粗颗粒土击实特性试验研究

(石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043)

路基现场施工过程中，振动压路机施工参数设置的合理与否对施工质量影响较大，参数设置合理，耗费很少的人力物力就能达到相应的压实度，且压实效果较好，不会出现反复压实达不到相应要求压实度的情况。如今，粗颗粒土已经被广泛应用于高填方大型土石坝构筑物、铁路路基以及公路路基的施工，粗颗粒土是指颗粒直径大于0.075 mm的质量超过总质量一半的土颗粒混合料，粗颗粒土渗透性好，土体粘结性小，抗剪强度很高，压实效果好，在保持结构物的稳定过程中发挥着极其重要的作用，目前级配碎石及细圆砾土作为路基施工的主要填料被广泛应用。在路基的修筑过程中，压实度是评价压实质量的重要指标，压实度较低，路基会出现多种病害，甚至出现整个断面的剪切破坏。要确定填筑路基的压实度，首先且最重要的是要确定路基填料的最大干密度。最大干密度的测定影响因素很多，粗粒土与细粒土的击实特性有明显不同，目前对于粗颗粒土击实特性的研究还不够完善，之前很多学者也做了不少研究工作。蔡铭[1]研究了粗颗粒土在不同含水率、击实时间、细粒土含量、超大粒径土含量条件下的最大干密度测定试验。杜可耕等[2]进行了干、湿法以及表面振动仪和振动台法的正交试验，并分析了试验数据的不同及原因。林绍凑[3]在路基施工现场，通过在不同深度土层上埋设土压力传感器，研究了松铺厚度、振动压路机吨位在粗粒土路基中的应力变化规律，为粗颗粒土的振动压实特性研究提供了理论依据；朱俊高等[4]使用表面振动击实仪研究了振动时间及锤重对粗粒土最大干密度的影响规律。杨志浩等[5]通过表面振动击实仪法和振动台方法，研究了不同击实频率下粗颗粒土最大干密度的变化规律，并得到了相应的最优击实频率；汪水银等[6]通过自行研制的振动压实仪研究了不同振幅下的粉土和水泥稳定碎石的击实试验。

综上，目前学者主要针对粗颗粒土在不同含水量、细粒含量及不同击实方法等条件下的击实干密度特性进行了研究，对粗粒土在不同击实振幅条件下的干密度变化规律只有朱俊高等[4]进行了研究，但其研究对象为粉土和水泥稳定碎石，粉土为细粒土，与粗粒土的击实特性差别很大。水泥稳定碎石虽为粗粒土范畴，但其本质为半刚性材料，击实特性与所研究的级配碎石及细圆砾土差别也很大。本试验采用自行改装的表面振动击实仪，对细圆砾土、级配碎石两种粗颗粒土进行了干湿条件、不同击实频率及振幅条件下的最大干密度测试试验，得到该2种填料的最优击实振幅，可更好地指导现场压实施工。

1 试验土样及方法

1.1 试验材料

试验用土取自石济客运专线铁路施工料场，并进行筛分试验，然后按照《铁路路基设计规范》(TB1001—2005)[7]配制成所需要的级配碎石(最大粒径为45 mm)和细圆砾土(最大粒径为40 mm)。湿法试验过程中，先将土样按照比例充分混合，搅拌均匀后再加水混合，橡胶模上刚好没有自由水流出时即为加水完成，静置0.5 h，待水分在土样中均匀分布，开始填充到试验桶内，每组不同参数试验需要同时制备2份土样进行平行试验。

1.2 试验设备

试验采用自行改造的表面振动击实仪，通过改装的频率选择表盘完成不同击实频率的设定，由于振动电机的输出功率与频率、振幅都相关，输出功率一定时，不同击实频率下的击实振幅也不同。试验中在击实桶下垫标准薄铁板并改变铁板厚度，从而达到改变击实振幅的效果。表面振动击实仪是通过上部重复施加振动荷载，对试验桶内的材料产生连续循环的冲击力，使材料颗粒之间被迫发生相互滑动，从而达到密实。

仪器主要参数如下。改装的表面振动击实仪，增大功率至3 kW，增加偏心块的质量获得更大的振幅，振动频率0～70 Hz，激振力24.6 kN。钢制夯通过竖向传动杆牢固于振动电机上，下面具有一厚度为12.5 mm的夯面板，试验桶直径比夯面板直径大3 mm，振动夯与振动电机的总质量会在试验土体表面产生36.8 kPa的静压力。试验桶为高25 cm、直径30 cm的圆柱形铁桶，试验桶固定在下部的铁板上，铁板固定在450 kg的混凝土块上。

1.3 试验方案及方法

分别采用干土法和湿土法进行击实试验，为得到最优击实频率的同时也得到最优的击实振幅，频率采用35 Hz和45 Hz，保持其它击实参数不变，设置击实振幅为0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.4 mm、1.6 mm、1.8 mm、2.0 mm，击实时间均为3 min，分别求出所对应的干密度，找到干法和湿法条件下，35 Hz和45 Hz频率时不同击实振幅试验得到的最大干密度。具体操作过程按照《公路土木工程试验规程 JTG E40—2007》[8]进行试验。

2 试验结果分析

2.1 级配碎石击实曲线

图1 级配碎石干密度与振幅的关系

级配碎石材料测得的干密度随振幅的变化规律如图1所示。 图1为级配碎石在4种试验条件下干密度随击实振幅的变化规律曲线，图中可看出利用湿土法比干土法得到的干密度大，即击实效果更好。击实频率为45 Hz比35 Hz条件下的干密度大，原因为45 Hz更接近击实材料的固有频率，这一点与杨志浩等[5]得到的结果一致。湿法35 Hz、湿法45 Hz、干法35 Hz、干法45 Hz的密度随着振幅的变化规律相同，只是干法35 Hz的变化不明显，即振幅对其干密度的影响不显著。4种条件下均存在一个峰值，小于该峰值对应振幅时，干密度随振幅的增大而增大；反之，干密度随振幅的增大而减小。级配碎石填料基本在振幅为1.4～1.6 mm时干密度达到最大值。

2.2 细圆砾土击实曲线

细圆砾土材料测得的干密度随振幅的变化规律如图2所示。

图2 细圆砾土干密度与振幅的关系

由图2可得，细圆砾土材料在干法35 Hz条件下，土样随着振幅的变化不明显；干法45 Hz和湿法35 Hz得到的干密度大小接近，且均在振幅为1.2 mm时存在峰值。小于该振幅时，随着振幅的增大干密度增大；大于该振幅时，随振幅的增大干密度减小。湿法45 Hz时分别在振幅为1. 0 mm和1.8 mm时取得2个峰值，但第二次峰值干密度小于第一次峰值。

2.3 试验数据原因分析

不同击实振幅下干密度存在峰值，原因为粗颗粒土跟细颗粒土的物理力学性质差别很大。细粒土基本上是随着振幅的增大干密度一直处于减小趋势。级配碎石和细圆砾土属粗颗粒土范畴，击实曲线整体上表现为随着击实振幅的增大，试样的干密度出现先增加后减小的变化规律。当小于峰值对应击实振幅时，随振幅的增大，上部竖向荷载对试验土体的冲击作用增强，此冲击作用在土体中的影响范围越大，土体颗粒之间的相对位移增加，从而压实效果也就更好。当大于干密度峰值对应振幅以后，被压土体处于过压状态，颗粒之间的相对滑动过大，破碎率增大，级配发生改变，所得试样干密度减小，压实质量降低。

细圆砾土材料在湿法45 Hz试验过程中出现2个峰值，原因是随着振幅的增大，原土样级配发生变化，在新的级配下，土体出现了新的最优击实振幅，故出现了2个峰值。

3 结论与展望

(1)两种填料通过湿法得到的干密度大于干法，且45 Hz条件下得到的干密度大于35 Hz。级配碎石材料在振幅为1.4～1.6 mm时，干密度取得最大值；细圆砾土在振幅为1.0～1.2 mm时，干密度取得最大值。

(2)击实试验中其它参数(如击实时间、击实桶径、装样次数等)对土样干密度的影响规律还有待进一步研究。只有考虑更多的击实参数进行正交试验，才能得到更加合理的压实参数，进而更好地指导现场施工。