改善砂礫材料填筑壓實效果的試驗研究

岳 軍

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司東北分院，哈爾濱 150006)

砂礫是路基施工中的一種填料，具有較好的工程性質(zhì)。但由于砂礫顆粒的棱角比較圓滑，導(dǎo)致其壓實特性并不好，屬于較難壓實的填料之一[2]。其主要原因在于砂礫顆粒之間的關(guān)聯(lián)作用較弱、所形成的抗剪強度較低、抵抗變形的能力較弱的緣故，需要尋找改善壓實效果的工程措施。

影響壓實效果的主要原因是砂礫顆粒棱角的圓滑。棱角的圓滑會使摩擦能力、顆粒之間的咬合降低，會直接導(dǎo)致顆粒間的關(guān)聯(lián)程度下降，基于此特性，若能增強砂礫顆粒之間的相互作用能力，增加顆粒間摩擦能力及咬合，即可提升砂礫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，優(yōu)化壓實特性。

因此，在室內(nèi)利用石渣和砂礫之間抗剪強度的不同，向砂礫中加入一定量的石渣，就可以起到改善顆粒之間相互作用的能力，提高關(guān)聯(lián)程度。同時利用壓實過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),對壓實過程進行動態(tài)監(jiān)控，得到了能反映砂礫結(jié)構(gòu)抗力信息的響應(yīng)數(shù)據(jù)，以利于比較和確定石渣的加入量。

為優(yōu)化施工現(xiàn)場砂礫路基的壓實效果鋪墊，對現(xiàn)場施工工作進行指導(dǎo)是該項研究的重要意義。

1 試驗原理

在室內(nèi)對砂礫進行振動壓實試驗，所用的試驗設(shè)備為自行研制的振動壓實試驗系統(tǒng)，包括激振設(shè)備和自動測試設(shè)備。其中壓實機具為壓實儀，測試部分為微電腦自動數(shù)據(jù)采集測試儀[3]，如圖1所示。

圖1 振動壓實試驗系統(tǒng)

該試驗系統(tǒng)的主要特點為激振力、頻率和振幅皆可調(diào)。激振力由一對偏心質(zhì)量相對旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，振幅通過調(diào)整質(zhì)量塊實現(xiàn)。試驗時將材料裝入試桶中，試桶直徑為15 cm，然后由壓實儀自上而下進行壓實成型。將振動傳感器置于振動質(zhì)量塊上，連接到自動測試儀上，進行壓實過程的測試。參考采樣定理，對壓實過程進行動態(tài)監(jiān)測時，所選的采樣頻率是激振頻率的8～10倍。

振動壓實工藝可以表達成如下形式：

U=U(P，f，M)

其中 P——壓實儀的激振力；

f——壓實儀的激振頻率；

M——壓實儀的振動質(zhì)量。

根據(jù)振動理論，通過對壓實機具振動方程的分析可知，為得到相關(guān)參數(shù)就必須明確M、P、f三個主要參數(shù)的結(jié)合方式，其中M為振動質(zhì)量、P為激振力、f為激振頻率，這三個參數(shù)決定了壓實工藝。試驗時，選取的工藝參數(shù)如下：

激振頻率：f=(30Hz，35Hz，40Hz)；

激振力：P=(6.37KN，6.81KN，7.00KN，8.09KN，9.14KN，9.68KN)；

振動配重質(zhì)量：M=(10Kg，30Kg，40Kg，50Kg，70Kg，90Kg，100Kg，110Kg，130Kg，150Kg)；

本次試驗的全部振動工藝是將P、M、f進行排列組合。其中振動質(zhì)量=固定部分+可調(diào)部分(配

重)。采取調(diào)節(jié)配重塊，讓振幅在1.0～2.0mm[4]。

2 優(yōu)化砂礫壓實特性的根據(jù)

抗剪強度作為評價砂礫結(jié)構(gòu)在強度和剛度方面的一種指標，不僅在其力學方面有著重要的特性，也是砂礫結(jié)構(gòu)工程特性指標中重要的一項?？辜魪姸葲Q定了砂礫結(jié)構(gòu)在抵抗外荷載作用下的極限剪切能力，其本質(zhì)就是砂礫中顆粒間的相互關(guān)系，這種相互關(guān)系的優(yōu)化是砂礫壓實特性改變的根本原因。

砂礫是一種粗粒材料，所以其抗剪強度因級配構(gòu)成不同而異[5]。砂礫的內(nèi)摩擦主要是顆粒間的相對移動引起的，其由滑動摩擦和咬合摩擦組成，前者是顆粒在其之間的相對粗糙接觸面產(chǎn)生的相對滑動所引起，主要受到顆粒的形狀、物質(zhì)構(gòu)成、組成配比的影響，后者是顆粒間脫離膠合狀態(tài)所產(chǎn)生的移動引起的。實驗表明，滑動摩擦角與顆粒粒徑成反比例關(guān)系，究其原因隨著顆粒粒徑的不斷增大顆粒粒徑重心離剪切面越來越遠，從而在剪力作用下會導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)滾動摩擦。后者是顆粒間脫離膠合狀態(tài)所產(chǎn)生的移動引起的，其本質(zhì)是臨近顆粒間產(chǎn)生位移時的約束作用。實驗表明，結(jié)構(gòu)間隙小，磨圓度弱，咬合能力高，則其內(nèi)摩擦角就更大。所以，增大結(jié)構(gòu)的抗剪強度、優(yōu)化顆粒的相對摩擦就可以明顯提高砂礫的壓實特性，比如將合理數(shù)量帶有棱角的材料加入研究的砂礫中就是優(yōu)化其壓實特性的一種辦法。

為了比較砂礫和石渣這兩種粗顆粒材料構(gòu)成結(jié)構(gòu)的抗剪強度的不同，試取砂礫和石渣分別進行測試，其中粗粒含量分別為D=20%～80%，以10%依次遞增分組，共7組，試驗結(jié)果見表1和圖2。

表1 石渣和砂礫抗剪強度試驗結(jié)果匯總表

圖2 石渣與砂礫的抗剪強度

從以上結(jié)果可知，抗剪強度主要是由顆粒含量即不同的級配比所決定的。

粗料占比小于30%，抗剪強度受到粗料含量影響非常小，隨著粗料含量的增加抗剪強度僅僅小幅增加，此時細料的性質(zhì)取決定因素；粗料占比大于30%小于70%時，粗、細骨料的性質(zhì)同時影響著抗剪強度，此時抗剪強度因為粗料含量的增加而有大幅增長[6]。粗料含量大于70%時，粗料特性對于抗剪強度產(chǎn)生決定性影響，此時抗剪強度因粗料占比的提升而小幅下降。這主要是由于隨著粗料含量的增加，細料不能填滿顆粒間的孔隙，密度有所減小而致，并且粗料含量越大，其抗剪強度減小的就越多。

顆粒自身包含的物體特性對抗剪強度的影響凸出。在抗剪強度方面石渣強于砂礫，這證明了顆粒堅硬程度高，粒徑相差大且均勻性差且顆粒棱角越分明，則所填筑的密度大、抗剪強度高。所以，優(yōu)化顆粒間的相互作用，比如添加石渣，優(yōu)化顆粒內(nèi)摩擦角可以提高砂礫之間的抗剪強度以提高壓實效果。

3 砂礫的最佳振動壓實工藝

為了對改善砂礫壓實特性進行試驗，必須確定振動壓實成型試驗的最佳工藝，首先通過試驗確定在已知P和f情況下的M大小[10]，其結(jié)果如表2所示。

表2 砂礫各種工況下最佳振動工藝及結(jié)果匯總

圖3通過排序可知，砂礫的最佳振動工藝與相應(yīng)的密度為：P=9.14KN，f=30Hz，M=70Kg，ρ=2.051g/cm3；同樣可以確定石渣最佳的振動工藝與相應(yīng)的密度為：P=6.37KN，f=40Hz，M=10Kg，ρ=2.342g/cm3；

圖3 砂礫的密度與振動工藝關(guān)系圖

與石渣不同的是，砂礫材料的最佳施振頻率為30Hz左右，可能是由于顆粒形狀的緣故，詳細的分析有待于進一步的研究工作[7]。

4 改善砂礫壓實特性的措施

由于石渣與砂礫的抗剪強度特性有所區(qū)別，要提高砂礫的壓實效果，可以在其中加入合理量的石渣[8]。根據(jù)研究比較，以10%～30%每間隔10%為一組確定添加石渣的量，共3類，在根據(jù)砂礫與石渣最優(yōu)振動工藝，確定振動工藝的3項參數(shù)為：P選取8.00KN,f選取35Hz，M選取10～130 kg。為了解相對壓實情況，選用動態(tài)監(jiān)測儀器以監(jiān)控試驗所形成的的結(jié)構(gòu)的抗力數(shù)據(jù)指標[9]，試驗結(jié)果如表3和圖4所示。

表3 砂礫摻加石渣各種工況下最佳振動工藝及結(jié)果匯總

圖4 “砂礫+石渣”的壓實試驗結(jié)果

得到的最佳工藝和相應(yīng)的密度如下：

◆ 砂礫+10%石渣：P=8.00KN，f=35Hz，M=10Kg，ρ=1.727g/cm3；

◆ 砂礫+20%石渣：P=8.00KN，f=35Hz，M=10Kg，ρ=1.836g/cm3；

◆ 砂礫+30%石渣：P=8.00KN，f=35Hz，M=10Kg，ρ=1.841g/cm3。

根據(jù)動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)測得的動力響應(yīng)數(shù)據(jù)而得到的抗力為：

◆ 砂礫+10%石渣：F=223KN；

◆ 砂礫+20%石渣：F=279KN；

◆ 砂礫+30%石渣：F=387KN。

可以看出，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的抵抗力在石渣含量為30%和10%時分別達到最大與最小峰值；在最小與最大峰值中，石渣含量20%以下時結(jié)構(gòu)抗力的增加幅度最大[11]。石渣含量20%以上時，在其結(jié)構(gòu)抗力大幅度增加時其密度相對不變，說明決定粗粒料壓實效果的抗力指標比密度指標要好。

5 結(jié)語

分析導(dǎo)致砂礫壓實效果的緣由，通過石渣與砂礫在抗剪強度方面的差異，對優(yōu)化砂礫壓實效果的方法進行提出[12]。理論分析和動態(tài)監(jiān)控結(jié)果表明，強度、剛度以及穩(wěn)定性的實際情況是可以由根據(jù)抗力大小推斷出的壓實狀態(tài)好壞來確定的。通過試驗結(jié)果分析可以得出，加入石渣對優(yōu)化現(xiàn)有砂礫壓實效果明顯，且在一定范圍內(nèi)隨著加入石渣量的增加對砂礫壓實效果的影響越明顯。上述研究成果，在施工現(xiàn)場的砂礫壓實中已經(jīng)成功地應(yīng)用并取得了可喜的成果。