土的压实性能及振动压路机的压实机理研究

土的压实性能及振动压路机的压实机理研究
工程中广泛用到填土。

如路基、堤坝、飞机跑道、平整场地修建建筑物以及开挖基坑后回填土等。

这些填土都要经过压实,以减少沉降量,降低透水性,提高抗剪强度。

影响填土压实效果的因素很多,但最重要的是含水量、压实功能、土的种类和级配。

因此,填土施工前应通过室内击实试验,选择压实性能良好的土料,并确定该土可能达到的最佳密实度(以干密度表示)范围与相应的含水量值,为填方设计合理选用填筑含水量和填筑密度提供依据。

1土的压实性能
在研究车辆的牵引性能、行驶阻力及压路机的压实理论时，必须分析土的压缩变形特性。

由于土是固体颗粒的集合体，具有碎散性，因而土的压缩性比钢材、混凝土等其它材料大得多，并具有下列两个特点。

1）土的压缩变形主要是由于孔隙的减小所引起的。

土是三相体，土体受外力引起的压缩包括三部分：①土粒固体部分的压缩；②土体内孔隙中水的压缩；③水和空气从孔隙中被挤出以及封闭气体被压缩。

一般认为土的压缩是由第三项孔隙减小产生的。

2）饱和土的压缩需要一定时间才能完成。

钢、混凝土等材料受压后，其压缩在瞬时内即已完成。

饱和土的压缩就不同，由于饱和土的孔隙中全部充满着水，要使孔隙减小，就必须使土中的水部分挤出，亦即土的压缩与孔隙中水的挤出是同时发生的。

途中水的部分挤出需要一定时间。

土的颗粒越粗，孔隙越大，则透水性越大。

因而，土中水的挤出和土体的压缩有关。

粘土颗粒很细，则需要很长时间，这个过程叫做渗流固结过程，是土区别于其他材料压缩性的有一特点。

此外，土是一种弹塑性材料，这种变形随时间而持续的现象，称为蠕变。

土的击实性是指土在反复冲击荷载作用下能被压密的特性。

击实土是最简单易行的土质改良方法，常用于填土压实。

通过研究土的最优含水量和最大干密度，来提高击实效果。

最优含水量和最大干密度采用现场或室内击实试验测定。

在工程建设中，经常遇到填土压实的问题，例如修筑道路，堤坝，飞机厂，运动场，挡土墙，埋设管道，建筑物地基的回填等。

为了提高填土的强度，增加土的密实度，降低其透水性和压缩性，通常用分层压实的办法来处理地基。

实践经验表明，对过湿的土进行夯实或碾压时就会出现软弹现象（俗称"橡皮士"），此时土的密度是不会增大的。

对很干的土进行夯实或碾压，显然也不能把土充分压实。

所以，要使土的压实效果最好，其含水量一定要适当。

在一定的压实能量下使土最容易压实，并能达到最大干密度时的含水量，称为土的最优含水量（或称最佳含水量），用wop表示。

相对应的干密度叫做最大干密度，以ρdmax 表示。

土的最优含水量可在试验室内进行击实试验测得。

试验时将同一种土，配制成若干份不同含水量的试样，用同样的压实能量分别对每一份试样进行击实后，测定各试样击实后的含水量w和干密度rd ，从而绘制含水量与干密度关系曲线，称为压实曲线。

含细粒越多的土，起最大干密度值越小，而最优含水率越大。

土料中含有一定的粗颗粒（砾、砂等）或土料级配良好，土能在较小的最优含水率下得到较大的干密度。

2振动压路机的压实机理
1本文分析了振动对压实材料剪应力、抗剪强度的影响，振动压路机激振频率对振动压实效果的影响。

结果表明振动对于不同种类的土剪应力的影响是一致的，对抗剪强度的影响则不同。

目前关于振动压路机压实机理的研究已经取得了一定进展，工程技术界提出了几种有关振动压实机理的观点，如共振压实观点、最小摩擦力观点等。

这些观点各自可以解释某一类振动压实现象，但是不能全面解释各种振动压实现象，说明这些观点还需完善和补充。

土在压实过程中，无论是静碾压实还是振动压实，只有当土中产生的剪切应力τ大于土的抗剪强度τf 时，才能够使土颗粒重新排列，土体压密变实。

即：
τ>τf （1）
只要清楚了振动对土剪应力。

和抗剪强度。

的影响，也就清楚了振动压实机理。

1 振动对压实材料剪应力τ的影响
图1是在土层下200一处静、动压力测试结果，土承受的压力P为静压力Pj与动压力Pd之和，即：
P＝Pj＋Pd （2）
土体压力p的最大值Pmax和最小值Pmin为
Pmax=Pj+|Pdmax|; Pmin=Pj-|Pdmax| (3)
振动压实过程中土体承受的最大压力Pmax。

大于静碾压实过程中土体承受的压力Pj：
Pmax>Pj (4)
即振动压实过程中土体承受的最大剪切应力τmax 大于静碾压实过程中土体承受的剪切应力τf，使式（1）易于成立，压实效果提高。

振动压实对土体中剪切应力的影响与被压实土的种类无关。

2 振动对不同压实材料抗剪强度τf的影响
振动压实对土体中剪切应力的影响与被压实土的种类无关，但是对土体抗剪强度的影响却与土的种类有着密切的联系。

土的抗剪强度τf 可由库仑定律表示为：
τf＝c＋σtgυ（5）
式中：C——土的凝聚力；σ——土的法向应力；υ——土的内摩擦角。

粘土结构为聚粒结构或絮凝结构，粘土颗粒细小，颗粒的矿物成分、颗粒的结构型式以及土一水系统的相互作用和胶结物质的存在，形成了复杂的物理化学现象。

它在压实过程中形成的剪阻力主要是凝聚力C，摩擦角中υ比砂上摩擦角小得多，可以忽略不计。

粘土的抗剪强度可以简化为：
τf＝c（6）
砂土的结构是单粒结构，它的粘聚力很小或非常微弱，它在压实过程中形成的剪阻力主要是土粒间摩擦力，其抗剪强度可以简化为：
τf＝σtgυ(7)
粒问摩擦力是由颗粒的滑动摩擦、咬合摩擦、颗粒破碎效应和重新排列效应所组成。

振动压
实过程中砂土的剪阻力主要是由颗粒间的滑动摩擦所引起。

RCC材料中含有较大的骨料，振动压实过程中，骨料之间移动除要克服滑动摩擦外还要克服咬
合摩擦，咬合摩擦是由于骨料与相邻骨料脱离咬合而移动产生的。

即：
υ＝υu＋υl (8)
式中：υu——滑动摩擦角；υl——咬合摩擦角。

滑动摩擦力是颗粒接触面粗糙不平形成的微细咬合作用。

颗粒间距离的微弱增长，会使微细咬合作用产生很大的衰减。

如果振动能使颗粒质点间的距离产生微弱的增长，就会使滑动摩擦力减小。

振动压实过程中，振动轮下面的土体颗粒也随着振动。

土体振动加速度才为：
v"＝－aΩ²cos(Ωt＋β) （9）
式中：a——振幅；Ω——激振频率；β——相位角；t——时间。

土颗粒的惯性力I为：
I＝－mkΩ²cos(Ωt＋β) （10）
式中：mk——土颗粒质量。

令：e=aΩ² （11）
称e为振动强度。

则有：I＝－mkecos(Ωt＋β) （12）
由式（12）可以看出，土颗粒惯性力I与颗粒质量mk和振动强度e成正比。

当振动强度e 较小
时，或土颗粒质量。

力较小时，土颗粒的惯性力I也较小，它将在自己原来的位置振动。

当振动强度
e和土颗粒质量啊足够大时，土颗粒的惯性力I足以克服周围其它土颗粒凝聚力c的作用，使土颗粒偏离自己原来的位置。

具有良好级配的砂土，相邻土体颗粒间的粒径大小不同，即它们的颗粒质量mk不同，因此相邻土颗粒在具有相同振动强度e时，它们具有的惯性力I 大小不同。

这种差别必然会使颗粒质点间的距离发生微小的变化，对颗粒间的微细咬合作用产生很大的衰减，导致内摩擦角中υu的减小，即内摩擦力σtgυ减小。

粘土的颗粒质量mk。

与砂土颗粒质量比较要小得多，同时它的凝聚力c很大，振动不容易使土颗
粒的惯性力I达到足以克服周围其它土颗粒凝聚力c的作用，因此振动对粘土的滑动摩擦力影响很小，凝聚力C是粘土抗剪强度τf的主要成分，振动对粘土抗剪强度τf影响可以忽略不计。

砂土土颗粒质量mk大，凝聚力c小，振动可以显著减小砂土的滑动摩擦，对砂土的抗剪强度
τf影响很大，振动对级配良好的砂土抗剪强度τf影响与颗粒均匀砂土相比，效果更加显著。

RCC材料中含有较大的骨料，振动可以有效地减小它的滑动摩擦，但对它的咬合摩擦影响不大。

综上所述，振动可以显著减小滑动摩擦。

由于滑动摩擦对粘土、RCC材料和砂土等不同材料的抗剪强度所起的作用不同，所以振动对不同材料的抗剪强度τf影响是不同的。

在条件相同的情况下，与静碾压实比较，振动砂土的压实效果最好，其次是RCC材料，再次是粘土。

3 振幅、激振频率对压实效果的影响
正常振动压实过程中，振动轮与土始终接触在一起。

振动轮振幅的大小反映了土体变形的大小，反映了土体动压力的大小。

振幅越大在土体中产生的动压力越大，土体承受的剪应力越大。

由式（11）可知，当激振频率一定时振幅越大振动强度越大，越有利于减小抗剪强度，因此大振幅可以提高压实效果。

但是振幅过大，振动压实过程中振动轮会出现与地面分离的现象，即“跳振”现象。

严重的“跳振”现象会使振动压路机行驶失去方向性，同时也会影响路面的平整度，这对压实是不利的。

理论分析和试验结果都表明振动轮与土构成的振动系统是弱非线性振动系统。

振动轮振幅可以近似接线性系统计算。

试验结果表明振动轮与砂土构成的振动系统主共振频率在14Hz附近。

图2是振幅a和振动强度e随激振频率Ω变化的函数曲线。

试验表明增大振动强度e 会显著减小砂土的滑动摩擦，但是当振动强度e足够大时，进一步增加振动强度e对减小内摩擦力。

哈中将失去作用，摩擦系数σtgυ趋于常数，如图3所示。

对于砂土，当激振频率在主共振点附近时，由于振动强度e较低，此时振动对减小砂土抗剪强度的作用较小，不利于提高压实效果，提高激振频率门可以显著提高振动强度e，减小土的抗剪强度，提高振动压实效果。

但过份增大激振频率Ω也是不利的。

当振动强度达到一定程度后，土的抗剪强度趋于常数，同时由于激振频率远离主共振点，振幅减小，使土的动压力（即土体承受的剪应力）减小，降低了压实效果。

图4是一定深度土体的抗剪强度τf和剪应力τ与激振频率Ω的函数关系。

当振动频率Ω在抗剪
强度τf和剪应力τ，曲线交叉点O的左侧时，即振动频率Ω低于交叉点O所对应的频率Ω0。

时，式1不成立，土体不能被压实。

振动频率Ω高于交叉点O所对应的频率Ω0时，土体才能被压实。

土层厚度越薄，剪应力曲线会平行向上移动，抗剪强度曲线会平行向下移动，
两条曲线交点向左侧移动，有利于压实；反之两条曲线交点向右侧移动，当上层厚度达到一定程度时两条曲线将不能相交，则在此厚度上的土体不能被压实。

4 试验验证
为验证本文提出的振动压实机理，在土槽进行了砂土的主共振频率测定试验，同时还分别在试验土槽和施工现场进行了砂土和RCC材料的压实试验。

砂土的压实试验是在试验土槽中进行的。

试验结果表明，振动压实砂土过程中，压实效果最佳激振频率远大于主共振频率。

过大和过小的激振频率都会降低振动压实效果。

在施工现场分别选择小振幅和大振幅两种情况进行RCC材料压实试验，两种情况下采用的是同一台振动压路机，激振频率相同。

试验结果表明小振幅压实过程振动轮无“跳振”现象，大振幅压实振动轮产生严重“跳振”现象，大振幅振动压实效果明显优于小振幅振动压实效果。

这表明振动轮“跳振”对路面产生的冲击作用有效地克服了RCC材料中的咬合摩擦。

5 结论
各种材料只有在符合式（互）强度破坏条件时才能被压实。

振动对于压实材料增大剪应力的作用是相同的，对不同材料抗剪强度减小的作用不同，因此对于粘土、RCC材料和砂土振动压实的效果也不相同。

压实砂土过程中，存在最佳激振频率，该频率远大于主共振频率，过大和过小的激振频率都会降低振动压实效果。

振动轮“跳振”有利于克服RCC材料的咬合摩擦，提高压实效果。