砂类土的干压实特性及振动碾压施工控制研究

童申家，杨 眉，随素珍

(1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055；2.陕西国际商贸学院信息与工程学院，陕西 咸阳 712046）

内蒙古西北地区气候干燥，水资源匮乏，但常用的路基湿压实技术消耗大量水资源，造成经济浪费.而路基的干压实技术是在含水量较低的情况下对土进行压实，并达到较好的压实效果，取得了较好的经济效益.针对干压实问题，陈忠达[1]、李万鹏[2]、杨人凤[3]和袁玉卿[4]等一些学者也进行了大量研究，证明了风积沙干压实和湿压实双重特点，验证了干压实技术实现的可能性.风积沙的干压实理论已经相对成熟，然而针对其他土样是否也具有类似的干压实特点的问题，相关的研究和文献比较少，本文通过室内击实试验，验证了内蒙古西北地区的土样也具有干压实特性.进而通过室内干压实试验对该地区三种土样干压实性能进行研究，并结合碾压施工机具的衡量给出相适应的碾压遍数，以期对今后相似地区的路基修建与施工提供借鉴.

1 土样基本特性

1.1 土样的颗粒组成

本文中三种土样均采自依托工程沿线，土样1取自赛汉陶来-三道明水路段，土样2取自苏宏图-雅干路段，土样3取自乌力吉-苏宏图路段，采用筛分试验对三种土样进行对比分析可得，土样1的砾粒组质量百分数为32.4%，土样2为24.9%，土样3为35.4%，均小于总质量的50%，由此可得本文中的三种土样均为砂类土.

筛分法得三种土样的粒径级配累计曲线如下图1所示.

图1 土样1，2，3的粒径级配累计曲线Fig.1 The particle size cumulative curve of soil sample 1,2,3

根据筛分结果以及不均匀系数、曲率系数的计算结果对三种土样进行分析可得，土样1属于级配不良砂，记为SP；土样2称为含细粒土砂，记为SF；土样3属于级配良好砂，记为SW.

1.2 土样的各项物理力学性能

根据《公路土工试验规程》[5]的相关规定，分别采用烘干法、直剪法以及液限和塑限联合测定法对三种土样的含水率、粘聚力、内摩擦角等各项物理力学指标进行测定与计算，结果如表1所示.根据表1的结果可得到以下结论：

(1)三种土样的天然含水率和风干含水率均很小，这与内蒙古西北地区干旱少雨的气候特征有关；

(2)土样1、3符合砂土的特性，粘聚力c值近似为0，内摩擦角φ值也较为接近，而土样2较为特殊，粘聚力c值较大，内摩擦角φ值较土样1、3偏小，这与土样2细粒组含量多有关；

(3)根据《公路自然区划标准》(JTJ003-86)的相关规定，内蒙古西北地区属于VI区，该区土质砂干燥状态路基的下限稠度wc0=2.00，对比3种土样的天然稠度值可得，该依托工程沿线的路基均处于干燥状态.

表1 土样的各项物理力学指标Tab.1 The physical and mechanical indexes of soil sample 1,2,3

1.3 土样的击实试验

图2 土样1，2，3击实曲线Fig.2 The compacting curve of soil sample 1,2,3

根据《公路土工试验规程》[5]规定的方法，路基的室内击实试验均采用重型击实试验，其中土样1、3采用II-2类别（大筒击实），击实次数为98次，分3层，土样2采用II-1类别（小筒击实），击实次数为27次，分5层，试验结果如上图2.

对试验结果进行分析，可以看出：以上三种土样的击实曲线呈横写S型，随着含水率的增大，土的干密度出现了两个峰值，说明这三种土样均有类似于风积沙的特性，具有干压实和湿压实双重特点.内蒙古地区气候干燥，水资源匮乏，这三种土样的击实特性为干压实技术的实现提供理论依据.

2 室内干压实试验

击实曲线的双峰性说明土样具有干压实特性，而针对干压实技术的具体实现、如何能达到更大的压实度的问题，本文通过室内干压实试验来进行研究，使土样在节省水资源消耗的前提下，获得较好的压实效果，从而提高经济效益.

2.1 击实次数（击实功）的影响

击实功是影响击实效果的重要因素之一，而击实功与击实筒的尺寸、锤重、落高、分层制样的层数和每层锤击数等技术参数有关，单位体积击实功的表达式为式（1）[6]：

式中：Ec为单位体积击实功，kJ/m3；We为击锤重量，N；We=锤重(kg)×重力加速度(N/kg)；H为击锤落高，cm；Ne为土层数；Nb为每层土的击数；V为击实筒体积，cm3.

单位击实功的表达式中的各个技术参数均会影响击实功的大小.本文室内干压实试验采用改变Nb（每层土的击数）的方式来改变击实功的大小，从而得到击实次数与土样的密度的关系.Nb（每层土的击数）越大，Ec（单位体积击实功）越大.

2.2 室内干压实试验结果及分析

土样均采用风干土进行干压实，土样1、3采用II-2类别标准重型击实，击实层数为3层，大筒.土样2采用II-1类别标准重型击实，击实层数为5层，小筒.保持风干土的含水率不变，通过改变每层土的击数来变化击实功的大小，得出风干土的干密度与击数（击实功）的关系.

土样1、3的试验结果见表2及图3.可以看出，在一定的范围内随着每层土的击数的增大，即击实功的增大，土的密度也随之增大.超过范围后，土样的密度恒定在某值，不再随着击实次数的增大而变化.由试验数据得出，土样1的最佳击实次数为110 次，此时对应的密度达到最大值2.18 g/cm3，击实功为3 008.2 kJ/m3.土样3的最佳击实次数为90次，此时对应的密度达到最大值2.15 g/cm3，击实功为2 461.3 kJ/m3.

表3和图4给出了土样2密度随每层土的击数的变化.可见，密度随着每层土的击数先增大，达到最大值后又有一定幅度下降，呈现“橡皮现象”，这与土样2中＜0.075 mm的颗粒较多有关.由试验数据得出，土样2的最佳击实次数为25次，此时对应的密度达到最大值2.07 g/cm3，击实功为2 488.1 kJ/m3.

表2 土样1、3击实试验（风干状态）Tab.2 The compacting test of soil sample 1 and 3(in the weathered state)

图3 土样1、3击实试验（风干状态）Fig.3 The compacting test of soil sample 1 and 3(in the weathered state)

图4 土样2击实试验（风干状态）Fig.4 The compacting test of soil sample 2(in the weathered state)

表3 土样2击实试验（风干状态）Tab.3 The compacting test of soil sample 2 (in the weathered state)

3 现场施工碾压控制

通过上述的室内干压实试验，分别得到了三种土样的最大干密度以及最佳击实功.而在实际路基工程施工过程中，如何根据振动压路机特性确定碾压合理的次数从而使路基土达到最大干密度，始终是路基工程中干压实技术领域亟待解决的问题.本文将室内干压实试验中土样击实功转化为压路机振动压实能量，借此建立了室内干压实试验与现场施工机具的转换关系，得到了适用于不同吨位碾压机具的碾压方案.

3.1 施工机具型号及参数

以徐工集团生产的一组单钢轮振动压路机为例来进行分析，压路机型号及参数见表4.

表4 单钢轮振动压路机型号及参数Tab.4 The types and parameters of single drum vibratory rollers

3.2 施工机具振动击实能量与室内干压实试验击实功转换

单钢轮振动压路机振动压实能量可根据式（2）计算[8].

式中：E为振动压实能量，kJ/m3；η为一种碾压时的重叠宽度系数，取1.25；Fo为激振力，kN；Wz为振动轮部分的重量，kN；Kp为振动作用力的作用系数；Kp=1.7-Fo/10Wz；Ao为理论振幅，m；f为频率，Hz；v为行驶速度，取v=2 km/h=0.56 m/s；B为振动轮宽度，m；h为每层松铺厚度，m；n为碾压遍数.计算时忽略能量损失，假定室内试验击实功Ec=振动压路机振动压实能量E.

3.3 压实度选择

对于高速公路和一级公路而言，路床土的压实度≥96%[9]，上路堤土≥94%，下路堤土≥93%[10].实际施工中，可根据不同层位进行选择与计算.

3.4 碾压遍数与松铺厚度分析

对公式（2）进行分析，其中可变的参数为碾压遍数n与每层松铺厚度h，而这两个参数也是控制施工机具工作的重要参数.根据《公路路基施工技术规范》[11]中对松铺厚度的规定，本文选取松铺厚度范围为0.3～0.5 m，以0.02 m为递增区间.根据下式（3）求出碾压遍数n.

式中所有参数定义均见公式（2）.

以土样1为例，假定土样主要用于上路堤的铺筑，即压实度≥94%，取94%进行计算.室内干压实试验中最大密度为2.18g/cm3，根据压实度计算公式，可算得工地上实际达到的密度ρ工地=2.18×94%=2.05g/cm3，此时对应的击实功Ec可取1 093.9 kJ/m3，取整Ec=1 100 kJ/m3，根据能量转换假定取E=Ec=1 100 kJ/m3.其余参数均参照徐工单钢轮振动压路机参数进行计算，计算结果如表5所示.

表5 不同吨位下机具的松铺厚度与碾压遍数Tab.5 The slackly lay thickness and rolling times of construction machines with different tonnage

4 结论

对内蒙古西北地区的砂类土进行了室内干压实试验和现场施工碾压控制的研究，最后得到以下结论：

(1)土样的击实曲线呈现S型，出现了两个峰值，这说明这三种土样均有类似于风积沙的特性，具备了干压实和湿压实双重特性.

(2)在室内干压实试验中，得到了三种土样的最佳击实功以及最大干密度值，并得出土样1、3在一定的范围内随着每层土的击数的增大，即击实功的增大，土的密度也随之增大.土样2的击实曲线中，密度随着每层土的击数先增大，达到最大值后又有一定幅度下降，呈现“橡皮现象”.

(3)建立室内干压实试验与现场施工机具的转换关系，将土样击实功转化为压路机振动压实能量，从而得到了适用于不同吨位碾压机具的最佳碾压方案.

References

[1]陈忠达,张登良.塔克拉玛干风积沙工程特性[J].西安公路交通大学学报,2001,21(3): 1-4.CHEN Zhongda,ZHANG Dengliang.The engineering property about aeolian sand in Takalimakan[J].Journal of Xi'an Highway University,2001,21(3): 1-4.

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[11]中华人民共和国交通部.公路路基施工技术规范: JTG F10-2006[S].北京: 人民交通出版社,2006.Ministry of Communications of the P.R.China.Technical specifications for construction of highway subgrades: JTG F10-2006[S].Beijing: China Communications Press,2006.