土石混填路基土的振動(dòng)試驗(yàn)方法研究

李祥耀

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)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(huì)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(yùn)輸?shù)某杀荆峭潦焯盥坊哂袕?fù)雜的工程力學(xué)特征，含水量、土石性質(zhì)以及含石量都會(huì)影響土石混填路基。在所有的因素中，密實(shí)度最為重要，該因素會(huì)導(dǎo)致路基變形，會(huì)影響路基的強(qiáng)度，另外兩項(xiàng)具有關(guān)鍵性質(zhì)的材料為壓實(shí)度與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)密度。我國相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者研究出了一種新的振動(dòng)壓實(shí)方法，可以更好模擬現(xiàn)代重型振動(dòng)壓路機(jī)。

1 土石混填路基土振動(dòng)參數(shù)的確定

1.1 振動(dòng)頻率

不同土石比的土石混填路基土在振動(dòng)壓實(shí)的過程中受到振動(dòng)頻率變化的影響不同，當(dāng)振動(dòng)頻率提高之后，土石混填路基土的干密度將會(huì)隨之提高，一直到54 赫茲時(shí)到達(dá)最高點(diǎn)，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(yīng)設(shè)備的振動(dòng)頻率為24-28 赫茲。在振動(dòng)頻率不高時(shí)，當(dāng)頻率增大時(shí)，壓實(shí)效果會(huì)提升，但是干密度大于28赫茲時(shí)，土石混路基土本身的頻率會(huì)與振動(dòng)頻率差距加大，壓實(shí)效果會(huì)相應(yīng)下降。此外，當(dāng)振動(dòng)頻率下降到20赫茲時(shí)，振動(dòng)壓實(shí)儀會(huì)停止工作[1]。因此，綜合考慮多方面因素后，將振動(dòng)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(diào)整偏心塊的夾角，使用不同激振力試驗(yàn)土石混填路基土，從結(jié)果可知，當(dāng)激振力處于較小的狀態(tài)時(shí)，干密度增長的速度較快，但是當(dāng)激振力進(jìn)一步增大之后，干密度增長的速度就會(huì)相應(yīng)下降，一旦激振力達(dá)到5kN 之后，干密度就會(huì)趨于平緩，不再增長。由此可知，影響壓實(shí)效果的因素不止激振力，并且激振力大不代表壓實(shí)效果好，兩者之前沒有必然聯(lián)系，為了達(dá)到較好的壓實(shí)效果，需要使用適當(dāng)?shù)募ふ窳?，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(huì)影響設(shè)備的壽命，還會(huì)導(dǎo)致試件表面存在不平整的現(xiàn)象。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可知，（1.25mm±0.05mm）振幅的最佳范圍，此時(shí)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(shí)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(diào)整配重塊數(shù)，在不同靜面壓力下，土石混填路基土的干密度不同，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)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(huì)呈拋物線變化。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中得知，振動(dòng)壓實(shí)儀會(huì)在配重較少的情況下出現(xiàn)劇烈的搖晃現(xiàn)象，當(dāng)增加配重塊數(shù)時(shí)，振動(dòng)壓實(shí)儀機(jī)身的跳動(dòng)會(huì)逐漸平穩(wěn)，直至不再跳動(dòng)，處于較為穩(wěn)定的工作狀態(tài)下[2]。如果靜面壓力較大，下車系統(tǒng)將難以跳起，出現(xiàn)過大的振幅衰減，導(dǎo)致試件與壓頭的接觸差，壓實(shí)效果會(huì)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(dòng)的時(shí)間

壓實(shí)功與振動(dòng)的時(shí)間之間存在密切的關(guān)系，振動(dòng)的時(shí)間增長，壓實(shí)功會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)，也會(huì)獲得更好的壓實(shí)效果。在壓實(shí)度增加到一定的程度時(shí)，材料的緊致程度會(huì)達(dá)到臨界值，此時(shí)顆粒間會(huì)產(chǎn)生摩擦，壓實(shí)功會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，此時(shí)為了提升壓實(shí)效果繼續(xù)增加壓實(shí)的時(shí)間反而會(huì)產(chǎn)生相反的效果，為此，必須確定合理的振動(dòng)時(shí)間。在室內(nèi)獲得的干密度與代表性碾壓工藝下的現(xiàn)場干密度之間基本一致。

2.1 現(xiàn)場壓實(shí)特性

為了獲得不同壓實(shí)遍數(shù)下的土石混填路基頂面的變形值，使用20t 的單鋼輪振動(dòng)壓力機(jī)壓實(shí)，完成一次初壓靜壓，之后復(fù)壓振動(dòng)壓實(shí)，再進(jìn)行一次終壓壓實(shí)。通過試驗(yàn)的結(jié)果可知，路基頂面變形值與碾壓的次數(shù)之間呈正比。在碾壓初期，路基頂面變形值會(huì)處于較快的增加狀態(tài)，之后速度會(huì)逐漸下降，在碾壓次數(shù)達(dá)到一定的數(shù)值之后，路基頂面變形值會(huì)逐漸穩(wěn)定下來。該實(shí)驗(yàn)中的土石混填路基土在經(jīng)過一次靜壓和六次振壓之后路基頂面變形值逐漸趨于穩(wěn)定，密實(shí)度逐漸達(dá)到密實(shí)的程度[3]。

2.2 室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)特性

以上述實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，試驗(yàn)室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)特性，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后可知，當(dāng)振動(dòng)時(shí)間增加之后，土石混填路基的干密度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速增大，之后速度下降，干密度會(huì)逐漸下降，并趨于穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)存在振動(dòng)壓實(shí)閾值。

2.3 確定最佳壓實(shí)振動(dòng)時(shí)間

振動(dòng)壓路機(jī)的噸位和碾壓的次數(shù)決定了現(xiàn)場壓實(shí)功，室內(nèi)振動(dòng)參數(shù)與振動(dòng)時(shí)間決定了室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)功。為了盡可能還原現(xiàn)象的壓實(shí)效果，參考了當(dāng)前壓實(shí)機(jī)械的壓實(shí)功閥值，在確定室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)時(shí)間上，堅(jiān)持現(xiàn)場所能達(dá)到最大密度相等的原則。若與現(xiàn)場所能達(dá)到最大密度相等，則土石混填路基土的室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)時(shí)間為75s。

3 對比振動(dòng)法和重型擊實(shí)

3.1 最大干密度與最佳含水量

在實(shí)驗(yàn)的過程中分別使用重型擊實(shí)法和振動(dòng)壓實(shí)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(jīng)過實(shí)驗(yàn)可知，采用振動(dòng)壓實(shí)法的最佳含水量0.83 倍于重型擊實(shí)法，最大干密度1.03 倍于重型擊實(shí)法，由此可知，利用振動(dòng)壓實(shí)法可以在降低用水量的同時(shí)提高土石混填路基土的密實(shí)度。這是因?yàn)檎駝?dòng)壓實(shí)會(huì)沖擊材料的顆粒，讓顆粒從靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以往靜止摩擦?xí)r顆粒間的相互作用，如今變?yōu)榱嘶瑒?dòng)摩擦，顆粒間的位置出現(xiàn)了相對變化。同時(shí)，水分在振動(dòng)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(yùn)動(dòng)的阻力更小，顆粒易被壓實(shí)。

3.2 加州承載比CBR

在最佳含水率下，分別利用重型擊實(shí)法與振動(dòng)壓實(shí)法成型力學(xué)試件，完成CBR 試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，土石混填路基土經(jīng)過振動(dòng)壓實(shí)之后，CBR 值是1.5 倍的重型擊實(shí)法，舉例來說，當(dāng)土石混填路基土的密實(shí)度提升1%后，CBR 值會(huì)提升10%。顆粒性材料的密實(shí)度與材料本身的力學(xué)強(qiáng)度存在直接的聯(lián)系，兩者之間呈正比。因此，利用振動(dòng)壓實(shí)法可以提升土石混填路基土的密實(shí)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(chǎn)生的影響，需要明確使用振動(dòng)壓實(shí)法與重型擊實(shí)法兩種方法前后土石混填路基土顆粒產(chǎn)生變化的情況。經(jīng)過測試的結(jié)果可知，土石混填路基土顆粒級配受到振動(dòng)壓實(shí)法的影響更小，這是因?yàn)樵摲椒〞?huì)使粗顆粒的材料產(chǎn)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(dān)較大的壓力。

4 結(jié)論

經(jīng)過土石混填路基土干密度受振動(dòng)頻率、激振力與靜面壓力影響的試驗(yàn)之后可知，最佳的參數(shù)為25 赫茲的振動(dòng)頻率，5.3kN 的激振力以及153.0-163.2kPa。嚴(yán)格遵照上述三個(gè)參數(shù)，可以取得最佳的壓實(shí)效果。對比研究分析了振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)與重型擊實(shí)實(shí)驗(yàn)之后可知，重型擊實(shí)法無法與振動(dòng)壓實(shí)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(yīng)用。