击实频率对粗粒土干密度的影响研究

杨志浩，岳祖润，郭春阳

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043;2.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北石家庄 050043)

目前，粗粒土(A、B组填料和级配碎石)作为主要填料广泛应用于路基和土石坝。粗粒土是指粒径大于0.075 mm的颗粒质量大于总质量50%的粗颗粒土混合料，具有透水性强、黏结性小、抗剪强度高，沉陷变形小、压实性强等优良工程特性。粗颗粒土在路基的稳定性方面起着决定性的作用。

压实度是评价路基施工质量的重要指标，压实度不够会导致路基翻浆冒泥、不均匀变形等病害。路基填料的最大干密度与路基压实度密切相关，研究路基压实度必先研究其最大干密度。影响最大干密度的因素很多。蔡铭[1]研究了含水率、击实时间、细颗粒含量等对粗粒土最大干密度的影响;杜可耕等[2]对比了干法和湿法以及表面振动仪和振动台的振动效果;林绍凑[3]研究了不同松铺厚度、不同吨位振动压路机在粗粒土中产生的振动应力特点;朱俊高等[4]采用表面振动击实仪法，研究了激振时间及表面压重对粗粒土干密度的影响规律。王刚等[5]通过改变砾石土中粉黏粒含量，找出了不同击实方法的粉黏粒含量分界点。杨凌云等[6]进行了黏性粗粒土的击实试验研究，着重分析了击实功、粗颗粒含量对击实效果的影响;钟海辉等[7]进行了天然砂砾石基层的击实特性研究;冯忠居等[8]通过改变室内击实试验的击实参数，对影响粗粒土压实特性的相关因素进行了分析。但是，针对击实频率对粗粒土干密度的影响研究还不多。本试验应用表面振动击实仪法和振动台法研究击实频率对细圆砾土和级配碎石混合料最大干密度的影响，以期为现场压实度控制提供参考。

1 试验土样及方法

1.1 试验土样

表面振动击实仪法试验混合料取自哈齐客专现场施工路基填料，在室内进行筛分试验，然后按照《铁路路基设计规范》(TB 10001—2005)[9]配制成细圆砾土(最大粒径40 mm)和级配碎石(最大粒径45 mm)，其级配曲线如图1。

图1 表面振动仪法试验粒径级配曲线

振动台法试验混合料取自京石客运专线路基填料，分别在7个断面上取样(1#～7#)，进行筛分，其级配曲线如图2。土样混合好后加水搅拌，加水量控制为正好使橡胶板上没有自由水析出，然后静置0.5 h，使土样中水分分布均匀后，再开始填料。每个频率制备2个混合料土样，进行平行测定，取平均值。

图2 振动台法试验粒径级配曲线

7 个断面的土样中 1#，4#，6#比较典型。1#和 4#土样为碎石，6#土样为卵石。由图2可见，1#土样级配良好，4#和6#土样级配不好，但三者都属于路基现场施工A，B组填料，属于粗颗粒土的范畴，经综合考虑选此3个土样进行干密度试验。

1.2 试验设备

本试验采用的表面振动击实仪和振动台如图3所示。表面振动击实仪法和振动台法均是采用振动方法测定土的最大干密度。前者是振动作用自上表面垂直向下传递，而后者是整个土样同时受到垂直方向的振动作用。

图3 振动仪器

仪器主要参数:①表面振动击实仪功率1 kW，振动频率0～70 Hz，激振力4.2 kN。所带的钢制夯固定于振动电机上，且有一厚12.5 mm的夯板，夯板直径应略小于试筒内径约3 mm，夯与振动电机总重在试样表面产生13.8 kPa静压力。试筒成圆柱形(内径30 cm，高25 cm)，将试筒的底板固定于质量为450 kg的混凝土基础上。②振动台固定于混凝土基础上，振动台台面尺寸为550 mm×550 mm，具有足够刚度。振动台最大负荷满足承受试筒、套筒、试样、加重底板及加重块等质量的要求。振动频率0～70 Hz，双振幅3 mm。

1.3 试验方案及方法

表面振动击实仪法中，保持其他击实参数不变，只改变击实频率，击实频率分别设置为 30，35，40，45，50，55，60 Hz，分别击实求出所对应的干密度，找到频率与最大干密度的关系。同表面振动击实仪法一样采用振动台法对京石客专路基填料1，4，6断面采集的土样(1#，4#，6#)进行击实试验，击实频率分别设置为30，40，50，60，70 Hz。具体试验过程按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)[10]中表面振动击实仪法和振动台法中的湿土法进行试验。部分试验过程见图4。

图4 部分试验过程

2 试验结果与分析

2.1 表面振动击实仪法

试验测得的干密度随频率的变化曲线如图5所示。

图5 表面振动击实仪法干密度与击实频率的关系

从图5中可见，干密度随频率的增大呈现先增大后减小的趋势。频率为40～55 Hz时干密度变化较大，在该范围两侧随频率的改变干密度变化不大。细圆砾土和级配碎石的干密度在频率为50 Hz时达到最大值，小于该频率时，随着频率的增加干密度增大;大于该频率时，随着频率的增大干密度反而减小。主要是因为粗颗粒土存在一个卓越频率，击实频率接近该卓越频率时，土样与振动机械能够共振，振动效果好，得到的干密度较大。相反，远离卓越频率时得到的干密度较小。

2.2 振动台法

试验测得的干密度随频率的变化曲线如图6所示。

图6 振动台法频率与干密度的关系

由图6可见，3个断面的土样达到最大干密度时的频率不同，1#土样为 60 Hz，4#土样为 40 Hz和60 Hz，6#土样为50 Hz。4#土样出现2个峰值的原因可能为:①粗颗粒土相对于细颗粒土具有一定的离散性;②4#土样是由三相组成的物质，跟刚性结构不同，其卓越频率可能是一个区间而不是一个单纯的数值，只要在这个卓越频率区间之内，得到的干密度均较大。

以上3种粗颗粒混合料之所以达到特定的频率时干密度达到最大是因为该频率接近其卓越频率，此时振动机械和受压混合料共振，振动效果较好，颗粒之间填充较密实，因而得到的干密度最大。

3 结论

1)表面振动击实仪法的卓越频率区间为45～55 Hz。振动台法卓越频率区间为40～60 Hz。可为更合理地设计现场施工振动压实机械提供依据。

2)其他击实参数如击实振幅、锤重、击实桶径等对干密度的影响规律还有待进一步研究。只有把更多的击实参数综合考虑，才能更合理地模拟现场施工状况，科学指导现场施工。

[1]蔡铭.粗颗粒土混合料最大干密度的研究[D].石家庄:石家庄铁道大学，2010.

[2]杜可耕，李安珍.粗颗粒土混合料最大干密度及压实度试验研究[J].铁道建筑，2012(11):98-100.

[3]林绍凑.粗粒土路基振动压实效果试验及分析[J].西北探矿工程，2013(1):179-183.

[4]朱俊高，轩向阳，薄以霆.表面振动压实仪法测定粗粒土密度的影响因素[J].水利水运工程学报:自然科学版，2013(2):15-19.

[5]王刚，李志农，冯立群.粗粒土击实试验研究[J].道路工程，2011(20):61-65.

[6]杨凌云，王晓谋，尚涛.粘性粗粒土的击实试验研究[J].路基工程，2009(4):84-85.

[7]钟海辉，全凯，王技.天然砂砾石基层的击实特性研究[J].重庆交通学院学报，2005，24(3):52-55.

[8]冯忠居，张永清.粗粒土路基的压实试验[J].长安大学学报:自然科学版，2004，24(3):9-12.

[9]中华人民共和国铁道部.TB 10001—2005 铁路路基设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2005.

[10]中华人民共和国交通部.JTG E40—2007 公路土工试验规程[S].北京:人民交通出版社，2007.