粗粒土振动压实特性试验

第20卷 第5期2007年9月
中 国 公 路 学 报
China Journal of Hig hw ay and T ransport
Vol.20 No.5
Sept.2007
文章编号:1001-7372(2007)05-0019-05
收稿日期:2006-12-17
基金项目:北京交通大学科技基金项目(2005RC041)作者简介:冯瑞玲(1976-),女,宁夏中卫人,副教授,工学博士,博士后,E -mail:rl.feng@ 。

粗粒土振动压实特性试验
冯瑞玲1
,王 园2
,谢永利
3
(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044; 2.交通部公路科学研究院,北京 100088;
3.长安大学公路学院,陕西西安 710064)
摘要:以8种不同级配的粗粒土为研究对象,采用室内表面振动压实试验方法,研究粗粒土的级配特性与压实设备的振动频率、激振力对粗粒土压实特性的影响,并利用多元线性回归方法,分析土样级配特性对粗粒土压实效果的影响,最后建立粗粒土最大干密度与其级配特征粒径之间的关系式,并提出用5个特征粒径表示的级配特征函数。

结果表明:级配不同的粗粒土在不同激振力、振动频率作用下,干密度-振动频率、干密度-激振力曲线形状几乎呈正态分布,存在最大干密度和对应的最佳振动频率、最佳激振力。

关键词:道路工程;粗粒土;试验研究;路基振动压实特性;级配特征函数中图分类号:U 416.1 文献标志码:A
Test on Vibrated Compaction Properties of Coarse -grained Soil
FEN G Ru-i ling 1
,WANG Yuan 2
,XIE Yo ng -li
3
(1.School of Civ il Eng ineer ing and Ar chitect ur e,Beijing Jiaotong U niver sity,Beijing 100044,China;
2.H ig hw ay R esear ch Institute of M.O.C.,Beijing 100088,China;
3.Schoo l of H ig hway ,
Chang an U niv ersity ,X i an 710064,Shaanx i,China)
Abstract:Directed against 8kinds of coarse -gr ained so il w ith different g radatio ns,through surface vibrated compactio n test m ethod in the lab,authors resear ched the effect o f the gradation pro perty of the co arse -g rained so il,the vibratio n frequency and the ex citatio n force of the com paction equipment o n the com paction properties o f coarse -grained soil.U sing m ult-i linear reg ressio n metho d,the influence o f gr adation pr operty of so il sample on compactio n effect of coarse -gr ained soil w as analy zed.In the end,the relational for mula betw een the maxim um dry density and its gradation char acteristic granular diam eter of co ar se -g rained soil w as established,and the gradation characteristic function w as put forw ard,w hich made the max imum dry density of the coarse -grained soil r elate w ith its gradation proper ties dir ectly.T he results show that the relations betw een the dry density and the vibr ation frequency ,the dry density and the ex citation for ce o f the coarse -g rained soil are almost accor d w ith normal distributio n,w hich means that there ar e optimum vibration fr equency and optim um ex citatio n force for differ ent coarse -gr ained soils.
Key words:road engineering;coarse -grained soil;experimental research;vibrated com paction pro perty of subgrade;gradation characteristic function
0引 言
随着中国高速公路向山岭重丘区的延伸,为了
合理利用资源,路基填料大都就地取材,采用粗粒土
或含粗粒的细粒土进行填筑[1-2]。

在黑龙江省绥芬河 牡丹江高等级公路进行的抽样调查表明,在连续26km 的路基中,有16km 是由含碎石的土填筑而成的,每km 取3组试样筛分表明,粒径大于5m m 的粗颗粒质量分数大于50%的有16组,粒径大于38m m 的粗颗粒质量分数小于30%的只有2组,粒径大于38mm 的粗颗粒质量分数大于30%的有14组,在这14组中细料(粒径不大于5mm )可能填满骨架空隙的有6组,不足以填满骨架空隙的有8组。

用这类材料填筑的高速公路,经过几年的运营之后,所反馈的共性问题就是对粗粒土的性质认识不清,这不但增加了工程成本,而且还影响了路基的使用寿命、行车安全等。

鉴于此,本文中笔者主要探讨粗粒土的级配特性及压实设备的振动参数对粗粒土压实特性的影响,并建立粗粒土的最大干密度与土体级配特征粒径之间的关系[3]。

1试验材料及方案
试验选用的材料有砾石、碎石、粗砂、细砂、风成
砂5种,组成的级配材料有砾石、砾碎石、砾碎石粗砂、碎石粗砂、碎石、粗砂、细砂、风成砂8种,试验土样的级配曲线见图1。

图1
试验土样的级配曲线
Fig.1
Gradation Curves of Test Soil Samples
影响粗粒土压实特性的因素除了土性之外,最重要的是压实设备的参数,主要包括振动频率、激振力等
[4-6]。

为了研究振动频率、激振力等各个单因素对粗
粒土压实特性的影响,在试验过程中,通过改变其中的1个因素,同时保持其他因素不变来实现。

试验
方案见表1。

表1粗粒土振动压实试验方案Tab.1
Vibrated Compaction Test Scheme of
Coarse -grained Soil
级配材料振动质量/k g
离心力/kN
振动频率/Hz
砾石砾碎石砾碎石粗砂
碎石粗砂碎石粗砂细砂风成砂
160、170、210、250、290、330、370
3.528、10.000
20.0、25.0、30.0、35.0、40.0、47.3
2
试验结果分析
2.1
振动频率-干密度关系
6种典型级配材料的振动频率-干密度关系曲
线见图2。

图2中,m 为振动总质量。

从图2可以看出:
(1)级配不同的土样在不同振动质量、不同振动频率作用下,振动频率-干密度曲线形状几乎呈正态分布,在不同振动质量作用下,存在最大干密度和对应的最佳振动频率。

(2)级配特性不同,达到的最大干密度也不同。

级配良好的土,达到的最大干密度大,如砾碎石粗砂、砾碎石;级配不良的土,振动频率-干密度曲线形状不规则,波动较大,达到的最大干密度较小,如碎石、砾石。

这说明土样级配特性对其压实效果有很大影响。

(3)大粒径颗粒含量较高的粗粒土,当采用高频、高质量振动时,由于振动作用力大,可能造成大颗粒棱角的破碎,使颗粒间易于移动、压实,从而出现干密度值随振动频率的增加突然增大的现象,表现在振动频率-干密度关系曲线上则为高频率时对应的密度曲线陡直上升,如图2(b)中的砾碎石与图2(f)中的砾石。

(4)对于颗粒较小的土样,当采用高频、高质量
振动时,由于振动作用力大,使得土样外溢,此时应该在振后称土样质量,而本次试验时未注意这个问题,振后没有称质量,仍然采用振前的土样质量,导致高频、高质量振动时的密度偏大,出现虚假的高值,如图2(c)中的细砂与图2(d)中的粗砂。

(5)从图2(f)可以看出砾石土样的振动频率-干密度关系曲线很乱,分析试验记录资料可知:①由于试验所用砾石土样为均粒土,粒径范围为20~
20中 国 公 路 学 报 2007年
图2
典型级配材料的振动频率-干密度关系曲线
Fig.2
Relation C urves Between Vibration Frequency and Dry Density of Typical Gradation Materials
30mm,在高频、高质量振动作用下,其颗粒更易于
破碎,导致土样级配发生了变化,砾石土样振动压实前后的颗粒分布曲线见图3(图3中f 为振动频率),改变级配后的砾石土样中出现了一些小颗粒,此时由砾石形成的骨架可以由一部分细小颗粒填充,因此其干密度相对较高;②曲线上出现了几个波谷,这是因为开始新的振动试验时更换了试样,使用的是原始级配的试样,所施加的振动能量有一部分用于改变土样的级配,因此其振动干密度较低。

更换试样的情况见表2。

由此说明,对于大粒径颗粒含量很高且无细颗粒的粗粒土,其室内试验的振动
参数取值不宜过高。

图3砾石振动压实前后的级配曲线Fig.3
Gradation Curves of Gravel Before and After
Vibrated C ompaction
从以上分析可知,粗粒土在不同振动频率作用下的振动压实特性存在很大差异,粗粒土最大干
密度并不是随着振动频率增大或减小呈正比关系,而
表2砾石试样振动过程中更换原始级配试样情况
Tab.2Replacing of Initial Gradation Soil Sample During
Vibration of Gravel Sample
更换试样时的振动质量m /kg 210
250
290
330
370
更换试样时的振动频率f /Hz
35.025.020.0、40.030.047.3
是存在一个峰值,即在同一振动质量作用下,粗粒土存在最佳振动频率。

2.2激振力-干密度关系
4种不同级配粗粒土的激振力-干密度曲线如图4所示。

激振力的计算公式为
F =Em/m 1(1)
式中:F 为激振力;E 为振动电机激振力;m 为振动质量;m 1为电机质量。

图4中的激振力-干密度关系曲线表现出了与振动频率-干密度关系曲线相似的规律:①在不同振动频率作用下,也存在最大干密度和对应的最佳激振力;②级配特性不同,达到的最大干密度也不同,级配良好的土,达到的最大干密度大,级配不良的土,激振力-干密度曲线形状不规则,波动较大,达到的最大干密度较小;③大粒径颗粒含量较高的粗粒土,当采用高频、高质量振动时,由于振动作用力大,可能造成大颗粒棱角的破碎,使颗粒间易于移动、压实,从而出现干密度随激振力的增加突然增大的现象,表现在激振力-干密度关系曲线上则为激振力大时对应的密度曲线出现二次上升的现象,如图4(a)中的砾碎石粗砂、图4(c)中的碎石粗砂与图4(d)中
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第5期 冯瑞玲,等:粗粒土振动压实特性试验
图4典型粗粒土的激振力-干密度关系曲线Fig.4Relation C urves Between Excitation Force and Dry Density of Typical Coarse-grained Soil
的砾石;④图4(d)中砾石土样的激振力-干密度关系曲线较乱,其原因与砾石土样的振动频率-干密度关系曲线的情形相同。

3粗粒土级配特征
由粗粒土振动压实试验结果可知,由于试验材料的级配特性不同,组成粒径尺寸、粒组范围不同,在相同振动质量、振动频率、振动时间作用下,得到的最大干密度相差较大。

这说明粗粒土的振动压实效果除受振动参数影响外,还与其本身的级配特性有很大关系,粗粒土的级配特性在一定程度上已决定了其最大压实程度和其他物理力学特征。

对于试验用的粗粒土,可通过筛分法,得出其特征粒径、不均匀系数C u和曲率系数C c,再根据在最佳振动参数作用下的最大干密度 dmax,应用多元线性回归分析方法建立 d max与特征粒径(d10、d30、d50、d60、d90)的相关关系,分析影响粗粒土最大干密度的特征参数,并将其定义为粗粒土级配特征函数J w=f(C u,
C c,d),以反映土体级配特性。

3.1试验结果
根据粗粒土的试验方案,完成了不同土样在不同振动频率、不同振动质量作用下的室内振动压实试验,对试验结果进行分析即可得到各土样的最密实状态,在该状态下,可得到土样的最大干密度对应的振动频率和振动质量,此即为最佳振动频率和最佳振动质量。

各土样的试验结果见表3。

表3中, d10、d30、d50、d60、d90分别为试验土样级配曲线上通过率为10%、30%、50%、60%、90%所对应的粒径。

3.2级配特征分析
粗粒土的最大干密度除了受到振动参数的影响以外,更重要的是与粗粒土的颗粒组成情况密切相关。

关于颗粒组成对粗粒土干密度的影响,以往主要集中于粗粒土中大于某一粒径粒组的含量与粗粒土最大干密度间关系的研究[7],得到的多为定性的结论,很难直接用于粗粒土路基压实质量的控制与检测。

笔者通过大量的室内试验,找出了描述土样级配特性的指标与其最大干密度之间的关系,从而将粗粒土的最大干密度与描述其特性的级配曲线直接联系起来。

对于级配曲线,目前尚无特定的关系式对其进行统一的描述。

在研究过程中,考虑到试验样本数量,最终以在级配曲线上取得的5个特征粒径d10、d30、d50、d60、d90为自变量,以最大干密度为因变量进行多元线性回归,所得结果见式(2)
dmax=2.128226+0.0038d10+0.0032d30+
0.035d50-0.1073d60+0.0528d90(2)令
J w=0.0038d10+0.0032d30+0.035d50-
0.1073d60+0.0528d90
就可得到级配特征函数反映的土体级配特性。

多元线性回归的显著性检验结果为:复相关系数R= 0.748,剩余标准差S=0.2226。

式(2)计算结果与试验结果的对比见图5。

由图5可见,式(2)的计算
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表3
各土样试验结果
Tab.3
Test Results of Diff erent Soil Samples
试样名称
砾石砾碎石砾碎石粗砂碎石碎石粗砂粗砂细砂风成砂特征粒径/m m
d 10
19.800 6.3000.300 5.6000.2500.1400.1100.084d 3023.9009.2007.300 6.900 6.3000.4800.2100.130d 5027.90018.50010.0008.2007.300 2.2000.4300.190d 6030.00022.50017.4008.8008.090 2.9000.6000.240d 90
36.00034.10033.00014.80013.4007.600 1.8000.490不均匀系数 1.52 3.579.16 1.57 4.767.25 5.45 2.86曲率系数
0.960.60 1.400.97 2.36 1.460.670.84最大干密度/(g cm -3) 1.90 2.24 2.38 2.40 2.24 2.18 2.00 2.34最佳振动频率/H z 30.034.033.047.340.038.027.032.0最佳振动质量/k g
210
330
210
290
370
210
170
210
图5回归计算结果与试验结果对比Fig.5
Comparison with Regression C alculation
Result and Test Result
结果与试验结果基本吻合。

4结语
(1)级配不同的粗粒土在不同激振力、不同振动
频率作用下,振动频率-干密度、激振力-干密度曲线形状几乎呈正态分布,即在不同激振力作用下,存在最大干密度和对应的最佳振动频率;同样,在不同振动频率作用下,存在最大干密度和对应的最佳激振力。

(2)土样级配特性对粗粒土的压实效果有很大影响。

级配良好的土,达到的最大干密度较大;级配不良的土,振动频率-干密度、激振力-干密度曲线形状不规则,波动较大,达到的最大干密度较小。

(3)对于大粒径颗粒含量很高且无细颗粒的粗粒土,其室内试验的振动参数取值不宜过高。

(4)建立了粗粒土最大干密度与其级配特征粒径之间的关系式,提出了用5个特征粒径表示的级配特征函数J w ,从而使粗粒土的最大干密度与其级配状况直接相关。

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