压实方法对粗粒料最大干密度的影响研究

曹 敏

(1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；2.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江杭州310020)



压实方法对粗粒料最大干密度的影响研究

曹 敏1，2

(1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；2.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江杭州310020)

压实方法是影响粗粒料最大干密度的主要因素之一，采用二维颗粒流程序对振动台法、表面振动器法及现场振动碾压实法3种压实方法进行了数值模拟，研究压实方法对最大干密度的影响。结果表明，压实方法对粗粒料最大干密度的影响不容忽视。振动台法和表面振动器法最大干密度不同的主要原因是振动加速度和附加盖重作用机理不同；而表面振动器法和现场振动碾压实法最大干密度不同的主要原因是碾压速度和试样尺寸不一致。当利用室内极值干密度试验结果评价现场压实效果时，应注意以上因素的影响。

粗粒料；最大干密度；压实方法；颗粒流

0 引 言

密实度是影响粗粒料缩尺效应的一个主要因素，受到许多研究者的关注。影响粗粒料最小和最大干密度的因素主要有颗粒级配、颗粒形状及压实方式等。史彦文[1，2]、郭庆国等[3]、朱崇辉等[4]通过试验证实了密实度缩尺效应的存在；朱俊高等[5]则从缩尺方法的角度进行了研究；T.L.Youd[6]、E. A. Dickin[7]研究了颗粒形状对密度的影响；冯冠庆等[8]、傅华等[9]研究了压实方法及压实参数对密度的影响；朱晟等[10]采用数值方法研究了密实度缩尺效应的细观机理。然而，目前尚无研究者对现场振动碾压实与室内压实方法进行对比研究，不同压实方法下最大干密度产生差异的原因也没有十分明确。本文采用数值试验的方法，对振动台法、表面振动器法和现场振动碾压实3种压实方法进行了模拟，重点研究压实方法对粗粒料最大干密度的影响。

1 试验方法和过程

1.1 试验方法和基本假定

采用基于离散单元法(DEM)原理的二维颗粒流程序(PFC2D)来模拟粗粒料的最大干密度试验。PFC2D在岩土工程中的有效性已经被多数研究者验证[11]，其在模拟散粒体材料方面具有独特的优势，已经成为研究粗粒料缩尺效应的有效工具。

假定粗粒料颗粒形状为圆形，且在压实过程中不产生颗粒破碎。本文仅研究压实方法这一个因素的影响，暂不考虑颗粒形状、颗粒破碎等因素的影响。另外，粗粒料中含水量对最大干密度影响很小，实际碾压时，添加水的主要目的是提高颗粒间润滑性，尽快达到压实效果，故数值模拟时不考虑水的作用。

1.2 试验级配和参数

试验级配采用Talbot曲线，级配指数0.6，最大粒径dmax=60 mm，最小粒径dmin=1 mm。参数取值见表1。

表1 试验参数取值

对象法向刚度kn/109N·m刚度比kn/ks颗粒密度ρs/g·cm-3颗粒间摩擦系数μp颗粒52.632.700.6侧墙0.51.00—0.0加载板501.00—0.0

1.3 数值试验过程

采用PFC2D模拟振动台法、表面振动器法及现场碾压法3种压实方式，重点研究不同压实方式下试样的压实效果。试验方案见表2。为了排除仪器尺寸影响，表面振动器法和振动台法仪器尺寸一致，与规范建议值稍有出入。

表2 压实方法数值模拟试验方案

压实方式仪器尺寸/cm压实参数直径高度频率/Hz振幅/mm激振力/N附加荷重/kPa最大粒径/mm振动台法3034401—1460表面振动器法303440—53961460现场碾压法60940—53961460

(1)振动台法。给底部“墙体”指定的频率和振幅，通过位移正弦或余弦函数实现振动效果，顶部蓝色颗粒簇为指定压强的附加荷重。

(2)表面振动器法。顶部和两侧“墙体”保持固定，顶部蓝色颗粒簇除了具有指定重量的附加荷重的作用外，同时给予其具有指定频率的正弦或余弦激振力函数，激振力幅值采取规范值。

(3)现场碾压法。现场碾压试验场地长度与颗粒最大粒径比值为10，厚度与颗粒最大粒径比值取1.5，碾轮直径与颗粒最大粒径比值为2.0。数值试验尺寸采用上述相同比值，当颗粒最大粒径为60 mm时，长度为600 mm，厚度为90 mm，碾轮直径为120 mm。碾压速度根据同一应变率取值，现场碾压速度在2.0～5.0km/h之间，如果取3.6 km/h，则本文应取0.36 km/h(本文场地与现场场地尺寸比为1/10)，即0.1 m/s。现场碾压时，碾压部分前后均有较多粗粒料堆放，一定程度上限制了颗粒变形，故在数值模拟中采用两个“墙”来反映。现场振动碾压实法的实现过程为：碾压场地尺寸、颗粒最大粒径及碾轮直径均与实际尺寸保持几何相似，振动碾重量通过控制蓝色大颗粒密度实现，前进速度通过给予蓝色大颗粒水平速度实现，激振力的实现方式与表面振动器法一致。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

采用3种压实方法压实前、后的试样如图1所示。将最大干密度转化为孔隙率后，振动台法试样最小孔隙率为0.098，表面振动器法为0.113，现场碾压法为0.127。以表面振动器法试样为参考标准，则振动台法孔隙率小13%左右，而现场碾压法则大10%左右，可见不同压实方法得到的最小孔隙率差别是比较明显的。

图1 压实前、后试样示意

2.2 结果分析

2.2.1 表面振动器法和振动台法

图2是压实过程中，配位数(每个颗粒与周围颗粒的平均接触数)与压实时间的关系曲线。由图2可见：①整个压实过程中，振动台法配位数均高于表面振动器法；②与表面振动器法相比，振动台法中配位数更早趋于收敛。配位数是表征试样密实程度的一个有效指标(已经被研究者证实[10])。同一试样配位数越高，则试样越密实，故配位数的变化反映了试样密实程度的变化过程。可见，无论从最终的最大干密度(或最小孔隙率)，还是达到最大干密度的时间，振动台法的压实效果均优于表面振动器法。

图2 配位数与压实时间关系

经计算，振动台法的最大振动加速度为63.16 m/s2(即6.44g)；表面振动器法的最大振动加速度为12.54 m/s2(即1.28g)。可见，二者的最大振动加速度差别非常大。振动加速度对最大干密度的影响已经被研究者[12]证实。将振动台法的振动加速度取值与表面振动器法一致，即1.28g，则振动台的振幅为0.2 mm。补充进行了频率40 Hz、振幅0.2 mm的振动台法最大干密度试验，得到的最小孔隙率为0.104，与表面振动器相差8%，与之前的13%相比，差异减小。说明除振动加速度外，仍有其他因素影响试样的最大干密度。

导致振动台法和表面振动器法干密度不同的另一个因素是附加荷重。振动台法中，振动加速度仅为频率和振幅的函数，与附加荷重无关。附加荷重仅起到静压作用，这有利于试样压实。附加荷重越大，试样干密度就越大，此结论在文献[8]中得到证实。而表面振动器法中，附加荷重与振动加速度成反比，附加荷重越大，振动加速度越小。此时，试样最大干密度与附加荷重之间不再是单调的递增关系，而是存在一个最佳附加荷重，此时对应的试样最大干密度最大，大于或小于此最佳附加荷重时，试样最大干密度均变小。另外，从附加荷重对试样的静压效果来看，由于附加荷重会随着振动器一起振动，因此，在一个周期内，有一半时间，附加荷重会产生竖直向上的运动，此时对试样的静压效果会大打折扣，甚至没有静压作用。从这个角度讲，表面振动器法测得的最大干密度应比振动台法小。

2.2.2 表面振动器法和现场碾压法

表面振动器法和现场碾压法的压实机理是一致的，即压实能量从试样表面向下部传播，因此，认为表面振动器法更能真实反映现场密度。但根据本文计算结果发现，即使二者采用相同的级配和最大粒径以及相同的振动频率、激振力、附加荷重，得到的最小孔隙率也有差别，在10%左右。分析可知这两种方法的区别为：①试样尺寸。表面振动器法试样径径比(试样筒直径/颗粒最大粒径)为5.0，高宽比为1.13；而现场碾压法试样径径比为10，高宽比为0.15。②碾压速度。表面振动器法无论在什么时刻，均是全表面受到压实，碾压速度相当于0；而现场碾压法在某一时刻，仅在碾轮作用范围内的颗粒受到压实，为部分表面受到压实，因此，碾压速度是影响试样干密度的一个重要因素。

为了进一步研究碾压速度对干密度影响，进行了碾压速度分别为0.4、0.8、1.0、1.2、1.5 m/s，共5组现场碾压试验。试验结果见图3。由图3可知，最小孔隙率与碾压速度关系密切，且近似符合线性关系。当碾压速度为0时，孔隙率为0.117。此时，最小孔隙率基本接近表面振动器法的0.113，差值仅3.5%。可知，碾压速度是现场碾压法和表面振动器法最大干密度(或最小孔隙率)产生差异的主要因素，因此，当采用表面振动器法得到的干密度评价现场压实效果时，应考虑碾压速度的影响。

图3 最小孔隙率与碾压速度关系

3 结 论

本文利用PFC2D分别模拟了振动台法、表面振动器法及现场振动碾压实法3种压实方法，进一步研究了压实方法对粗粒料最大干密度的影响，得到了以下结论：

(1)即使粗粒料的级配和最大粒径一致，不同压实方法得到的最大干密度也不同。

(2)振动台法和表面振动器法最大干密度不同的主要因素是振动加速度和附加盖重。

(3)表面振动器法和现场振动碾压实法最大干密度不同的主要因素是碾压速度和试样尺寸。

[1]史彦文. 大粒径砂卵石最大密度的研究[J]. 土木工程学报， 1981 (2)： 53- 58．

[2]史彦文. 大粒径粗粒坝料填筑标准的确定及施工控制[J]. 岩土工程学报， 1982 (4)： 78- 93．

[3]郭庆国， 刘贞草. 确定大径粗粒土最大密度的近似方法[J]. 西北水资源与水工程， 1992， 3(1)： 12- 21．

[4]朱崇辉， 严宝文， 刘俊民， 等. 超粒径粗粒土最大干密度试验研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2007， 26(S2)： 4090- 4094．

[5]朱俊高， 翁厚洋， 吴晓铭， 等. 粗粒料级配缩尺后压实密度试验研究[J]. 岩土力学， 2010， 31 (8)： 2394- 2398．

[6]YOUD T L. Factors Controlling Maximum and Minimum Densities of Sands[C]∥Seventy-fifth Annual Meeting of ASTM. Los Angeles： American Society for Testing and Materials. 1972： 98- 112．

[7]DICKIN E A. Influence of Grain Shape and Size upon the Limiting Porosities of Sands[C]∥Seventy-fifth Annual Meeting of ASTM. Los Angeles： American Society for Testing and Materials. 1972： 113- 120．

[8]冯冠庆， 杨荫华. 堆石料最大指标密度室内试验方法的研究[J]. 岩土工程学报， 1992 (5)： 37- 45．

[9]傅华， 凌华， 张亚丽， 等. 堆石料制样方法对其强度和变形特性影响[J]. 郑州大学学报： 工学版， 2012， 33(5)： 49- 52．

[10]朱晟， 王永明， 翁厚洋. 粗粒筑坝材料密实度的缩尺效应研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2011， 30(2)： 348- 357．

[11]王永明， 任金明， 武利强， 等. PFC模拟筑坝粗粒料力学特性的有效性分析[J]. 水电能源科学， 2012， 30(10)： 72- 75．

[12]BRAND E W. Some Observations on the Control of Density by Vibration[C]∥Seventy-fifth Annual Meeting of ASTM. Los Angeles： American Society for Testing and Materials. 1972： 121- 132．

(责任编辑 王 琪)

Study of the Influence of Compaction Methods on Maximum Dry Density of Coarse-Grained Material

CAO Min1,2

(1. Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary, Hangzhou 310020, Zhejiang, China;2. Zhejiang Key Laboratory of Hydraulics Disaster Prevention and Mitigation, Hangzhou 310020, Zhejiang, China)

The compaction method is one of important factors which affect maximum dry density of coarse-grained material. Three compaction methods of vibrating table method, surface vibrator method and field-compaction method are simulated by using 2-D Particle Flow Code to study the influences of compaction method on maximum dry density of coarse-grained material. The results indicate that the influence cannot be ignored. The main reason of different maximum dry density between vibrating table method and surface vibrator method is different act mechanism between vibration acceleration and additional weight, and the reason between surface vibrator method and field-compaction method is different rolling velocity and sample dimensions. So, above influence should be considered when determining field-compaction effect according to the results of indoor dry density tests．

coarse-grained material; maximum dry density; compaction method; particle flow

2015- 11- 22

水利部公益性行业科研专项项目(200901065)；浙江省属科研院所专项(2013F10050)

曹敏(1978—)，女，浙江湖州人，高级工程师，从事水利工程质量检测与科学研究工作．

TV4

A

0559- 9342(2016)06- 0039- 03