曾 濤，蔣良濰，黃 強，李傲贏

(1.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031；2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

最大干密度是基于一定試驗方法和做功能量下的干密度最大值，是檢驗現(xiàn)場壓實度能否達到規(guī)范技術要求的重要參數(shù)。目前，常用確定粗粒土最大干密度的室內土工試驗方法有擊實法、相對密度儀法(也稱振動臺法)和表面振動三種。擊實是土工試驗運用最普遍的方法，以沖擊荷載作用使土體擠壓密實，擊實做功及能量輸出計算較簡單；相對密度儀法是將試筒置于振動臺上并上覆壓重塊，整體振動使試筒內土樣達到密實；表面振動壓實法是鋼制夯在試樣筒內土樣表面做垂直振動，通過振動作用使土顆粒發(fā)生位置交換，相互擠壓而填充密實。水利行業(yè)土工試驗[1]用相對密度儀法較多,適用于最大粒徑為60 mm能自由排水的粗顆粒土，規(guī)定粗顆粒土中細粒土(<0.075 mm)含量不得大于12 %。鐵路[2]公路[3]土工試驗可采用表面振動壓實法測定最大干密度，適用于最大顆粒粒徑小于75 mm，小于0.075 mm顆粒質量分數(shù)不大于15 %的無黏性自由排水粗粒土。

室內表面振動壓實可在一定程度上反映現(xiàn)場壓路機振動碾壓實際工況[2]，其振動控制參數(shù)的概念辨析、作用機理以及取值大小與振動壓路機現(xiàn)場工作參數(shù)的相關性等都是土工試驗研究的問題。針對表面振動壓實試驗中振動頻率、靜壓重以及對土體的動作用力大小，規(guī)范[2]規(guī)定振動頻率為30～50 Hz，振動夯板靜壓重18 kPa以上，激振力為10～80 kN。規(guī)范規(guī)定振動參數(shù)取值范圍較大，現(xiàn)行生產(chǎn)表面振動壓實儀控制參數(shù)大都符合規(guī)范要求范圍，但不可調，因此不能根據(jù)粗粒土特征選擇不同的振動壓實參數(shù)。已有研究大多是分析各振動參數(shù)對試驗結果的影響及最優(yōu)參數(shù)的取值，尚未形成針對粗粒土表面振動壓實試驗的準確參數(shù)。馮瑞玲[4]對8種級配粗粒土進行表面振動壓實試驗，分析干密度-振動頻率、干密度-激振力的變化規(guī)律，結果表明振動頻率和激振力存在最佳取值。振動壓路機現(xiàn)場作業(yè)時可根據(jù)壓實填土結構層不同選擇名義振幅和振動頻率，因此室內振動壓實試驗振幅和頻率的取值若能與現(xiàn)場工況有一定的關聯(lián)性，儀器參數(shù)取值有與實際工況相關聯(lián)的合理范圍，則減小了室內試驗與現(xiàn)場工況的差異性，室內試驗結果對現(xiàn)場壓實度的評價更加客觀。

1 振動壓實試驗及振動參數(shù)測試

1.1 試驗方案及測試儀器

用試驗室表面振動壓實儀進行試驗，在鋼制夯上表面安裝振動傳感器，測試不同工況下的振動加速度、速度、振幅及頻率等參數(shù)，用相同碎石土進行三次試驗，記錄試驗數(shù)據(jù)并計算其最大干密度；對試筒進行改裝，用動土壓力盒分三層測試試筒內土中應力變化，對動作用力大小進行校核；對相同碎石土樣進行重型擊實對比試驗，對比兩種試驗方法測試最大干密度值。

表面振動儀試筒內直徑為280 mm，面積0.062 m2，經(jīng)過試驗標定，激振箱和鋼制夯質量為117.143 kg，靜壓力18.643 kPa，振動頻率為25 Hz；891-II型拾振器以及imc采集系統(tǒng)，拾振器量程和精度均滿足試驗要求。在鋼制夯上表面間隔對稱布置測試加速度、速度和位移的拾振器(圖1)，采用兩組儀器測試以便數(shù)據(jù)相互校對；電阻應變式雙模動土壓力盒，量程為1 MPa，P=K×μξ，P為壓強值，K為標定系數(shù)；某高鐵試驗段碎石土試樣，最大粒徑為40 mm，不均勻系數(shù)為Cu=67.75，曲率系數(shù)為Cc=2.37，為鐵路路基A組填料，級配曲線如圖2所示。

圖1 測振儀測試振動參數(shù)

圖2 碎石土級配曲線

1.2 試驗過程及結果分析

啟動儀器，當鋼制夯懸空時讀取測試數(shù)據(jù)，確定儀器名義振動參數(shù)；按照規(guī)范[2]的要求，測試碎石土試樣的最大干密度值并讀取振動參數(shù)，試驗分三層進行，每層振動6 min，測試參數(shù)振動參數(shù)范圍如表1所示。

表1 不同工作狀態(tài)時振動參數(shù)

表面振動儀的振動頻率為25 Hz，振動振幅和加速度的變化值如圖3、圖4所示，振幅和加速度呈先增大至逐漸穩(wěn)定的態(tài)勢，隨著振動壓實的繼續(xù)進行，增大緩慢并在較小范圍內波動。振動1 min以后，工作振幅保持在1 mm左右波動，波動幅度相對較小，整個試驗過程工作振幅A是名義振幅A0的1～2倍；加速度在66 m/s2的水平波動，波動幅度較小，整個試驗過程工作加速度a是名義加速度a0的2.5～3.5倍；振動3 min以后試樣高度無明顯下降，試樣干密度值接近最大；通過鋼制夯質量與加速度值，可計算出鋼制夯對土體的動作用力最大值從5.9 kN逐漸增大到7.8 kN左右，最后保持在穩(wěn)定水平。

圖3 振動加速度最大值隨時間變化

圖4 振幅最大值隨時間變化

為測試被壓實土體中的動應力變化，并對最大動作用力值進行校核，用動土壓力盒分層測試土中動應力，如圖5所示，測試深度分別為2 cm、4 cm、6 cm，為避免鋼制夯直接接觸動土壓力盒，最淺深度時動土壓力盒工作面為2 cm砂墊層，測試結果見表2。

圖5 土中動應力測試

表2 動土壓力盒實測土壓力數(shù)值

隨著深度增加，試筒內土中應力衰減很快，2～4 cm衰減25 %，4～6 cm衰減64 %，2～6 cm衰減73 %，最上層測試數(shù)據(jù)換算得到最大壓實力值為6.5 kN，由于砂墊層的緩沖衰減作用，測試值小于測試加速度計算值，在理論分析的合理范圍內，達到了對動作用力檢算的目的。

重型擊實試驗：按照規(guī)程[2]規(guī)定，采用Z3標準擊實儀器，擊實筒內徑152 mm，高116 mm，錘重4.5 kg，落距457 mm，分三層，每層擊實次數(shù)為94次。本試驗的碎石土粒徑均小于40 mm，因此并不存在超粒徑的情況，最大干密度不需進行校正。試驗結果如表3所示，同一種試驗方法所得試驗結果數(shù)值差別較小，滿足試驗誤差范圍要求，表面振動壓實試驗結果均小于擊實試驗，表面振動壓實試驗結果為擊實試驗所得最大干密度值的95.6 %。室內表面振動壓實試驗側限為剛性約束，試筒側壁摩擦對土體的摩擦較大。而對于擊實試驗，由于擊實錘直徑遠小于擊實筒，因此側壁摩擦影響比表面振動試驗??；表面振動壓實試驗振幅小于擊實，擊實試驗局部沖擊力產(chǎn)生的壓強也大于表面振動試驗，因此表面振動壓實最大干密度試驗結果小于擊實試驗具有必然性。

表3 兩種試驗方法下最大干密度 g/cm3

1.3 試驗振動參數(shù)與振動壓路機工作參數(shù)對比

室內試驗和振動壓路機現(xiàn)場壓實振動參數(shù)也有差別。頻率、名義振幅以及加速度校核值對比如表4，其中加速度校核值的計算為a=A0f2/g，以重力加速度的倍數(shù)計。對比表明：振動壓路機和表面振動壓實儀工作頻率比較接近，振動壓路機的名義振幅和加速度校核值均大于室內試驗所取值，規(guī)范最小值控制參數(shù)小于振動壓路機實際工作參數(shù)。

表4 表面振動壓實試驗與振動壓路機壓實路基合理控制參數(shù)對比

振動壓路機工作頻率的取值不合理會降低壓實質量，影響操作人員健康，造成使用壽命下降等問題。頻率過高則振動輪跳離地面后在空中停留時間過長，會引起被壓實地面呈“搓板形”，降低施工質量。對比分析，室內試驗頻率取值差別不可能太大，頻率不是最主要控制因素；振幅變化對壓實效果的影響大于振動頻率，同樣頻率下，振幅越大，壓實效果越好。振幅是影響壓實效果的最重要參數(shù)，振幅增大，振動輪對土作用力沖擊能量增大，沖擊波在土中傳播距離越遠，因此壓實效果提高(圖6)。

圖6 頻率和振幅對壓實效果的影響[10]

1.4 室內表面振動試驗參數(shù)控制差異性分析

表面振動壓實法更接近于現(xiàn)場壓路機振動碾壓的實際狀況，規(guī)范[2]將表面振動壓實法作為粗粒土最大干密度試驗方法，所以室內試驗的參數(shù)控制與現(xiàn)場振動壓路機工作參數(shù)控制應具有一定的聯(lián)系。擊實試驗和表面振動壓實試驗得出的室內標準最大干密度不同，因此壓實系數(shù)也不同，對現(xiàn)場壓實質量的評價也不統(tǒng)一。建議不同的試驗方法應有不同的壓實度評價標準，使得對現(xiàn)場工況的評價機制更加完善。

目前，規(guī)范對于表面振動壓實試驗儀器的控制參數(shù)沒有形成統(tǒng)一，尤其對于重要的振動參數(shù)規(guī)定范圍太寬，且儀器參數(shù)不可調，不能如振動壓路機根據(jù)不同的壓實土體和壓實階段調整最優(yōu)的振動參數(shù)。規(guī)范[3]根據(jù)馮冠慶、楊蔭華[5]的研究結果制定。馮冠慶、楊蔭華[5]取堆石料為試驗土體材料，在文中所述試驗條件下最優(yōu)表面靜壓力為14 kPa，激振力為4.214 kN，最優(yōu)振動加速度5g，最優(yōu)振幅為0.55 mm。規(guī)范[3]條文說明當土料全為粗、巨粒土時，根據(jù)土料級配特征的不同，最佳振動頻率范圍為30～50 Hz，最佳激振力為50～80 kN，最佳振動時間為3～4 min，當振至6 min左右時，干密度變化甚微，基本穩(wěn)定；規(guī)范[2]規(guī)定鋼制夯與振動電機總重在試樣表面產(chǎn)生18 kPa以上的靜壓力，儀器生產(chǎn)廠家制作的符合規(guī)范要求的表面振動儀靜壓力大多為18 kPa或者稍大于18 kPa，具體數(shù)值各不相同，由靜壓重不同引起的試驗結果偏差較大。靜壓力為18 kPa時，相當于靜載作用集中力大小為1.11 kN，當振動時規(guī)范規(guī)定作用力為10～80 kN，動作用力大小范圍是靜載作用力至少10倍以上，這與現(xiàn)場振動壓路機工況差別較大；規(guī)范[2]要求的頻率為控制范圍值，由于儀器參數(shù)不可調，不能根據(jù)被壓實土體的不同而選擇振動頻率，所以試驗結果也收到不同程度的影響。對于振幅這一重要參數(shù)，規(guī)范[2]也未作要求，室內試驗參數(shù)標準層次不齊，不能形成統(tǒng)一的標準。鑒于振動壓路機工作參數(shù)的控制方法(控制名義參數(shù)如表示)，室內表面振動儀可通過名義參數(shù)來進行控制，確定是否能夠達到試驗要求(表5)。

表5 振動壓路機的名義參數(shù)取值范圍

2 結論與展望

(1)通過對表面振動壓實試驗壓實過程機理分析，鋼制夯對土體的動作用力是影響壓實效果的直接作用力，動作用力大小不僅與儀器的參數(shù)控制有關，也與被壓實土體有關。室內試驗的振動參數(shù)應與現(xiàn)場工況相關聯(lián)，并進一步確定較小的最優(yōu)取值范圍。

(2)室內試驗的最有效壓實時間為1 min，合理振動壓實時間為3 min。若動作用力不足以破壞已形成密實狀態(tài)下土體的抗剪強度而重新形成更加密實的結構，振動時間增多不會增加壓實效果，反而會在壓實土體表面形成顆粒離析，降低壓實質量。