砂類土的干壓實特性及振動碾壓施工控制研究

童申家，楊 眉，隨素珍

(1.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055；2.陜西國際商貿學院信息與工程學院，陜西 咸陽 712046）

內蒙古西北地區(qū)氣候干燥，水資源匱乏，但常用的路基濕壓實技術消耗大量水資源，造成經濟浪費.而路基的干壓實技術是在含水量較低的情況下對土進行壓實，并達到較好的壓實效果，取得了較好的經濟效益.針對干壓實問題，陳忠達[1]、李萬鵬[2]、楊人鳳[3]和袁玉卿[4]等一些學者也進行了大量研究，證明了風積沙干壓實和濕壓實雙重特點，驗證了干壓實技術實現(xiàn)的可能性.風積沙的干壓實理論已經相對成熟，然而針對其他土樣是否也具有類似的干壓實特點的問題，相關的研究和文獻比較少，本文通過室內擊實試驗，驗證了內蒙古西北地區(qū)的土樣也具有干壓實特性.進而通過室內干壓實試驗對該地區(qū)三種土樣干壓實性能進行研究，并結合碾壓施工機具的衡量給出相適應的碾壓遍數(shù)，以期對今后相似地區(qū)的路基修建與施工提供借鑒.

1 土樣基本特性

1.1 土樣的顆粒組成

本文中三種土樣均采自依托工程沿線，土樣1取自賽漢陶來-三道明水路段，土樣2取自蘇宏圖-雅干路段，土樣3取自烏力吉-蘇宏圖路段，采用篩分試驗對三種土樣進行對比分析可得，土樣1的礫粒組質量百分數(shù)為32.4%，土樣2為24.9%，土樣3為35.4%，均小于總質量的50%，由此可得本文中的三種土樣均為砂類土.

篩分法得三種土樣的粒徑級配累計曲線如下圖1所示.

圖1 土樣1，2，3的粒徑級配累計曲線Fig.1 The particle size cumulative curve of soil sample 1,2,3

根據(jù)篩分結果以及不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)的計算結果對三種土樣進行分析可得，土樣1屬于級配不良砂，記為SP；土樣2稱為含細粒土砂，記為SF；土樣3屬于級配良好砂，記為SW.

1.2 土樣的各項物理力學性能

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》[5]的相關規(guī)定，分別采用烘干法、直剪法以及液限和塑限聯(lián)合測定法對三種土樣的含水率、粘聚力、內摩擦角等各項物理力學指標進行測定與計算，結果如表1所示.根據(jù)表1的結果可得到以下結論：

(1)三種土樣的天然含水率和風干含水率均很小，這與內蒙古西北地區(qū)干旱少雨的氣候特征有關；

(2)土樣1、3符合砂土的特性，粘聚力c值近似為0，內摩擦角φ值也較為接近，而土樣2較為特殊，粘聚力c值較大，內摩擦角φ值較土樣1、3偏小，這與土樣2細粒組含量多有關；

(3)根據(jù)《公路自然區(qū)劃標準》(JTJ003-86)的相關規(guī)定，內蒙古西北地區(qū)屬于VI區(qū)，該區(qū)土質砂干燥狀態(tài)路基的下限稠度wc0=2.00，對比3種土樣的天然稠度值可得，該依托工程沿線的路基均處于干燥狀態(tài).

表1 土樣的各項物理力學指標Tab.1 The physical and mechanical indexes of soil sample 1,2,3

1.3 土樣的擊實試驗

圖2 土樣1，2，3擊實曲線Fig.2 The compacting curve of soil sample 1,2,3

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》[5]規(guī)定的方法，路基的室內擊實試驗均采用重型擊實試驗，其中土樣1、3采用II-2類別（大筒擊實），擊實次數(shù)為98次，分3層，土樣2采用II-1類別（小筒擊實），擊實次數(shù)為27次，分5層，試驗結果如上圖2.

對試驗結果進行分析，可以看出：以上三種土樣的擊實曲線呈橫寫S型，隨著含水率的增大，土的干密度出現(xiàn)了兩個峰值，說明這三種土樣均有類似于風積沙的特性，具有干壓實和濕壓實雙重特點.內蒙古地區(qū)氣候干燥，水資源匱乏，這三種土樣的擊實特性為干壓實技術的實現(xiàn)提供理論依據(jù).

2 室內干壓實試驗

擊實曲線的雙峰性說明土樣具有干壓實特性，而針對干壓實技術的具體實現(xiàn)、如何能達到更大的壓實度的問題，本文通過室內干壓實試驗來進行研究，使土樣在節(jié)省水資源消耗的前提下，獲得較好的壓實效果，從而提高經濟效益.

2.1 擊實次數(shù)（擊實功）的影響

擊實功是影響擊實效果的重要因素之一，而擊實功與擊實筒的尺寸、錘重、落高、分層制樣的層數(shù)和每層錘擊數(shù)等技術參數(shù)有關，單位體積擊實功的表達式為式（1）[6]：

式中：Ec為單位體積擊實功，kJ/m3；We為擊錘重量，N；We=錘重(kg)×重力加速度(N/kg)；H為擊錘落高，cm；Ne為土層數(shù)；Nb為每層土的擊數(shù)；V為擊實筒體積，cm3.

單位擊實功的表達式中的各個技術參數(shù)均會影響擊實功的大小.本文室內干壓實試驗采用改變Nb（每層土的擊數(shù)）的方式來改變擊實功的大小，從而得到擊實次數(shù)與土樣的密度的關系.Nb（每層土的擊數(shù)）越大，Ec（單位體積擊實功）越大.

2.2 室內干壓實試驗結果及分析

土樣均采用風干土進行干壓實，土樣1、3采用II-2類別標準重型擊實，擊實層數(shù)為3層，大筒.土樣2采用II-1類別標準重型擊實，擊實層數(shù)為5層，小筒.保持風干土的含水率不變，通過改變每層土的擊數(shù)來變化擊實功的大小，得出風干土的干密度與擊數(shù)（擊實功）的關系.

土樣1、3的試驗結果見表2及圖3.可以看出，在一定的范圍內隨著每層土的擊數(shù)的增大，即擊實功的增大，土的密度也隨之增大.超過范圍后，土樣的密度恒定在某值，不再隨著擊實次數(shù)的增大而變化.由試驗數(shù)據(jù)得出，土樣1的最佳擊實次數(shù)為110 次，此時對應的密度達到最大值2.18 g/cm3，擊實功為3 008.2 kJ/m3.土樣3的最佳擊實次數(shù)為90次，此時對應的密度達到最大值2.15 g/cm3，擊實功為2 461.3 kJ/m3.

表3和圖4給出了土樣2密度隨每層土的擊數(shù)的變化.可見，密度隨著每層土的擊數(shù)先增大，達到最大值后又有一定幅度下降，呈現(xiàn)“橡皮現(xiàn)象”，這與土樣2中＜0.075 mm的顆粒較多有關.由試驗數(shù)據(jù)得出，土樣2的最佳擊實次數(shù)為25次，此時對應的密度達到最大值2.07 g/cm3，擊實功為2 488.1 kJ/m3.

表2 土樣1、3擊實試驗（風干狀態(tài)）Tab.2 The compacting test of soil sample 1 and 3(in the weathered state)

圖3 土樣1、3擊實試驗（風干狀態(tài)）Fig.3 The compacting test of soil sample 1 and 3(in the weathered state)

圖4 土樣2擊實試驗（風干狀態(tài)）Fig.4 The compacting test of soil sample 2(in the weathered state)

表3 土樣2擊實試驗（風干狀態(tài)）Tab.3 The compacting test of soil sample 2 (in the weathered state)

3 現(xiàn)場施工碾壓控制

通過上述的室內干壓實試驗，分別得到了三種土樣的最大干密度以及最佳擊實功.而在實際路基工程施工過程中，如何根據(jù)振動壓路機特性確定碾壓合理的次數(shù)從而使路基土達到最大干密度，始終是路基工程中干壓實技術領域亟待解決的問題.本文將室內干壓實試驗中土樣擊實功轉化為壓路機振動壓實能量，借此建立了室內干壓實試驗與現(xiàn)場施工機具的轉換關系，得到了適用于不同噸位碾壓機具的碾壓方案.

3.1 施工機具型號及參數(shù)

以徐工集團生產的一組單鋼輪振動壓路機為例來進行分析，壓路機型號及參數(shù)見表4.

表4 單鋼輪振動壓路機型號及參數(shù)Tab.4 The types and parameters of single drum vibratory rollers

3.2 施工機具振動擊實能量與室內干壓實試驗擊實功轉換

單鋼輪振動壓路機振動壓實能量可根據(jù)式（2）計算[8].

式中：E為振動壓實能量，kJ/m3；η為一種碾壓時的重疊寬度系數(shù)，取1.25；Fo為激振力，kN；Wz為振動輪部分的重量，kN；Kp為振動作用力的作用系數(shù)；Kp=1.7-Fo/10Wz；Ao為理論振幅，m；f為頻率，Hz；v為行駛速度，取v=2 km/h=0.56 m/s；B為振動輪寬度，m；h為每層松鋪厚度，m；n為碾壓遍數(shù).計算時忽略能量損失，假定室內試驗擊實功Ec=振動壓路機振動壓實能量E.

3.3 壓實度選擇

對于高速公路和一級公路而言，路床土的壓實度≥96%[9]，上路堤土≥94%，下路堤土≥93%[10].實際施工中，可根據(jù)不同層位進行選擇與計算.

3.4 碾壓遍數(shù)與松鋪厚度分析

對公式（2）進行分析，其中可變的參數(shù)為碾壓遍數(shù)n與每層松鋪厚度h，而這兩個參數(shù)也是控制施工機具工作的重要參數(shù).根據(jù)《公路路基施工技術規(guī)范》[11]中對松鋪厚度的規(guī)定，本文選取松鋪厚度范圍為0.3～0.5 m，以0.02 m為遞增區(qū)間.根據(jù)下式（3）求出碾壓遍數(shù)n.

式中所有參數(shù)定義均見公式（2）.

以土樣1為例，假定土樣主要用于上路堤的鋪筑，即壓實度≥94%，取94%進行計算.室內干壓實試驗中最大密度為2.18g/cm3，根據(jù)壓實度計算公式，可算得工地上實際達到的密度ρ工地=2.18×94%=2.05g/cm3，此時對應的擊實功Ec可取1 093.9 kJ/m3，取整Ec=1 100 kJ/m3，根據(jù)能量轉換假定取E=Ec=1 100 kJ/m3.其余參數(shù)均參照徐工單鋼輪振動壓路機參數(shù)進行計算，計算結果如表5所示.

表5 不同噸位下機具的松鋪厚度與碾壓遍數(shù)Tab.5 The slackly lay thickness and rolling times of construction machines with different tonnage

4 結論

對內蒙古西北地區(qū)的砂類土進行了室內干壓實試驗和現(xiàn)場施工碾壓控制的研究，最后得到以下結論：

(1)土樣的擊實曲線呈現(xiàn)S型，出現(xiàn)了兩個峰值，這說明這三種土樣均有類似于風積沙的特性，具備了干壓實和濕壓實雙重特性.

(2)在室內干壓實試驗中，得到了三種土樣的最佳擊實功以及最大干密度值，并得出土樣1、3在一定的范圍內隨著每層土的擊數(shù)的增大，即擊實功的增大，土的密度也隨之增大.土樣2的擊實曲線中，密度隨著每層土的擊數(shù)先增大，達到最大值后又有一定幅度下降，呈現(xiàn)“橡皮現(xiàn)象”.

(3)建立室內干壓實試驗與現(xiàn)場施工機具的轉換關系，將土樣擊實功轉化為壓路機振動壓實能量，從而得到了適用于不同噸位碾壓機具的最佳碾壓方案.

References

[1]陳忠達,張登良.塔克拉瑪干風積沙工程特性[J].西安公路交通大學學報,2001,21(3): 1-4.CHEN Zhongda,ZHANG Dengliang.The engineering property about aeolian sand in Takalimakan[J].Journal of Xi'an Highway University,2001,21(3): 1-4.

[2]李萬鵬.風積沙的工程特性與應用研究[D].西安: 長安大學,2004.LI Wanpeng.The engineering property and application research about aeolian sand[D].Xi'an: Chang'an University,2004.

[3]楊人鳳,紀林章.風積沙壓實機理的研究[J].現(xiàn)代交通技術,2010,7(1): 4-7.YANG Renfeng,JI Linzhang.Research on the compaction mechanism of aeolian sand[J].Modern Transportation Technology,2010,7(1): 4-7.

[4]袁玉卿,王選倉.風積沙壓實特性試驗研究[J].巖土工程學報,2007,29(3): 360-365.YUAN Yuqing,WANG Xuancang.Experimental research on compaction characteristics of aeolian sand[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2007,29(3): 360-365.

[5]中華人民共和國交通部.公路土工試驗規(guī)程: JTG E40-2007[S].北京: 人民交通出版社,2007.Ministry of Communications of the P.R.China.Test methods of soils for highway engineering: JTG E40-2007[S].Beijing: China Communications Press,2007.

[6]王志堅,葉陽升.擊實試驗標準不同對試驗結果的影響[J].中國鐵道科學,2003,24(2): 53-57.WANG Zhijian,YE Yangsheng.The effects of different hitting test standards on test results[J].China Railway Science,2003,24(2): 53-57.

[7]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.振動壓路機: GB/T8511-2005[S].北京: 人民交通出版社,2005.General Administration of Quality Supervision,Inspection and Quarantine of the P.R.China.Vibratory roller:GB/T8511-2005[S].Beijing: China Communications Press,2005.

[8]曹周陽.秦巴山區(qū)變質軟巖路堤填料路用性能及振動壓實工藝研究[D].西安: 長安大學,2013.CAO Zhouyang.Road engineering properties of meta-morphic soft rock used as embankment fillng in Qin-Ba mountainareas and vibration compaction technology research[D].Xi'an: Chang'an University,2013.

[9]中華人民共和國交通部.公路路基設計規(guī)范: JTG D30-2004[S].北京: 人民交通出版社,2004.Ministry of Communications of the P.R.China.JTG D30-2004.Specifications for design of highway subgrades: JTG D30-2004[S].Beijing: China Communications Press,2004.

[10]鄧學鈞.路基路面工程[M].北京: 人民交通出版社,2005.DENG Xuejun.Road subgrade and pavement engineering[M].Beijing: China Communications Press,2005.

[11]中華人民共和國交通部.公路路基施工技術規(guī)范: JTG F10-2006[S].北京: 人民交通出版社,2006.Ministry of Communications of the P.R.China.Technical specifications for construction of highway subgrades: JTG F10-2006[S].Beijing: China Communications Press,2006.