粗顆粒土擊實(shí)特性試驗(yàn)研究

(石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

路基現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，振動(dòng)壓路機(jī)施工參數(shù)設(shè)置的合理與否對(duì)施工質(zhì)量影響較大，參數(shù)設(shè)置合理，耗費(fèi)很少的人力物力就能達(dá)到相應(yīng)的壓實(shí)度，且壓實(shí)效果較好，不會(huì)出現(xiàn)反復(fù)壓實(shí)達(dá)不到相應(yīng)要求壓實(shí)度的情況。如今，粗顆粒土已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于高填方大型土石壩構(gòu)筑物、鐵路路基以及公路路基的施工，粗顆粒土是指顆粒直徑大于0.075 mm的質(zhì)量超過總質(zhì)量一半的土顆?；旌狭?，粗顆粒土滲透性好，土體粘結(jié)性小，抗剪強(qiáng)度很高，壓實(shí)效果好，在保持結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定過程中發(fā)揮著極其重要的作用，目前級(jí)配碎石及細(xì)圓礫土作為路基施工的主要填料被廣泛應(yīng)用。在路基的修筑過程中，壓實(shí)度是評(píng)價(jià)壓實(shí)質(zhì)量的重要指標(biāo)，壓實(shí)度較低，路基會(huì)出現(xiàn)多種病害，甚至出現(xiàn)整個(gè)斷面的剪切破壞。要確定填筑路基的壓實(shí)度，首先且最重要的是要確定路基填料的最大干密度。最大干密度的測(cè)定影響因素很多，粗粒土與細(xì)粒土的擊實(shí)特性有明顯不同，目前對(duì)于粗顆粒土擊實(shí)特性的研究還不夠完善，之前很多學(xué)者也做了不少研究工作。蔡銘[1]研究了粗顆粒土在不同含水率、擊實(shí)時(shí)間、細(xì)粒土含量、超大粒徑土含量條件下的最大干密度測(cè)定試驗(yàn)。杜可耕等[2]進(jìn)行了干、濕法以及表面振動(dòng)儀和振動(dòng)臺(tái)法的正交試驗(yàn)，并分析了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不同及原因。林紹湊[3]在路基施工現(xiàn)場(chǎng)，通過在不同深度土層上埋設(shè)土壓力傳感器，研究了松鋪厚度、振動(dòng)壓路機(jī)噸位在粗粒土路基中的應(yīng)力變化規(guī)律，為粗顆粒土的振動(dòng)壓實(shí)特性研究提供了理論依據(jù)；朱俊高等[4]使用表面振動(dòng)擊實(shí)儀研究了振動(dòng)時(shí)間及錘重對(duì)粗粒土最大干密度的影響規(guī)律。楊志浩等[5]通過表面振動(dòng)擊實(shí)儀法和振動(dòng)臺(tái)方法，研究了不同擊實(shí)頻率下粗顆粒土最大干密度的變化規(guī)律，并得到了相應(yīng)的最優(yōu)擊實(shí)頻率；汪水銀等[6]通過自行研制的振動(dòng)壓實(shí)儀研究了不同振幅下的粉土和水泥穩(wěn)定碎石的擊實(shí)試驗(yàn)。

綜上，目前學(xué)者主要針對(duì)粗顆粒土在不同含水量、細(xì)粒含量及不同擊實(shí)方法等條件下的擊實(shí)干密度特性進(jìn)行了研究，對(duì)粗粒土在不同擊實(shí)振幅條件下的干密度變化規(guī)律只有朱俊高等[4]進(jìn)行了研究，但其研究對(duì)象為粉土和水泥穩(wěn)定碎石，粉土為細(xì)粒土，與粗粒土的擊實(shí)特性差別很大。水泥穩(wěn)定碎石雖為粗粒土范疇，但其本質(zhì)為半剛性材料，擊實(shí)特性與所研究的級(jí)配碎石及細(xì)圓礫土差別也很大。本試驗(yàn)采用自行改裝的表面振動(dòng)擊實(shí)儀，對(duì)細(xì)圓礫土、級(jí)配碎石兩種粗顆粒土進(jìn)行了干濕條件、不同擊實(shí)頻率及振幅條件下的最大干密度測(cè)試試驗(yàn)，得到該2種填料的最優(yōu)擊實(shí)振幅，可更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)施工。

1 試驗(yàn)土樣及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自石濟(jì)客運(yùn)專線鐵路施工料場(chǎng)，并進(jìn)行篩分試驗(yàn)，然后按照《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB1001—2005)[7]配制成所需要的級(jí)配碎石(最大粒徑為45 mm)和細(xì)圓礫土(最大粒徑為40 mm)。濕法試驗(yàn)過程中，先將土樣按照比例充分混合，攪拌均勻后再加水混合，橡膠模上剛好沒有自由水流出時(shí)即為加水完成，靜置0.5 h，待水分在土樣中均勻分布，開始填充到試驗(yàn)桶內(nèi)，每組不同參數(shù)試驗(yàn)需要同時(shí)制備2份土樣進(jìn)行平行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用自行改造的表面振動(dòng)擊實(shí)儀，通過改裝的頻率選擇表盤完成不同擊實(shí)頻率的設(shè)定，由于振動(dòng)電機(jī)的輸出功率與頻率、振幅都相關(guān)，輸出功率一定時(shí)，不同擊實(shí)頻率下的擊實(shí)振幅也不同。試驗(yàn)中在擊實(shí)桶下墊標(biāo)準(zhǔn)薄鐵板并改變鐵板厚度，從而達(dá)到改變擊實(shí)振幅的效果。表面振動(dòng)擊實(shí)儀是通過上部重復(fù)施加振動(dòng)荷載，對(duì)試驗(yàn)桶內(nèi)的材料產(chǎn)生連續(xù)循環(huán)的沖擊力，使材料顆粒之間被迫發(fā)生相互滑動(dòng)，從而達(dá)到密實(shí)。

儀器主要參數(shù)如下。改裝的表面振動(dòng)擊實(shí)儀，增大功率至3 kW，增加偏心塊的質(zhì)量獲得更大的振幅，振動(dòng)頻率0～70 Hz，激振力24.6 kN。鋼制夯通過豎向傳動(dòng)桿牢固于振動(dòng)電機(jī)上，下面具有一厚度為12.5 mm的夯面板，試驗(yàn)桶直徑比夯面板直徑大3 mm，振動(dòng)夯與振動(dòng)電機(jī)的總質(zhì)量會(huì)在試驗(yàn)土體表面產(chǎn)生36.8 kPa的靜壓力。試驗(yàn)桶為高25 cm、直徑30 cm的圓柱形鐵桶，試驗(yàn)桶固定在下部的鐵板上，鐵板固定在450 kg的混凝土塊上。

1.3 試驗(yàn)方案及方法

分別采用干土法和濕土法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，為得到最優(yōu)擊實(shí)頻率的同時(shí)也得到最優(yōu)的擊實(shí)振幅，頻率采用35 Hz和45 Hz，保持其它擊實(shí)參數(shù)不變，設(shè)置擊實(shí)振幅為0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.4 mm、1.6 mm、1.8 mm、2.0 mm，擊實(shí)時(shí)間均為3 min，分別求出所對(duì)應(yīng)的干密度，找到干法和濕法條件下，35 Hz和45 Hz頻率時(shí)不同擊實(shí)振幅試驗(yàn)得到的最大干密度。具體操作過程按照《公路土木工程試驗(yàn)規(guī)程 JTG E40—2007》[8]進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 級(jí)配碎石擊實(shí)曲線

圖1 級(jí)配碎石干密度與振幅的關(guān)系

級(jí)配碎石材料測(cè)得的干密度隨振幅的變化規(guī)律如圖1所示。 圖1為級(jí)配碎石在4種試驗(yàn)條件下干密度隨擊實(shí)振幅的變化規(guī)律曲線，圖中可看出利用濕土法比干土法得到的干密度大，即擊實(shí)效果更好。擊實(shí)頻率為45 Hz比35 Hz條件下的干密度大，原因?yàn)?5 Hz更接近擊實(shí)材料的固有頻率，這一點(diǎn)與楊志浩等[5]得到的結(jié)果一致。濕法35 Hz、濕法45 Hz、干法35 Hz、干法45 Hz的密度隨著振幅的變化規(guī)律相同，只是干法35 Hz的變化不明顯，即振幅對(duì)其干密度的影響不顯著。4種條件下均存在一個(gè)峰值，小于該峰值對(duì)應(yīng)振幅時(shí)，干密度隨振幅的增大而增大；反之，干密度隨振幅的增大而減小。級(jí)配碎石填料基本在振幅為1.4～1.6 mm時(shí)干密度達(dá)到最大值。

2.2 細(xì)圓礫土擊實(shí)曲線

細(xì)圓礫土材料測(cè)得的干密度隨振幅的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 細(xì)圓礫土干密度與振幅的關(guān)系

由圖2可得，細(xì)圓礫土材料在干法35 Hz條件下，土樣隨著振幅的變化不明顯；干法45 Hz和濕法35 Hz得到的干密度大小接近，且均在振幅為1.2 mm時(shí)存在峰值。小于該振幅時(shí)，隨著振幅的增大干密度增大；大于該振幅時(shí)，隨振幅的增大干密度減小。濕法45 Hz時(shí)分別在振幅為1. 0 mm和1.8 mm時(shí)取得2個(gè)峰值，但第二次峰值干密度小于第一次峰值。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)原因分析

不同擊實(shí)振幅下干密度存在峰值，原因?yàn)榇诸w粒土跟細(xì)顆粒土的物理力學(xué)性質(zhì)差別很大。細(xì)粒土基本上是隨著振幅的增大干密度一直處于減小趨勢(shì)。級(jí)配碎石和細(xì)圓礫土屬粗顆粒土范疇，擊實(shí)曲線整體上表現(xiàn)為隨著擊實(shí)振幅的增大，試樣的干密度出現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律。當(dāng)小于峰值對(duì)應(yīng)擊實(shí)振幅時(shí)，隨振幅的增大，上部豎向荷載對(duì)試驗(yàn)土體的沖擊作用增強(qiáng)，此沖擊作用在土體中的影響范圍越大，土體顆粒之間的相對(duì)位移增加，從而壓實(shí)效果也就更好。當(dāng)大于干密度峰值對(duì)應(yīng)振幅以后，被壓土體處于過壓狀態(tài)，顆粒之間的相對(duì)滑動(dòng)過大，破碎率增大，級(jí)配發(fā)生改變，所得試樣干密度減小，壓實(shí)質(zhì)量降低。

細(xì)圓礫土材料在濕法45 Hz試驗(yàn)過程中出現(xiàn)2個(gè)峰值，原因是隨著振幅的增大，原土樣級(jí)配發(fā)生變化，在新的級(jí)配下，土體出現(xiàn)了新的最優(yōu)擊實(shí)振幅，故出現(xiàn)了2個(gè)峰值。

3 結(jié)論與展望

(1)兩種填料通過濕法得到的干密度大于干法，且45 Hz條件下得到的干密度大于35 Hz。級(jí)配碎石材料在振幅為1.4～1.6 mm時(shí)，干密度取得最大值；細(xì)圓礫土在振幅為1.0～1.2 mm時(shí)，干密度取得最大值。

(2)擊實(shí)試驗(yàn)中其它參數(shù)(如擊實(shí)時(shí)間、擊實(shí)桶徑、裝樣次數(shù)等)對(duì)土樣干密度的影響規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。只有考慮更多的擊實(shí)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，才能得到更加合理的壓實(shí)參數(shù)，進(jìn)而更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。