擊實(shí)頻率對(duì)粗粒土干密度的影響研究

楊志浩，岳祖潤(rùn)，郭春陽(yáng)

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學(xué)道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050043)

目前，粗粒土(A、B組填料和級(jí)配碎石)作為主要填料廣泛應(yīng)用于路基和土石壩。粗粒土是指粒徑大于0.075 mm的顆粒質(zhì)量大于總質(zhì)量50%的粗顆粒土混合料，具有透水性強(qiáng)、黏結(jié)性小、抗剪強(qiáng)度高，沉陷變形小、壓實(shí)性強(qiáng)等優(yōu)良工程特性。粗顆粒土在路基的穩(wěn)定性方面起著決定性的作用。

壓實(shí)度是評(píng)價(jià)路基施工質(zhì)量的重要指標(biāo)，壓實(shí)度不夠會(huì)導(dǎo)致路基翻漿冒泥、不均勻變形等病害。路基填料的最大干密度與路基壓實(shí)度密切相關(guān)，研究路基壓實(shí)度必先研究其最大干密度。影響最大干密度的因素很多。蔡銘[1]研究了含水率、擊實(shí)時(shí)間、細(xì)顆粒含量等對(duì)粗粒土最大干密度的影響;杜可耕等[2]對(duì)比了干法和濕法以及表面振動(dòng)儀和振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)效果;林紹湊[3]研究了不同松鋪厚度、不同噸位振動(dòng)壓路機(jī)在粗粒土中產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力特點(diǎn);朱俊高等[4]采用表面振動(dòng)擊實(shí)儀法，研究了激振時(shí)間及表面壓重對(duì)粗粒土干密度的影響規(guī)律。王剛等[5]通過(guò)改變礫石土中粉黏粒含量，找出了不同擊實(shí)方法的粉黏粒含量分界點(diǎn)。楊凌云等[6]進(jìn)行了黏性粗粒土的擊實(shí)試驗(yàn)研究，著重分析了擊實(shí)功、粗顆粒含量對(duì)擊實(shí)效果的影響;鐘海輝等[7]進(jìn)行了天然砂礫石基層的擊實(shí)特性研究;馮忠居等[8]通過(guò)改變室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)的擊實(shí)參數(shù)，對(duì)影響粗粒土壓實(shí)特性的相關(guān)因素進(jìn)行了分析。但是，針對(duì)擊實(shí)頻率對(duì)粗粒土干密度的影響研究還不多。本試驗(yàn)應(yīng)用表面振動(dòng)擊實(shí)儀法和振動(dòng)臺(tái)法研究擊實(shí)頻率對(duì)細(xì)圓礫土和級(jí)配碎石混合料最大干密度的影響，以期為現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度控制提供參考。

1 試驗(yàn)土樣及方法

1.1 試驗(yàn)土樣

表面振動(dòng)擊實(shí)儀法試驗(yàn)混合料取自哈齊客?，F(xiàn)場(chǎng)施工路基填料，在室內(nèi)進(jìn)行篩分試驗(yàn)，然后按照《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10001—2005)[9]配制成細(xì)圓礫土(最大粒徑40 mm)和級(jí)配碎石(最大粒徑45 mm)，其級(jí)配曲線如圖1。

圖1 表面振動(dòng)儀法試驗(yàn)粒徑級(jí)配曲線

振動(dòng)臺(tái)法試驗(yàn)混合料取自京石客運(yùn)專線路基填料，分別在7個(gè)斷面上取樣(1#～7#)，進(jìn)行篩分，其級(jí)配曲線如圖2。土樣混合好后加水?dāng)嚢瑁铀靠刂茷檎檬瓜鹉z板上沒(méi)有自由水析出，然后靜置0.5 h，使土樣中水分分布均勻后，再開(kāi)始填料。每個(gè)頻率制備2個(gè)混合料土樣，進(jìn)行平行測(cè)定，取平均值。

圖2 振動(dòng)臺(tái)法試驗(yàn)粒徑級(jí)配曲線

7 個(gè)斷面的土樣中 1#，4#，6#比較典型。1#和 4#土樣為碎石，6#土樣為卵石。由圖2可見(jiàn)，1#土樣級(jí)配良好，4#和6#土樣級(jí)配不好，但三者都屬于路基現(xiàn)場(chǎng)施工A，B組填料，屬于粗顆粒土的范疇，經(jīng)綜合考慮選此3個(gè)土樣進(jìn)行干密度試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用的表面振動(dòng)擊實(shí)儀和振動(dòng)臺(tái)如圖3所示。表面振動(dòng)擊實(shí)儀法和振動(dòng)臺(tái)法均是采用振動(dòng)方法測(cè)定土的最大干密度。前者是振動(dòng)作用自上表面垂直向下傳遞，而后者是整個(gè)土樣同時(shí)受到垂直方向的振動(dòng)作用。

圖3 振動(dòng)儀器

儀器主要參數(shù):①表面振動(dòng)擊實(shí)儀功率1 kW，振動(dòng)頻率0～70 Hz，激振力4.2 kN。所帶的鋼制夯固定于振動(dòng)電機(jī)上，且有一厚12.5 mm的夯板，夯板直徑應(yīng)略小于試筒內(nèi)徑約3 mm，夯與振動(dòng)電機(jī)總重在試樣表面產(chǎn)生13.8 kPa靜壓力。試筒成圓柱形(內(nèi)徑30 cm，高25 cm)，將試筒的底板固定于質(zhì)量為450 kg的混凝土基礎(chǔ)上。②振動(dòng)臺(tái)固定于混凝土基礎(chǔ)上，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸為550 mm×550 mm，具有足夠剛度。振動(dòng)臺(tái)最大負(fù)荷滿足承受試筒、套筒、試樣、加重底板及加重塊等質(zhì)量的要求。振動(dòng)頻率0～70 Hz，雙振幅3 mm。

1.3 試驗(yàn)方案及方法

表面振動(dòng)擊實(shí)儀法中，保持其他擊實(shí)參數(shù)不變，只改變擊實(shí)頻率，擊實(shí)頻率分別設(shè)置為 30，35，40，45，50，55，60 Hz，分別擊實(shí)求出所對(duì)應(yīng)的干密度，找到頻率與最大干密度的關(guān)系。同表面振動(dòng)擊實(shí)儀法一樣采用振動(dòng)臺(tái)法對(duì)京石客專路基填料1，4，6斷面采集的土樣(1#，4#，6#)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)頻率分別設(shè)置為30，40，50，60，70 Hz。具體試驗(yàn)過(guò)程按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)[10]中表面振動(dòng)擊實(shí)儀法和振動(dòng)臺(tái)法中的濕土法進(jìn)行試驗(yàn)。部分試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖4。

圖4 部分試驗(yàn)過(guò)程

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面振動(dòng)擊實(shí)儀法

試驗(yàn)測(cè)得的干密度隨頻率的變化曲線如圖5所示。

圖5 表面振動(dòng)擊實(shí)儀法干密度與擊實(shí)頻率的關(guān)系

從圖5中可見(jiàn)，干密度隨頻率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。頻率為40～55 Hz時(shí)干密度變化較大，在該范圍兩側(cè)隨頻率的改變干密度變化不大。細(xì)圓礫土和級(jí)配碎石的干密度在頻率為50 Hz時(shí)達(dá)到最大值，小于該頻率時(shí)，隨著頻率的增加干密度增大;大于該頻率時(shí)，隨著頻率的增大干密度反而減小。主要是因?yàn)榇诸w粒土存在一個(gè)卓越頻率，擊實(shí)頻率接近該卓越頻率時(shí)，土樣與振動(dòng)機(jī)械能夠共振，振動(dòng)效果好，得到的干密度較大。相反，遠(yuǎn)離卓越頻率時(shí)得到的干密度較小。

2.2 振動(dòng)臺(tái)法

試驗(yàn)測(cè)得的干密度隨頻率的變化曲線如圖6所示。

圖6 振動(dòng)臺(tái)法頻率與干密度的關(guān)系

由圖6可見(jiàn)，3個(gè)斷面的土樣達(dá)到最大干密度時(shí)的頻率不同，1#土樣為 60 Hz，4#土樣為 40 Hz和60 Hz，6#土樣為50 Hz。4#土樣出現(xiàn)2個(gè)峰值的原因可能為:①粗顆粒土相對(duì)于細(xì)顆粒土具有一定的離散性;②4#土樣是由三相組成的物質(zhì)，跟剛性結(jié)構(gòu)不同，其卓越頻率可能是一個(gè)區(qū)間而不是一個(gè)單純的數(shù)值，只要在這個(gè)卓越頻率區(qū)間之內(nèi)，得到的干密度均較大。

以上3種粗顆?；旌狭现赃_(dá)到特定的頻率時(shí)干密度達(dá)到最大是因?yàn)樵擃l率接近其卓越頻率，此時(shí)振動(dòng)機(jī)械和受壓混合料共振，振動(dòng)效果較好，顆粒之間填充較密實(shí)，因而得到的干密度最大。

3 結(jié)論

1)表面振動(dòng)擊實(shí)儀法的卓越頻率區(qū)間為45～55 Hz。振動(dòng)臺(tái)法卓越頻率區(qū)間為40～60 Hz?？蔀楦侠淼卦O(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)施工振動(dòng)壓實(shí)機(jī)械提供依據(jù)。

2)其他擊實(shí)參數(shù)如擊實(shí)振幅、錘重、擊實(shí)桶徑等對(duì)干密度的影響規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。只有把更多的擊實(shí)參數(shù)綜合考慮，才能更合理地模擬現(xiàn)場(chǎng)施工狀況，科學(xué)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

[1]蔡銘.粗顆粒土混合料最大干密度的研究[D].石家莊:石家莊鐵道大學(xué)，2010.

[2]杜可耕，李安珍.粗顆粒土混合料最大干密度及壓實(shí)度試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2012(11):98-100.

[3]林紹湊.粗粒土路基振動(dòng)壓實(shí)效果試驗(yàn)及分析[J].西北探礦工程，2013(1):179-183.

[4]朱俊高，軒向陽(yáng)，薄以霆.表面振動(dòng)壓實(shí)儀法測(cè)定粗粒土密度的影響因素[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013(2):15-19.

[5]王剛，李志農(nóng)，馮立群.粗粒土擊實(shí)試驗(yàn)研究[J].道路工程，2011(20):61-65.

[6]楊凌云，王曉謀，尚濤.粘性粗粒土的擊實(shí)試驗(yàn)研究[J].路基工程，2009(4):84-85.

[7]鐘海輝，全凱，王技.天然砂礫石基層的擊實(shí)特性研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，24(3):52-55.

[8]馮忠居，張永清.粗粒土路基的壓實(shí)試驗(yàn)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，24(3):9-12.

[9]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10001—2005 鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

[10]中華人民共和國(guó)交通部.JTG E40—2007 公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社，2007.