葉陽升，陳曉斌，惠瀟涵，蔡德鉤，堯俊凱，金亮星

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；3.中南大學 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育局重點實驗室，湖南 長沙 410075；4.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路路基填料以粗粒土為主，具有強度高、穩(wěn)定性好的特性，其壓實質(zhì)量是確保高速鐵路路基平穩(wěn)運行的關(guān)鍵因素。振動壓實法是路基填筑的常用方法[1]，具有效率高、穩(wěn)定性好、傳播深度深等優(yōu)點。已有研究表明，選擇合理的振動參數(shù)能使粗粒土填料達到最佳密實狀態(tài)；而顆粒破碎是粗粒土的基本特性之一，在振動壓實作用下,由于粗顆粒骨架點接觸的特點容易造成顆粒破碎現(xiàn)象[2]，粗顆粒間主要以點接觸為主，在振動壓實作用下，由于應力集中更加容易發(fā)生顆粒破碎現(xiàn)象，從而導致粗粒土的變形和強度特性發(fā)生改變，引發(fā)沉降變形、翻漿冒泥等工程災害。故有必要開展路基填料振動壓實特性及顆粒破碎演化規(guī)律研究，為高速鐵路路基的填筑作業(yè)提供技術(shù)參考及試驗依據(jù)。目前，針對粗粒土壓實特性的研究主要包括2個方面[2]，一是填料本身特性，包括級配、含水率、母巖強度等，二是振動參數(shù)的選取即頻率、幅值、激振時間。針對填料本身特性，馮瑞玲等[4]對8種不同級配的粗粒土展開振動壓實試驗研究，發(fā)現(xiàn)級配特性對粗粒土的壓實效果有很大影響，級配良好的土有著更好的壓實效果。吳二魯?shù)萚5]通過對16組不同級配粗粒土進行表面振動壓實試驗，引入級配曲面面積指標對壓實效果進行評價，并依次確定了粗粒土的最優(yōu)級配區(qū)間及對應級配曲線面積。杜俊等[6]對多個級配不同含水率的粗粒土進行擊實試驗，研究了粗粒含量、含水率對干密度及顆粒破碎率的影響規(guī)律；近年來，隨著智能壓實技術(shù)(IC)的提出，更多的學者針對振動壓實參數(shù)優(yōu)化展開研究，WERS?LL等[7?8]研究了振動壓路機工作頻率對碎石材料的影響，結(jié)果表明振動壓路機在接近共振的頻率下工作壓實效果最好且更加省時、節(jié)能。黃強[9]通過表面振動壓實試驗確定了粗粒土合理振動壓實時間為3 min。COMMURI等[10]提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡的瀝青壓實分析儀的方法，能夠連續(xù)預測施工過程中的密度變化；AN等[11]提出了一種基于遺傳算法對壓實參數(shù)動態(tài)優(yōu)化方法，能夠有效提高壓實效率，但優(yōu)化過程需要大量的樣本數(shù)據(jù)進行機器學習。由于現(xiàn)場測試的復雜性，南兵章等[3,12?14]根據(jù)自主研制的可調(diào)頻調(diào)幅室內(nèi)振動壓實儀，先后研究了振動參數(shù)對粉土、砂土、水泥穩(wěn)定碎石、土石混合料等填料的壓實特性，確定了靜壓力、激振力、振幅和頻率對填料干密度的影響規(guī)律，并驗證了室內(nèi)振動壓實儀的可行性。HUANG等[15]通過圖像處理技術(shù)發(fā)現(xiàn)多孔瀝青混凝土(PAC)在振動壓實過程中上部最先壓實，并發(fā)現(xiàn)振動頻率過大容易導致粗顆粒破碎。路基填料的壓實性能是路基沉降控制的關(guān)鍵指標，而影響填料壓實性能的參數(shù)非常復雜。目前對于不同類型的路基填料，尚未有廣泛適用的研究結(jié)論，需要針對具體材料具體特性開展針對性研究。對于高速鐵路B組填料這種特殊填料的振動壓實特性亟待開展專門試驗研究。本文采用室內(nèi)振動壓實儀模擬現(xiàn)場壓路機的實際碾壓過程，分析了振動頻率、激振荷載、振動次數(shù)等因素對高速鐵路B組填料粗粒土的干密度和破碎特性的影響，基于振動壓實機理對試驗結(jié)果進行了探討，并確定了高速鐵路B組填料粗粒土的合理振動參數(shù)范圍。研究結(jié)論可為高速鐵路B組填料粗粒土現(xiàn)場碾壓作業(yè)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

試驗材料取自某高鐵路基B組填料，為保證試驗土樣級配與現(xiàn)場一致，通過對現(xiàn)場取得的200 kg填料進行顆粒篩析，得到現(xiàn)場基床底層填料級配，但由于試驗篩析出來的最大粒徑為60 mm，超過了室內(nèi)壓實筒的所允許的最大粒徑，根據(jù)《鐵路工程土工試驗規(guī)程》需剔除粒徑大于40 mm的顆粒，通過左永振等[16]對4種縮尺方法適用性探討結(jié)果，等量替代法具有保持原有粗粒、細粒含量不變的優(yōu)點，適合超徑含量小于40%的粗粒土填料。故選取等量替代法對現(xiàn)場填料進行縮尺，縮尺方法見式(1)，縮尺后級配如圖1所示，圖中，P為小于某粒徑的顆粒含量，d為粒徑。

圖1 試驗材料級配曲線Fig.1 Gradation curve of tested materials

式中：Pi為剔除后某粒組含量；Poi為原級配某粒組含量，%；Pdmax為超徑顆粒含量，%；P5為大于5 mm粒徑土含量，%。

1.2 試驗方案

試驗采用室內(nèi)振動壓實儀，能夠充分模擬現(xiàn)場振動壓路機碾壓過程。為分析頻率f，名義振幅A0，振動次數(shù)n等參數(shù)對粗粒土壓實特性的影響，設(shè)計5種頻率、3種振幅下共15種組合工況，并記錄壓實過程中干密度隨振動次數(shù)變化值。具體試驗工況如表1所示。文中采用的振幅為名義振幅，即將壓路機的鋼輪懸空所計算的振幅，計算公式如式(2)所示。

表1 試驗方案Table 1 Testing programs

式中：A0為名義振幅；MP為參振質(zhì)量；md為偏心塊質(zhì)量；e為偏心距。

2 振動壓實參數(shù)對粗粒土壓實性能的影響

2.1 振動頻率?干密度關(guān)系

為了分析振動頻率對材料壓實特性的影響，整理了不同振幅下的頻率與干密度的試驗結(jié)果，如圖2所示。

通過圖2可以看出，4種振幅下干密度隨頻率變化的趨勢保持一致，其變化趨勢可以分為3個階段：1)緩慢增加階段，當名義振幅A0較小時，粗粒土填料在激振頻率為10～20 Hz區(qū)間內(nèi)緩慢增加，當名義振幅A0較大時，粗粒土填料在激振頻率為10～15 Hz區(qū)間內(nèi)緩慢增加，這是由于當激振頻率較低時，顆粒保持在初始位置振動，導致細顆粒不能充分填滿孔隙。2)迅速增加階段，粗粒土填料干密度隨激振頻率迅速增加，粗粒土填料振動響應明顯，細顆粒易偏離初始位置能夠充分填滿孔隙，土體結(jié)構(gòu)逐漸密實。同時當振幅較大時由于振動強度增加填料在較低頻率便能進入迅速增加階段。3)最優(yōu)振動頻率階段，此階段相比低頻壓實，土體結(jié)構(gòu)更加密實，干密度隨激振頻率增加的變化逐漸變緩，但存在一最優(yōu)頻率使得干密度出現(xiàn)最大值，此時激振頻率接近粗粒土填料的固有頻率，從而引起共振現(xiàn)象，提高振動壓實效果，使得粗粒土填料達到最佳密實狀態(tài)[9]，并確定試驗土樣最佳振動頻率為25～30 Hz，這一結(jié)果與現(xiàn)場壓路機作業(yè)的振動頻率[17]一致，說明試驗所用儀器能很好的模擬現(xiàn)場壓路機碾壓作業(yè)。

圖2 不同振幅下頻率與干密度間關(guān)系Fig.2 Relationship between frequency and dry density with different amplitude

同時分析頻率和振幅對干密度影響程度的敏感性，以頻率為25 Hz為例，壓實后干密度隨幅值變化依次為4.8%，1.0%；以幅值為0.3 mm為例，壓實后干密度隨頻率變化依次為3.6%，4.1%，9.7%，1.7%，由此可見，頻率對壓實后干密度的影響更大。

2.2 激振荷載?干密度關(guān)系

土體在有限空間內(nèi)發(fā)生剪切破壞顆粒重新排列的過程，就是土體密實的過程[18]。粗粒土振動壓實過程可以簡化為，土體受到循環(huán)作用的激振力，引起循環(huán)剪切應力，使土體發(fā)生周期性顆粒重新排列而壓實的過程。

激振力是由2個對稱分布的偏心塊高速旋轉(zhuǎn)的離心力帶動激振頭上下運動所產(chǎn)生。激振力與振動頻率、偏心塊質(zhì)量、偏心距有關(guān)，具體計算公式如式(3)所示[19]。

式中：F為激振力；f為激振頻率。

施加到土體上的激振荷載Ps如式(4)所示，得到激振荷載與干密度間關(guān)系，如圖3所示。

圖3 激振荷載與干密度間關(guān)系Fig.3 Relationship between excitation force and dry density

式中：S為激振頭與擊實筒的接觸面積。

根據(jù)圖3結(jié)果可以看出，當振動頻率在10～30 Hz區(qū)間時，隨著激振荷載的增加干密度存在一包絡區(qū)域。處于上包絡線上對應此激振荷載作用下最優(yōu)振動頻率，相反下包絡線代表激振荷載的振動頻率最低值。以Ps=50 kPa為例，可以看出，在包絡區(qū)域內(nèi)，試樣干密度由大到小對應的頻率依次為25，30，20和15 Hz，使得干密度最大頻率恰好處于最優(yōu)頻率區(qū)間25～30 Hz。

對比水平向關(guān)系可以看出，干密度隨激振荷載的增加呈“S”型增長，即緩慢增加?迅速增加?趨于平穩(wěn)3個階段，“S”型曲線的2個拐點分別記為第1臨界荷載(CL1)和第2臨界荷載(CL2)。以下包絡線為例，第1臨界荷載CL1約為20 kPa，當激振荷載小于此臨界荷載時，此時粗粒土填料受到的動應力較小，顆粒振動響應較弱，此時壓實主要是由于靜載作用。當激振荷載大于第1臨界荷載CL1時，顆粒振動響應增強，使得土顆粒之間相互摩擦減小，填料能夠得到有效壓實；當激振荷載繼續(xù)增大超過第2臨界荷載L′2時，約為110 kPa，此時土體已達到穩(wěn)定密實結(jié)構(gòu)，干密度的增長趨于平穩(wěn)，且由于荷載較大，粗顆粒容易發(fā)生破碎導致填料級配發(fā)生改變。對于上包絡線往往在較小的激振荷載下便能達到穩(wěn)定密實結(jié)構(gòu)，這是由于填料的固有頻率與振動頻率接近，發(fā)生共振現(xiàn)象，使得實際振幅增大，顆粒間更加容易發(fā)生重新排列。

綜上所述，確定路基填料最優(yōu)振動參數(shù)時，需同時滿足2個條件：1)振動頻率為土體最優(yōu)振動頻率，2)激振荷載需大于第2臨界荷載。

2.3 振動次數(shù)—干密度關(guān)系

為了研究振動次數(shù)對土體壓實特性的影響，對振動次數(shù)與干密度的試驗數(shù)據(jù)進行了分析。壓實過程中干密度隨振動次數(shù)變化如圖4所示，具體劃分標準如圖5所示。

圖4 不同頻率下振動次數(shù)與干密度間關(guān)系Fig.4 Relationship between vibration times and dry density with different frequencies

粗粒土填料在不同頻率壓實過程中干密度變化隨振動次數(shù)均呈現(xiàn)對數(shù)增長，壓實速率隨干密度的增加逐漸變緩。對比不同頻率壓實穩(wěn)定所需振動次數(shù)，發(fā)現(xiàn)當頻率越大所需振動次數(shù)越多，這是由于頻率較大時往往能夠達到較大干密度，所需能量增加，故需要更多振動次數(shù)。當振動頻率為最優(yōu)振動頻率區(qū)間時，即f∈[25 Hz,30 Hz]時，合理振動次數(shù)n應為[2 500,5 000]，對應振動時間t為100～200 s之間。

圖5中還顯示出不同振動頻率下干密度與振動次數(shù)增加關(guān)系存在相同趨勢，故對不同振動頻率下壓實階段進行統(tǒng)一劃分。首先對振動次數(shù)和干密度做歸一化處理，計算公式如式(5)和式(6)。

式中：i為當前壓實狀態(tài)；Δρi為i狀態(tài)的干密度增量；Δρmax為干密度最大增量；記為i狀態(tài)的相對干密度；ni為i狀態(tài)的壓實次數(shù)；nmax為壓實穩(wěn)定時最大壓實次數(shù)；記為i狀態(tài)相對壓實次數(shù)。

歸一化處理后不同壓實頻率下，相對干密度ρ*與相對壓實次數(shù)n*關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同頻率下n*-間關(guān)系Fig.5 Relationship between n*andwith different frequencies

根據(jù)圖5，不同壓實頻率下相對干密度ρ*隨相對壓實次數(shù)n*增長均呈線性?非線性?線性的增長規(guī)律。根據(jù)ρ*將壓實過程分為3個階段。當ρ*＜0.6時，為階段Ⅰ，此階段相對干密度與相對振次間呈快速線性增加。此時，材料結(jié)構(gòu)松散，沒有形成牢固的骨架，抵抗整體變形的能力主要由顆粒間摩擦力提供。由于此時激振力產(chǎn)生的剪應力大于填料變形抗力，故振次與干密度能保持線性關(guān)系，并迅速將填料壓密；當0.6≤ρ*＜0.9時，為階段Ⅱ，此階段材料結(jié)構(gòu)逐漸密實，顆粒間摩擦力逐漸增大并且逐漸形成牢固的骨架。此時填料抵抗變形的能力逐漸增加，ρ*隨n*的變化速率逐漸變緩，振次與干密度的關(guān)系逐漸由線性向非線性轉(zhuǎn)變；0.9≤ρ*時，為階段Ⅲ，此階段相對干密度與相對振次間呈緩慢線性增加，材料結(jié)構(gòu)達到相對密實狀態(tài)，干密度變化趨于平穩(wěn)。激振力產(chǎn)生的剪應力已難以克服顆粒間摩擦力以及顆粒骨架間的支持力，振次與干密度關(guān)系的非線性減弱，干密度極少量增加，看作是由于粗粒土在振動壓實作用下發(fā)生顆粒破碎，破碎后的細顆粒進一步填充了粗粒土骨架孔隙，造成密實度增加[20]。

3 顆粒破碎對粗粒土壓實性能的影響

3.1 級配演化特性

統(tǒng)計粗粒土在不同激振頻率下振動壓實后級配如圖6所示，根據(jù)級配曲線可以看出擊實后各粒徑篩孔的通過率皆呈增大趨勢，并且隨著頻率的增加，級配的變化程度也逐漸增大。

圖6 不同頻率下振動壓實前后級配曲線Fig.6 Gradation curves before and after vibration compaction with different frequencies

級配的改變引起各粒徑組質(zhì)量同樣發(fā)生改變，為分析頻率對級配變化的影響，引入質(zhì)量變化率(RMC)對各粒徑含量變化展開分析，RMC計算公式如式(7)所示，其中RMC為正值代表顆粒含量增加，RMC為負值代表顆粒含量減少。

式中：Mi為擊實后某粒組含量，g；Moi為試驗級配某粒組含量，g。

根據(jù)圖7結(jié)果顯示，當頻率為10 Hz時，此時頻率較低各粒徑RMC值變化均比較小，主要是由于頻率較低時，所受到的峰值應力較低，顆粒很少破碎。當振動頻率為15～30 Hz時，試樣在壓實前后各粒徑含量均出現(xiàn)明顯變化，對于20～40 mm顆粒RMC值均為負，且隨頻率的增大RMC值逐漸減小；10～20 mm和5～10 mm粒徑組范圍內(nèi)RMC值均為正，即破碎造成的質(zhì)量損失小于由較大粒徑組破碎增加的質(zhì)量，故而導致顆粒含量增加；同理2～5 mm間RMC值為負，即破碎造成的質(zhì)量損失大于由較大粒徑組破碎增加的質(zhì)量，故而導致顆粒含量減小；而對于小于2 mm顆粒，可以看出RMC值趨于一個穩(wěn)定值，不隨頻率的改變而改變，證明了破碎后細顆粒含量的有界性[21]，可以為振動壓實級配演化過程提供參考。

圖7 不同頻率下粒徑RMC變化Fig.7 Variations of particle RMC with different frequencies

3.2 顆粒破碎特性

為進一步描述振動壓實作用下粗顆粒破碎特性，在振動頻率為25 Hz，名義振幅為0.3 mm，振動時間4 min工況下進行壓實，并通過染色追蹤的方法對粗顆粒進行標記，待壓實后統(tǒng)計各粒徑顆粒破碎質(zhì)量，并根據(jù)GUYON[22]提出的分類方法，對顆粒破碎的類型進行劃分為破裂、破碎和研磨3種形式，如圖8所示。

圖8 顆粒破碎類型示意圖Fig.8 Sketch map of particles breakage types

圖9(a)和圖9(b)分別展現(xiàn)出成型后試樣的橫剖面及縱剖面，可以看出染色粗顆粒間并未直接接觸，而是由細顆粒填充于粗顆粒之間，即懸浮密實型組構(gòu)[23]，因此未形成以粗顆粒骨架的力鏈，導致粗顆粒間應力集中現(xiàn)象減少，難以發(fā)生粗顆粒破裂，主要以研磨、破碎類型為主。

圖9 振動壓實后試樣剖面圖Fig.9 Specimens profile after vibration compaction

為了定量描述振動壓實前后試樣的顆粒破碎程度，采用BOBBY等[24]提出的相對破碎率Br作為度量指標展開分析，計算公式如式(8)～(10)所示。

式中：d是顆粒粒徑；bp是粒徑d對應的潛在破碎可能性，bp0和bpf分別為壓實前后土體的bp值；Bp為破碎勢，Bt為破碎量；df為bp對應粒徑的篩分通過率；Br為土體的相對破碎率。

求得試樣在不同頻率下振動壓實后的破碎率Br并繪制破碎率與頻率、干密度關(guān)系圖如圖10所示，可以看出破碎率隨頻率的增大而增大，與頻率和干密度間關(guān)系呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，并在振動頻率為最優(yōu)頻率區(qū)間時破碎率出現(xiàn)最大值，說明破碎率與填料的密實程度有關(guān)，即干密度越大，顆粒破碎率越大，但破碎量的增加往往會改變填料的物理力學性質(zhì)，所以使用最優(yōu)振動頻率對土體壓實時應考慮顆粒破碎對壓實性能造成的影響。

圖10 頻率與破碎率、干密度的關(guān)系Fig.10 Relationships between frequency and broken rates

4 結(jié)果討論

現(xiàn)場振動壓路機的工作參數(shù)除振動頻率、名義振幅外還包括碾壓速度、碾壓遍數(shù)；現(xiàn)場實際碾壓速度和碾壓遍數(shù)需根據(jù)室內(nèi)振動次數(shù)結(jié)果進行確定。同時現(xiàn)場施工時需注意以下事項：

1)填筑路基時，應確保填料粗細顆?；旌暇鶆?，避免出現(xiàn)粗細顆粒集中出現(xiàn)，引起路基壓實不均勻[25]。

2)確?，F(xiàn)場填料含水率為最優(yōu)含水率，防止由含水率不足或過多，引起路基欠壓實或粗細顆粒發(fā)生離析。

3)現(xiàn)場進行壓實時，應先進行1～2次靜壓使壓實度達到80%并攤鋪平整，防止振動壓路機實際振幅過大造成壓路機使用壽命減小[26]。

由于室內(nèi)條件與現(xiàn)場邊界條件的不同，室內(nèi)完全側(cè)限條件下更有利于壓實，導致試驗結(jié)果偏大，現(xiàn)場施工時需適當增加振動次數(shù)。

5 結(jié)論

1)振動擊實頻率對干密度的影響可分為3個階段：10 Hz≤f<15 Hz，緩慢增加；15 Hz≤f<25 Hz，迅速增加；25 Hz≤f<30 Hz，共振，并確定高速鐵路B組填料最優(yōu)振動頻率為25～30 Hz。

2)振動壓實激振力對干密度的影響同樣可以分為3個階段：0≤PsCL2=110 kPa。

3)振動壓實次數(shù)對干密度的影響仍然劃分為3個階段：0≤ρ*＜0.6，快速線性增加階段；0.6≤ρ*＜0.9，非線性增加階段；0.9≤ρ*<1,緩慢線性增加階段，此階段材料達到密實狀態(tài)。最優(yōu)振動頻率及激振荷載作用下，B組填料合理振動次數(shù)n為2 500～5 000次之間。

4)顆粒破碎造成的小于2 mm顆粒的RMC值趨于穩(wěn)定，證明了顆粒破碎的有界性；顆粒破碎類型以研磨破碎為主，顆粒破碎率隨頻率的增加而增加，在最優(yōu)頻率區(qū)間出現(xiàn)最大值。