應(yīng)有不同的壓實(shí)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使得對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況的評(píng)價(jià)機(jī)制更加完善。

目前，規(guī)范對(duì)于表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)儀器的控制參數(shù)沒(méi)有形成統(tǒng)一，尤其對(duì)于重要的振動(dòng)參數(shù)規(guī)定范圍太寬，且儀器參數(shù)不可調(diào)，不能如振動(dòng)壓路機(jī)根據(jù)不同的壓實(shí)土體和壓實(shí)階段調(diào)整最優(yōu)的振動(dòng)參數(shù)。規(guī)范[3]根據(jù)馮冠慶、楊蔭華[5]的研究結(jié)果制定。馮冠慶、楊蔭華[5]取堆石料為試驗(yàn)土體材料，在文中所述試驗(yàn)條件下最優(yōu)表面靜壓力為14 kPa，激振力為4.214 kN，最優(yōu)振動(dòng)加速度5g，最優(yōu)振幅為0.55 mm。規(guī)范[3]條文說(shuō)明當(dāng)土料全為粗、巨粒土?xí)r，根據(jù)土料級(jí)配特征的不同，最佳振動(dòng)頻率范圍為30～50 Hz，最佳激振力為50～80 kN，最佳振動(dòng)時(shí)間為3～4 min，當(dāng)振至6 min左右時(shí)，干密度變化甚微，基本穩(wěn)定；規(guī)范[2]規(guī)定鋼制夯與振動(dòng)電機(jī)總重在試樣表面產(chǎn)生18 kPa以上的靜壓力，儀器生產(chǎn)廠(chǎng)家制作的符合規(guī)范要求的表面振動(dòng)儀靜壓力大多為18 kPa或者稍大于18 kPa，具體數(shù)值各不相同，由靜壓重不同引起的試驗(yàn)結(jié)果偏差較大。靜壓力為18 kPa時(shí)，相當(dāng)于靜載作用集中力大小為1.11 kN，當(dāng)振動(dòng)時(shí)規(guī)范規(guī)定作用力為10～80 kN，動(dòng)作用力大小范圍是靜載作用力至少10倍以上，這與現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)壓路機(jī)工況差別較大；規(guī)范[2]要求的頻率為控制范圍值，由于儀器參數(shù)不可調(diào)，不能根據(jù)被壓實(shí)土體的不同而選擇振動(dòng)頻率，所以試驗(yàn)結(jié)果也收到不同程度的影響。對(duì)于振幅這一重要參數(shù)，規(guī)范[2]也未作要求，室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)層次不齊，不能形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。鑒于振動(dòng)壓路機(jī)工作參數(shù)的控制方法(控制名義參數(shù)如表示)，室內(nèi)表面振動(dòng)儀可通過(guò)名義參數(shù)來(lái)進(jìn)行控制，確定是否能夠達(dá)到試驗(yàn)要求(表5)。

表5 振動(dòng)壓路機(jī)的名義參數(shù)取值范圍

2 結(jié)論與展望

(1)通過(guò)對(duì)表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)壓實(shí)過(guò)程機(jī)理分析，鋼制夯對(duì)土體的動(dòng)作用力是影響壓實(shí)效果的直接作用力，動(dòng)作用力大小不僅與儀器的參數(shù)控制有關(guān)，也與被壓實(shí)土體有關(guān)。室內(nèi)試驗(yàn)的振動(dòng)參數(shù)應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)工況相關(guān)聯(lián)，并進(jìn)一步確定較小的最優(yōu)取值范圍。

(2)室內(nèi)試驗(yàn)的最有效壓實(shí)時(shí)間為1 min，合理振動(dòng)壓實(shí)時(shí)間為3 min。若動(dòng)作用力不足以破壞已形成密實(shí)狀態(tài)下土體的抗剪強(qiáng)度而重新形成更加密實(shí)的結(jié)構(gòu)，振動(dòng)時(shí)間增多不會(huì)增加壓實(shí)效果，反而會(huì)在壓實(shí)土體表面形成顆粒離析，降低壓實(shí)質(zhì)量。