黃土壓實特性研究

馬艷平

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

天然黃土是一種以粉粒為主，多孔隙、天然含水量較小、呈黃紅色、含鈣質(zhì)的粘質(zhì)土［1］。黃土的壓實可以使土粒重新排列，孔隙縮小，形成密實整體，增強穩(wěn)定性，減少沉降，促進(jìn)固結(jié)。經(jīng)大量試驗和工程實踐證明:路基壓實后，路基的塑性變形、滲透系數(shù)、毛細(xì)水作用及隔溫性能等均有明顯改善［2］。

黃土壓實效果受多種因素影響，其中機械性能、土層厚度和含水量是壓實主要技術(shù)參數(shù)。碾壓機械產(chǎn)生不同形式壓實功作用在土體上，克服土粒間作用力，產(chǎn)生塑性變形。壓實功在土體表面?zhèn)鬟f至下層，壓實能隨深度逐漸衰減，直至不能克服土顆粒間穩(wěn)定能，壓實作用失效。適量水主要表現(xiàn)為潤滑效果，可促進(jìn)壓實;過量的水減弱土粒間粘聚力和摩擦力，不利于提升壓實效果。在一定的壓實功作用下的最佳含水量可通過標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗確定。

為排除一些外部條件的干擾，深入了解靜壓、振動壓實、沖擊壓實三種工藝的壓實機理和特性，試驗采用可控壓實參數(shù)的小型壓實機械，通過埋設(shè)在土槽中感應(yīng)器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)。為保證試驗結(jié)果的可比性，三種工藝的主要條件采用歸一化處理;壓路機的尺寸和重量基本相同，線壓力均為7.7 N/mm;振動碾壓時將上述壓路機調(diào)節(jié)為振動模式，振動頻率23 Hz～33 Hz，振幅0.45 mm;沖擊碾壓時，壓路機沖擊能量為42.4 J。碾壓材料采用較為典型的黃土低液限粘土(CLY)，具體性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 填料的性質(zhì)指標(biāo)

1 靜力壓實特性

靜力壓實是用具有一定質(zhì)量的滾輪慢速滾過土層，利用機械的自重對土體主要施加壓、剪力，使土體產(chǎn)生塑性變形(永久殘留變形)，微觀上表現(xiàn)為氣體排出和土粒相互靠近或嵌擠。土的密度隨著碾壓遍數(shù)增加，永久殘留變形減小。粘性土受臨界水頭和滲透系數(shù)低的特點，短時間的壓實主要將空隙中空氣擠出，而不是將水?dāng)D出。

不同深度的壓應(yīng)力隨碾壓遍數(shù)的變化規(guī)律見圖1。

1)隨著碾壓遍數(shù)的增加，土中壓應(yīng)力出現(xiàn)峰值，隨后回落。碾壓初期上層土體比下層密實快，壓應(yīng)力逐漸增大并出現(xiàn)峰值，逐漸密實的下層土體傳荷能力增強，上層土體壓應(yīng)力有所減小，應(yīng)力圖形上呈凸型曲線(見圖2)。

2)靜力壓實產(chǎn)生應(yīng)力隨深度迅速遞減，作用深度有限。15 cm以內(nèi)應(yīng)力增長較為明顯;在35 cm深度處的壓應(yīng)力在碾壓1遍～4遍時有輕微變化，繼續(xù)碾壓則幾乎不變化(見圖3)。

圖1 壓應(yīng)力變化

圖2 深度25 cm壓應(yīng)力變化

圖3 壓實度隨深度變化的變化規(guī)律

靜力壓實使得黃土顆粒逐漸嵌入周邊顆粒中，隨著靜載的增加或碾壓次數(shù)的增多，顆粒間的粘聚力和摩擦力也增加，即土體抗力也相應(yīng)提高。靜力壓實對于深層次的土體附加應(yīng)力小，采用增加碾壓遍數(shù)來提高壓實度是不經(jīng)濟(jì)的，甚至達(dá)到一定程度后是無效的。另一方面，土體具有承載力極限，通過增加滾輪荷載來提高壓實效果存在一個荷載上限，超過土體的承載極限會發(fā)生剪切破壞。所以，靜力壓實有一個極限的壓實效果。

靜力壓實的特點是隨深度迅速遞減且壓實深度有限。壓實過程中，靜力壓實對淺層土體壓實效果明顯，可通過增加壓實能達(dá)到預(yù)期壓實效果，但對于深層壓實則效果不明顯甚至無效。

2 振動壓實特性

振動壓實過程中一方面對鋪層加載機械重力，另一方面產(chǎn)生一定頻率的沖擊，脅迫土粒振動，同時相互聯(lián)系的土粒將振動沿縱橫向擴散和傳播。

在壓路機的振動沖擊下，土顆粒受到擾動而脫離原來的平衡位置，碰撞周圍土體，并以周圍粘性顆粒施加給它反力為回復(fù)力，土顆粒便振動起來。表層振動的土粒作用于周邊土顆粒，迫使周圍的顆粒隨之振動。這樣，振動便以一定的速度在土體中傳播，形成波動。振動壓實是將固定在物體上的振動器所產(chǎn)生的高頻振動傳給土體，土體顆粒受迫振動時，在此過程中土顆粒間的摩擦力被減弱或消除，小的顆粒充填到大的顆粒之間的間隙中，土體密實，空隙率減小，密度增加，從而壓實度增加。振動壓實的作用基本上可歸結(jié)于:1)對土體施加了沖擊力;2)減少了土顆粒間的內(nèi)摩擦力;3)由于振動使土顆粒易于移動。

當(dāng)外力振動頻率與土體顆粒自身固有頻率相近時，土顆粒發(fā)生共振，此時振幅最大。較大的振幅有利于土粒運動，提高壓實度。不同頻率下土體壓應(yīng)力見圖4～圖6，壓實度見圖7。

圖4 27 Hz壓應(yīng)力

圖5 29 Hz壓應(yīng)力

圖6 31 Hz壓應(yīng)力

圖7 不同頻率碾壓后的壓實度隨深度變化

壓路機施加29 Hz壓力時，黃土顆粒產(chǎn)生共振，顆粒之間的連接最弱，土顆粒會迅速重新排列趨于密實。29 Hz相對于其他頻率同深度應(yīng)力，25 cm處土層應(yīng)力提高最大，35 cm處應(yīng)力提高最小，這一現(xiàn)象與壓實度提高幅度相對應(yīng)，見圖6。

從不同頻率壓實度隨深度變化圖6可以看出，當(dāng)振動頻率為29 Hz時，壓實度遞減最緩;當(dāng)深度大于25 cm后，隨深度的增加，壓實度急劇減小。

在施工過程中，應(yīng)將振動壓路機的頻率調(diào)整到黃土的共振頻率29 Hz附近，并控制壓實厚度，以便取得最優(yōu)的壓實效果。

3 沖擊壓實特性

沖擊式壓路機通過反復(fù)利用瓣狀凸輪的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向下的動能沖擊土層，同時具有壓實和擊實的功效，逐漸使土體密實。沖擊式壓路機凸輪結(jié)構(gòu)使自身行走時同時產(chǎn)生勢能和動能。凸輪著地時，碾輪的勢能最小，動能最大，部分勢能轉(zhuǎn)化為豎向動能，沖擊土層并產(chǎn)生巨大的沖擊波，碾輪連續(xù)沖擊地面，逐漸使土體壓實。高沖擊能的壓路機可對黃土填料作深層壓實，影響深度可達(dá)1.4 m［3］，從而提高壓實效果，降低土的滲透性。

Channel 5～Channel 8依次為距路表5 cm，15 cm，25 cm和35 cm處碾壓信號。從圖8中可以看出:凸輪著地前，土體受上次凸輪著地時沖擊荷載產(chǎn)生一系列振動;凸輪著地時產(chǎn)生一次應(yīng)力峰值，并伴隨有沖擊振動，沖擊應(yīng)力隨深度減弱。對比碾壓前后各深度壓應(yīng)力，25 cm深處壓應(yīng)力提高最大，35 cm處壓應(yīng)力最小，見圖9。應(yīng)力提高使得土體壓實度提高，25 cm處壓應(yīng)力提高較大使得壓實度隨深度遞減減緩，見圖10。

圖8 沖擊壓實應(yīng)力碾壓信號

圖9 碾壓前后壓應(yīng)力

圖10 沖擊碾壓各深度壓實度

4 壓實特性綜合分析比較

靜力壓路機、振動壓路機和沖擊壓路機，工作原理具有相同點:三者均向土體施加荷載，迫使土粒移動，填充靠近，同時排出氣體，土體逐漸密實。振動壓路機相比靜力壓路機施加豎向荷載的同時并強迫土顆粒高頻振動，沖擊壓路機更附加高能沖擊效果。

三種壓實機械產(chǎn)生的效果均隨深度遞減，但整體壓實效果不一樣。靜力壓實的效果在15 cm深度范圍內(nèi)迅速遞減，超過15 cm壓實度變化不大。振動壓實對于25 cm以上土層壓實效果較為明顯。沖擊壓實相對于振動和靜碾，可以對深層土體進(jìn)行壓實，見圖11。

圖11 壓實度沿深度變化曲線

圖12 土內(nèi)應(yīng)力隨碾壓遍數(shù)變化曲線

靜力壓實和振動壓實在碾壓過程中出現(xiàn)應(yīng)力峰值，但整體回落幅度較小，可以忽略，見圖1和圖5。所以，隨碾壓遍數(shù)增加，不同壓實機械對于土層產(chǎn)生的應(yīng)力表現(xiàn)為整體增加。應(yīng)力增加的幅度與壓實方式密切相關(guān)，沖擊壓實的應(yīng)力增加幅度最大，振動碾壓次之，靜力壓實最小，見圖12。

5 結(jié)語

1)三種壓實機械產(chǎn)生應(yīng)力隨著碾壓遍數(shù)增加而提高;應(yīng)力增加幅度與壓實方式密切相關(guān)，沖擊壓實應(yīng)力增加最快，對深層土體的壓實效果明顯，其次是振動壓實，靜力壓實的上升速度最慢。

2)振動壓實黃土的最佳振動頻率即29 Hz。在該頻率下壓實，能引發(fā)土粒共振，提高壓實效率。實際施工中建議將振動壓路機頻率調(diào)整至29 Hz，并在最佳含水量狀態(tài)時分層碾壓，這時能夠取得最優(yōu)的壓實效果。

3)靜力壓實、振動壓實和沖擊壓實各有特點，一般來說沖擊壓實效率高，速度最快，適于大面積，長路段施工，但工序復(fù)雜，受周邊構(gòu)造物、含水量等諸多條件限制［3］;靜壓雖然壓實效率較低，但幾乎無條件限制，適用廣泛。實際施工過程碾壓應(yīng)結(jié)合公路等級、土質(zhì)條件、工期要求和地形地貌等條件，恰當(dāng)運用三種施工機械方能取得最佳效果。

［1］JTG D30-2004，公路路基設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］鄧學(xué)鈞，張登良.路基路面工程［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［3］交通部公路科學(xué)研究院.公路沖擊碾壓技術(shù)指南［M］.北京:人民交通出版社，2006.