振動壓實能力與道路基層材料可壓實性評價

王 龍，解曉光

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150090）

在現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2006）和《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）中，對于無機結(jié)合料基層材料的設(shè)計，均主張采用振動成型方法，但在振動成型參數(shù)上，規(guī)定并不十分明確.在振動成型過程中，激振頻率、離心力和名義振幅三參數(shù)的一種組合形成一套壓實工藝，振動三參數(shù)對于壓實起著關(guān)鍵作用，決定了振動工藝的壓實能量；同時，被壓材料對振動壓實工藝具有反饋特性，其頻譜特性、變形特性和加速度特性因材料的不同而不同［1］.不同參數(shù)的組合，對振動壓實儀來講，是其輸出能量的差別，對被壓材料來講，其反饋的不同是吸收能量的差異.因此，要分析振動壓實的機理，推廣基層材料振動成型方法，必須對不同工藝的壓實能量和不同基層材料吸收振動壓實能的狀況進行研究，即對振動壓實工藝壓實能力與被壓材料可壓實性進行評價，為道路基層材料的振動壓實設(shè)計和施工控制提供有針對性的技術(shù)指導(dǎo).

1 振動壓實儀的動態(tài)測試方法

若要對振動壓實工藝壓實能力和被壓材料可壓實性進行評價，必須明確各振動壓實工藝三參數(shù)的能量輸入以及各種被壓材料的具體反饋數(shù)據(jù)，因此，對振動壓實進行動態(tài)測試.測試的內(nèi)容包括被壓基層材料在某一壓實工藝下的位移信號、加速度信號和壓實力信號.相關(guān)測試在自行開發(fā)的變頻、變幅振動壓實儀上進行［2］.

1.1 位移信號的測試方法

基層材料的壓實變形采用LVDT（直線位移傳感器）進行采集，用磁性表座將位移傳感器固定在位移架上，把位移傳感器的觸頭固定在振動壓實儀上.位移傳感器彈跳的幅度是振動壓實儀的實際工作振幅，隨著材料逐漸被壓實，振動壓實儀的重心逐漸下移，位移傳感器實測振幅的下包絡(luò)線為材料隨時間變化的塑性變形.

1.2 壓實力信號與加速度的測試方法

實際的壓實力和離心力在數(shù)值上并不相等，壓實力必須通過實測才能確定，在圓柱形的壓頭四周粘貼應(yīng)變片，組成全橋電路，隨著構(gòu)件受力變形，應(yīng)變片產(chǎn)生與構(gòu)件應(yīng)變成比例的電阻變化，應(yīng)用測量電路測得應(yīng)變或應(yīng)力，進而計算出實際的壓實力.加速度的采集采用YD12D－57加速度傳感器，將加速度傳感器吸附在振動壓實儀上，當(dāng)壓實儀的壓頭與被壓材料相接觸時，實測的加速度為壓實加速；當(dāng)壓實儀的壓頭與被壓材料不相接觸時，實測的加速度為空載加速.

2 振動壓實工藝壓實能力評價

頻率、離心力和名義振幅的一個組合稱為一個壓實工藝，壓實工藝不同振動壓實效果也存在差別［1］，三參數(shù)的關(guān)聯(lián)性說明不能以一個參數(shù)來表征壓實能力的強弱.壓實效果的好壞，是能量的施加與吸收的協(xié)調(diào)問題，只有采用適合土體吸收能量的壓實方式，并達到足夠的壓實功才能取得好的效果.因此采用工藝的激振強度——單位時間內(nèi)輸出的能量來表征壓實能力.

2.1 振動壓實工藝的評價參數(shù)

根據(jù)工程振動理論，利用上表面振動器振動壓實時，其理論振動作用力為

式中：P為作用于土體上的豎向力，kN；W為振動壓實儀激振部自重，kg；F0為離心力幅值，kN；ω為角頻率，rad·s－1；t為時間，s.

若考慮阻尼的影響，則振動壓實時試件的豎向位移滯后振動作用力一個相位差φ，每一振動周期內(nèi)，振動力作正功的時間是t1＝φ/ω到t2＝（π/2＋φ）/ω和t3＝2π/ω到t4＝（2π＋φ）/ω兩個時段，故振動器在一個振動周期內(nèi)的振動壓實能為

式中：E0為一個周期內(nèi)表面振動器施加的能量，J·Hz－1；A為名義振幅，mm；

由于基層材料在壓實過程中為彈—塑性狀態(tài)，φ值不可能為0，但由于采用了分段處理，在最佳激振頻率時，試件的振動接近共振狀態(tài)，此時φ值接近π/2.為計算簡便將φ＝π/2代入式（1），則單周期振動器施加的能量為

設(shè)激振頻率為f，則每秒鐘振動壓實儀輸出的能量為衡量不同壓實工藝壓實能力的指標(biāo)——激振強度.由式（2）可知，激振強度E1的計算公式如下：

根據(jù)式（3）可知，它綜合地反映了振動三參數(shù)對理論壓實功的影響，物理意義為：單位時間內(nèi)激振器提供的能量，E1的大小反映了不同壓實工藝輸出能量的強弱，反映了工藝的壓實能力.

2.2 激振強度與基層材料壓實性的關(guān)系

以3種激振頻率（30，45，60Hz）、4種離心力（4，5，6，7kN）、5種振幅、3種級配類型，調(diào)制出3×3×4×5＝180個工藝組合，對基層材料（級配碎石）進行壓實試驗，研究工藝壓實能力對基層材料物理指標(biāo)的影響.

圖1是3種結(jié)構(gòu)類型級配碎石材料在激振頻率為30，45和60Hz時激振強度與干密度散點圖.3種級配的干密度隨激振強度的提高而增長，但變化規(guī)律不同，其中，各級配干密度的最大、最小值及離散性反映了級配的骨架—空隙、骨架—密實和懸浮—密實的差異（內(nèi)因），而干密度隨激振強度的變化則體現(xiàn)了壓實工藝的影響（外因）.對細(xì)級配來說，由于最大粒徑較小以及懸浮結(jié)構(gòu)，干密度增長率較小，單位激振強度為0.05g，且離散性最小.對中級配來說，干密度隨激振強度的增長呈對數(shù)分布，增長率大，單位激振強度為0.09g，離散性也大.說明雖是好的級配類型也必須采用合適的振動參數(shù)組合才能取得好的壓實效果.粗級配散點的走勢與中級配相同，由于是骨架—空隙型結(jié)構(gòu)，其干密度較小，增長率為單位激振強度0.09g.縱觀3幅圖的總體走向，干密度的增長率在激振強度為0.2kJ·s－1時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，小于0.2kJ·s－1時平均增長率為單位激振強度0.2g，大于0.2kJ·s－1時平均增長率為單位激振強度0.02g.說明工藝的激振強度必須突破0.2 kJ·s－1的閾值，干密度的增長才進入穩(wěn)定狀態(tài).同時還可以看出，要想取得良好的壓實效果，激振強度必須大于0.35kJ·s－1.

圖1 不同頻率下激振強度與干密度的關(guān)系Fig.1 Relationship between vibration strength and dry density at different frequencies

圖2為激振強度與名義振幅的關(guān)系圖.可以看出，名義振幅與激振強度具有線性關(guān)系，根據(jù)激振強度，可以確定各壓實工藝的壓實能力，根據(jù)前面總結(jié)出的激振強度的閾值，確定出最佳工藝區(qū)間，最佳工藝區(qū)間激振強度必須大于0.35kJ·s－1，此時，工藝要求為激振頻率為30Hz，離心力大于6kN，名義振幅大于0.64mm；在次佳工藝區(qū)間，激振強度要求大于0.2kJ·s－1，此時要求離心力大于6kN，頻率可為30Hz或45Hz，名義振幅大于0.6mm.

圖2 不同工藝組合名義振幅與激振強度關(guān)系圖Fig.2 Relationship between nominal amplitude and vibration intensity with different processes

3 道路基層材料可壓實性評價

振動壓實工藝壓實能力與道路基層材料可壓實性是一個問題的兩個方面，前者是輸入，后者為反饋，采用振動壓實并采集被壓材料的塑性變形、壓實力等反饋數(shù)據(jù)后，才能實現(xiàn)對其可壓實性的評價.

3.1 塑性變形回歸分析

振動工藝提供的能量并不等于試件吸收的能量，基層材料吸收能量主要用于產(chǎn)生塑性變形，因此評價被壓材料的可壓實性，需分析被壓材料的塑性變形曲線特性.圖3為實測被壓材料的變形隨時間的變化曲線.圖4為經(jīng)過換算后得到的壓實過程中材料的壓實度隨時間的變化曲線.可以看出，在振動作用下，基層材料的塑性變形曲線和壓實度增長曲線與振動時間的關(guān)系為對數(shù)關(guān)系［3］.

圖3 水穩(wěn)碎石基層材料塑性變形隨時間變化曲線Fig.3 Curves of plastic deformation with time of cement stable macadam

從圖3中可以看出，隨著壓實時間的增加，被壓實材料的塑性變形逐漸增加.在壓實的前20s，材料的變形速率很大，變形量為總變形量的50%左右，隨著材料逐漸被壓實，變形速率隨之減小并達到穩(wěn)定［4］.從圖4中可以看出，試樣的裝填壓實度為80%，壓實的初期，壓實度增幅較快，在50s后壓實度達到了95%，100s后達到了98%，200s后達到了100%.通過實測到的位移響應(yīng)信號，可以直接反映成型過程中材料的壓實情況和不同材料在壓實過程中的變形特性.

圖4 水穩(wěn)碎石基層材料壓實度隨時間變化曲線Fig.4 Curves of compaction degree variation with time of cement stable macadam

圖5是不同道路基層材料在壓實過程中的塑性變形曲線，石灰穩(wěn)定碎石的總塑性變形最小，而二灰結(jié)合料的總變形最大，塑性總變形的不同說明了各種材料初始密實程度的不同；曲線的前期，由于材料的塑性變形比較大，材料的變形速率不是常數(shù)，在振動壓實前40～50s，塑性變形已經(jīng)達到了其總變形量的50%左右.當(dāng)50s后材料的變形相對穩(wěn)定，隨著材料逐漸被壓實，材料的變形速率為一常數(shù)；把不同材料的變形曲線進行對數(shù)回歸，回歸方程中系數(shù)的絕對值越大，材料變形的速率越快，由于有初始狀態(tài)的影響，并不能以此評價不同材料的可壓實性.由于50s以后，材料的變形逐漸穩(wěn)定，對50s以后的數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，根據(jù)回歸方程的斜率k，計算產(chǎn)生單位變形時所需要的時間［5］.用此指標(biāo)評價不同材料的可壓實特性，回歸數(shù)據(jù)如表1，對于瀝青混合料中，k＝26s·mm－1，表示材料產(chǎn)成1mm變形所需要的時間是26s；k值越大，材料產(chǎn)生單位變形所需要的時間越多，材料越不易被壓實.

圖5 不同基層材料振動壓實塑性變形曲線Fig.5 Curves of vibrating compaction plastic deformation curve of different base materials

表1 不同道路材料壓實穩(wěn)定狀態(tài)下塑性變形回歸方程Tab.1 Plastic deformation regression equation of different road materials compaction stability states

3.2 基層材料可壓實性評價指標(biāo)

雖然塑性變形曲線可以直觀地反映材料在壓實過程中的變形特性［6－7］，但是用塑性變形去評價被壓材料的可壓實性有局限性.原因是壓實力的監(jiān)測表明不同材料在壓實過程中，受到的實際壓實力是不同的，而材料的塑性變形與壓實力直接相關(guān).因此需要綜合考慮壓實力和位移指標(biāo)來評價材料的可壓實特性，由于試件尺寸的差別，把試件受到的實際壓實力轉(zhuǎn)換成了壓實應(yīng)力.

根據(jù)塑性變形隨時間的變化曲線，當(dāng)壓實時間t＞50s后，材料的位移曲線近似為一直線，定義可壓實性系數(shù)L，其物理意義為材料產(chǎn)生單位塑性變形所需的壓實應(yīng)力，計算公式如下：

式中：L為材料可壓實性系數(shù)，MPa·mm－1；d為材料產(chǎn)生單位位移所需的時間，s·mm－1；n為單位時間壓實次數(shù)，次·s－1；σ為平均每次的壓實應(yīng)力，MPa·次－1.

就瀝青混合料而言，可壓實性L值計算方法如下：L＝26s·mm－1×10次·s－1×2.98MPa·次－1＝773.73MPa·mm－1.表2為振動壓實最佳工藝下不同材料的可壓實性指標(biāo)計算結(jié)果.可壓實系數(shù)越大，產(chǎn)生單位塑性變形所需的壓實應(yīng)力也愈大，可壓實性就越差.

利用產(chǎn)生單位位移所需的壓實應(yīng)力作為評價材料可壓實特性的指標(biāo)，此指標(biāo)綜合考慮了材料在振動壓實的過程中，材料的變形速率、振動壓實次數(shù)和振動壓實應(yīng)力的綜合因素.從表2中可以看到瀝青混合料產(chǎn)生單位變形所需的應(yīng)力要遠(yuǎn)大于其他材料，二灰結(jié)合料可壓實性最好，水泥穩(wěn)定碎石和粉煤灰穩(wěn)定碎石基本處于同一水平，石灰穩(wěn)定碎石和二灰結(jié)合料的可壓實性處于同一水平.

表2 不同道路材料壓實特性指標(biāo)Tab.2 Compactibility indexes of different road materials

4 結(jié)論

（1）對不同參數(shù)組合下的振動壓實工藝單位時間內(nèi)輸出的能量進行了分析，定義了評價振動壓實工藝壓實能力的評價指標(biāo).

（2）對于壓實效果的影響，激振強度存在閾值，激振強度必須大于0.35kJ·s－1才能取得良好的壓實效果；根據(jù)名義振幅與激振強度的關(guān)系，提出了最佳振動壓實工藝區(qū)的范圍.

（3）道路材料的振動壓實塑性變形和壓實度的變化與振動時間呈對數(shù)關(guān)系.

（4）定義了道路材料可壓實性參數(shù)，不同道路材料的可壓實性系數(shù)具有較大的區(qū)別，說明采用可壓實性參數(shù)能區(qū)分不同道路材料的可壓實性，具有一定的合理性.

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