土石混填路基土的振動試驗方法研究

李祥耀

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅蘭州 730000）

0 前言

我國國土上大部分地形以山地和丘陵為主，因此，縱觀全國的公路修筑，必然會使用到大量的土石混填路基土。這些材料多在公路工程附近便可尋到，減少了運輸的成本，但是土石混填路基具有復雜的工程力學特征，含水量、土石性質以及含石量都會影響土石混填路基。在所有的因素中，密實度最為重要，該因素會導致路基變形，會影響路基的強度，另外兩項具有關鍵性質的材料為壓實度與室內標準密度。我國相關領域學者研究出了一種新的振動壓實方法，可以更好模擬現代重型振動壓路機。

1 土石混填路基土振動參數的確定

1.1 振動頻率

不同土石比的土石混填路基土在振動壓實的過程中受到振動頻率變化的影響不同，當振動頻率提高之后，土石混填路基土的干密度將會隨之提高，一直到54 赫茲時到達最高點，之后干密度下降，在28赫茲處又有回升，之后再次下降直到35 赫茲處形成第二峰，之后下降的速度加快。這說明土石混填路基的固有頻率在17-20赫茲，相應設備的振動頻率為24-28 赫茲。在振動頻率不高時，當頻率增大時，壓實效果會提升，但是干密度大于28赫茲時，土石混路基土本身的頻率會與振動頻率差距加大，壓實效果會相應下降。此外，當振動頻率下降到20赫茲時，振動壓實儀會停止工作[1]。因此，綜合考慮多方面因素后，將振動的頻率確定為25赫茲。

1.2 激振力

為了獲取到不同的激振力，可以調整偏心塊的夾角，使用不同激振力試驗土石混填路基土，從結果可知，當激振力處于較小的狀態時，干密度增長的速度較快，但是當激振力進一步增大之后，干密度增長的速度就會相應下降，一旦激振力達到5kN 之后，干密度就會趨于平緩，不再增長。由此可知，影響壓實效果的因素不止激振力，并且激振力大不代表壓實效果好，兩者之前沒有必然聯系，為了達到較好的壓實效果，需要使用適當的激振力，并且配合正確的頻率。

通常情況下，振幅與偏心塊夾角之間呈正比，但是振幅會影響設備的壽命，還會導致試件表面存在不平整的現象。經過實驗可知，（1.25mm±0.05mm）振幅的最佳范圍，此時需要偏心塊的夾角為0°-30°，試件的表面較為平整，并且存在較大的激振力，可以保證壓實的效果，因此，在本研究中選取0°為偏心塊夾角，選用的激振力為5.3kN。

1.3 靜面壓力

為了獲取到不同的靜面壓力，需要調整配重塊數，在不同靜面壓力下，土石混填路基土的干密度不同，經過實驗之后，可以得知土石混談路基土在靜面壓力增大的情況下，干密度會呈拋物線變化。同時，在實驗中得知，振動壓實儀會在配重較少的情況下出現劇烈的搖晃現象，當增加配重塊數時，振動壓實儀機身的跳動會逐漸平穩，直至不再跳動，處于較為穩定的工作狀態下[2]。如果靜面壓力較大，下車系統將難以跳起，出現過大的振幅衰減，導致試件與壓頭的接觸差，壓實效果會因此受到影響。在綜合多方面的因素考慮之后，確定靜面壓力為154.0-163.2kPa。

2 確定最佳振動的時間

壓實功與振動的時間之間存在密切的關系，振動的時間增長，壓實功會相應增強，也會獲得更好的壓實效果。在壓實度增加到一定的程度時，材料的緊致程度會達到臨界值，此時顆粒間會產生摩擦，壓實功會轉化為熱能，此時為了提升壓實效果繼續增加壓實的時間反而會產生相反的效果，為此，必須確定合理的振動時間。在室內獲得的干密度與代表性碾壓工藝下的現場干密度之間基本一致。

2.1 現場壓實特性

為了獲得不同壓實遍數下的土石混填路基頂面的變形值，使用20t 的單鋼輪振動壓力機壓實，完成一次初壓靜壓，之后復壓振動壓實，再進行一次終壓壓實。通過試驗的結果可知，路基頂面變形值與碾壓的次數之間呈正比。在碾壓初期，路基頂面變形值會處于較快的增加狀態，之后速度會逐漸下降，在碾壓次數達到一定的數值之后，路基頂面變形值會逐漸穩定下來。該實驗中的土石混填路基土在經過一次靜壓和六次振壓之后路基頂面變形值逐漸趨于穩定，密實度逐漸達到密實的程度[3]。

2.2 室內振動壓實特性

以上述實驗為基礎，試驗室內振動壓實特性，經過實驗后可知，當振動時間增加之后，土石混填路基的干密度會在短時間內快速增大，之后速度下降，干密度會逐漸下降，并趨于穩定，在實驗中發現存在振動壓實閾值。

2.3 確定最佳壓實振動時間

振動壓路機的噸位和碾壓的次數決定了現場壓實功，室內振動參數與振動時間決定了室內振動壓實功。為了盡可能還原現象的壓實效果，參考了當前壓實機械的壓實功閥值，在確定室內振動壓實時間上，堅持現場所能達到最大密度相等的原則。若與現場所能達到最大密度相等，則土石混填路基土的室內振動壓實時間為75s。

3 對比振動法和重型擊實

3.1 最大干密度與最佳含水量

在實驗的過程中分別使用重型擊實法和振動壓實法，將土石混填路基土最大干密度和最佳的含水率確定下來，經過實驗可知，采用振動壓實法的最佳含水量0.83 倍于重型擊實法，最大干密度1.03 倍于重型擊實法，由此可知，利用振動壓實法可以在降低用水量的同時提高土石混填路基土的密實度。這是因為振動壓實會沖擊材料的顆粒，讓顆粒從靜止狀態變為運動狀態，以往靜止摩擦時顆粒間的相互作用，如今變為了滑動摩擦，顆粒間的位置出現了相對變化。同時，水分在振動力的作用下聚集在顆粒表面，形成水膜，顆粒在水膜的影響下，相對運動的阻力更小，顆粒易被壓實。

3.2 加州承載比CBR

在最佳含水率下，分別利用重型擊實法與振動壓實法成型力學試件，完成CBR 試驗。根據試驗結果可知，土石混填路基土經過振動壓實之后，CBR 值是1.5 倍的重型擊實法，舉例來說，當土石混填路基土的密實度提升1%后，CBR 值會提升10%。顆粒性材料的密實度與材料本身的力學強度存在直接的聯系，兩者之間呈正比。因此，利用振動壓實法可以提升土石混填路基土的密實程度，提升土石混填路基土的CBR值。此外，這種方法有利于材料合理排列。

3.3 成型前后級配的變化

為了評估不同方法對級配產生的影響，需要明確使用振動壓實法與重型擊實法兩種方法前后土石混填路基土顆粒產生變化的情況。經過測試的結果可知，土石混填路基土顆粒級配受到振動壓實法的影響更小，這是因為該方法會使粗顆粒的材料產生相互的滑移，壓力從壓頭而來，并對材料做功，粗顆粒無需承擔較大的壓力。

4 結論

經過土石混填路基土干密度受振動頻率、激振力與靜面壓力影響的試驗之后可知，最佳的參數為25 赫茲的振動頻率，5.3kN 的激振力以及153.0-163.2kPa。嚴格遵照上述三個參數，可以取得最佳的壓實效果。對比研究分析了振動壓實試驗與重型擊實實驗之后可知，重型擊實法無法與振動壓實法相比，后者可以提高土石混填路基土最大干密度，可以提高CBR值，值得廣泛應用。