砂類(lèi)土的干壓實(shí)特性及振動(dòng)碾壓施工控制研究

童申家，楊 眉，隨素珍

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院信息與工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712046）

內(nèi)蒙古西北地區(qū)氣候干燥，水資源匱乏，但常用的路基濕壓實(shí)技術(shù)消耗大量水資源，造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi).而路基的干壓實(shí)技術(shù)是在含水量較低的情況下對(duì)土進(jìn)行壓實(shí)，并達(dá)到較好的壓實(shí)效果，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益.針對(duì)干壓實(shí)問(wèn)題，陳忠達(dá)[1]、李萬(wàn)鵬[2]、楊人鳳[3]和袁玉卿[4]等一些學(xué)者也進(jìn)行了大量研究，證明了風(fēng)積沙干壓實(shí)和濕壓實(shí)雙重特點(diǎn)，驗(yàn)證了干壓實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可能性.風(fēng)積沙的干壓實(shí)理論已經(jīng)相對(duì)成熟，然而針對(duì)其他土樣是否也具有類(lèi)似的干壓實(shí)特點(diǎn)的問(wèn)題，相關(guān)的研究和文獻(xiàn)比較少，本文通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，驗(yàn)證了內(nèi)蒙古西北地區(qū)的土樣也具有干壓實(shí)特性.進(jìn)而通過(guò)室內(nèi)干壓實(shí)試驗(yàn)對(duì)該地區(qū)三種土樣干壓實(shí)性能進(jìn)行研究，并結(jié)合碾壓施工機(jī)具的衡量給出相適應(yīng)的碾壓遍數(shù)，以期對(duì)今后相似地區(qū)的路基修建與施工提供借鑒.

1 土樣基本特性

1.1 土樣的顆粒組成

本文中三種土樣均采自依托工程沿線，土樣1取自賽漢陶來(lái)-三道明水路段，土樣2取自蘇宏圖-雅干路段，土樣3取自烏力吉-蘇宏圖路段，采用篩分試驗(yàn)對(duì)三種土樣進(jìn)行對(duì)比分析可得，土樣1的礫粒組質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為32.4%，土樣2為24.9%，土樣3為35.4%，均小于總質(zhì)量的50%，由此可得本文中的三種土樣均為砂類(lèi)土.

篩分法得三種土樣的粒徑級(jí)配累計(jì)曲線如下圖1所示.

圖1 土樣1，2，3的粒徑級(jí)配累計(jì)曲線Fig.1 The particle size cumulative curve of soil sample 1,2,3

根據(jù)篩分結(jié)果以及不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)的計(jì)算結(jié)果對(duì)三種土樣進(jìn)行分析可得，土樣1屬于級(jí)配不良砂，記為SP；土樣2稱(chēng)為含細(xì)粒土砂，記為SF；土樣3屬于級(jí)配良好砂，記為SW.

1.2 土樣的各項(xiàng)物理力學(xué)性能

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[5]的相關(guān)規(guī)定，分別采用烘干法、直剪法以及液限和塑限聯(lián)合測(cè)定法對(duì)三種土樣的含水率、粘聚力、內(nèi)摩擦角等各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定與計(jì)算，結(jié)果如表1所示.根據(jù)表1的結(jié)果可得到以下結(jié)論：

(1)三種土樣的天然含水率和風(fēng)干含水率均很小，這與內(nèi)蒙古西北地區(qū)干旱少雨的氣候特征有關(guān)；

(2)土樣1、3符合砂土的特性，粘聚力c值近似為0，內(nèi)摩擦角φ值也較為接近，而土樣2較為特殊，粘聚力c值較大，內(nèi)摩擦角φ值較土樣1、3偏小，這與土樣2細(xì)粒組含量多有關(guān)；

(3)根據(jù)《公路自然區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》(JTJ003-86)的相關(guān)規(guī)定，內(nèi)蒙古西北地區(qū)屬于VI區(qū)，該區(qū)土質(zhì)砂干燥狀態(tài)路基的下限稠度wc0=2.00，對(duì)比3種土樣的天然稠度值可得，該依托工程沿線的路基均處于干燥狀態(tài).

表1 土樣的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 The physical and mechanical indexes of soil sample 1,2,3

1.3 土樣的擊實(shí)試驗(yàn)

圖2 土樣1，2，3擊實(shí)曲線Fig.2 The compacting curve of soil sample 1,2,3

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[5]規(guī)定的方法，路基的室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)均采用重型擊實(shí)試驗(yàn)，其中土樣1、3采用II-2類(lèi)別（大筒擊實(shí)），擊實(shí)次數(shù)為98次，分3層，土樣2采用II-1類(lèi)別（小筒擊實(shí)），擊實(shí)次數(shù)為27次，分5層，試驗(yàn)結(jié)果如上圖2.

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出：以上三種土樣的擊實(shí)曲線呈橫寫(xiě)S型，隨著含水率的增大，土的干密度出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，說(shuō)明這三種土樣均有類(lèi)似于風(fēng)積沙的特性，具有干壓實(shí)和濕壓實(shí)雙重特點(diǎn).內(nèi)蒙古地區(qū)氣候干燥，水資源匱乏，這三種土樣的擊實(shí)特性為干壓實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù).

2 室內(nèi)干壓實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)曲線的雙峰性說(shuō)明土樣具有干壓實(shí)特性，而針對(duì)干壓實(shí)技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)、如何能達(dá)到更大的壓實(shí)度的問(wèn)題，本文通過(guò)室內(nèi)干壓實(shí)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行研究，使土樣在節(jié)省水資源消耗的前提下，獲得較好的壓實(shí)效果，從而提高經(jīng)濟(jì)效益.

2.1 擊實(shí)次數(shù)（擊實(shí)功）的影響

擊實(shí)功是影響擊實(shí)效果的重要因素之一，而擊實(shí)功與擊實(shí)筒的尺寸、錘重、落高、分層制樣的層數(shù)和每層錘擊數(shù)等技術(shù)參數(shù)有關(guān)，單位體積擊實(shí)功的表達(dá)式為式（1）[6]：

式中：Ec為單位體積擊實(shí)功，kJ/m3；We為擊錘重量，N；We=錘重(kg)×重力加速度(N/kg)；H為擊錘落高，cm；Ne為土層數(shù)；Nb為每層土的擊數(shù)；V為擊實(shí)筒體積，cm3.

單位擊實(shí)功的表達(dá)式中的各個(gè)技術(shù)參數(shù)均會(huì)影響擊實(shí)功的大小.本文室內(nèi)干壓實(shí)試驗(yàn)采用改變Nb（每層土的擊數(shù)）的方式來(lái)改變擊實(shí)功的大小，從而得到擊實(shí)次數(shù)與土樣的密度的關(guān)系.Nb（每層土的擊數(shù)）越大，Ec（單位體積擊實(shí)功）越大.

2.2 室內(nèi)干壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果及分析

土樣均采用風(fēng)干土進(jìn)行干壓實(shí)，土樣1、3采用II-2類(lèi)別標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)，擊實(shí)層數(shù)為3層，大筒.土樣2采用II-1類(lèi)別標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)，擊實(shí)層數(shù)為5層，小筒.保持風(fēng)干土的含水率不變，通過(guò)改變每層土的擊數(shù)來(lái)變化擊實(shí)功的大小，得出風(fēng)干土的干密度與擊數(shù)（擊實(shí)功）的關(guān)系.

土樣1、3的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2及圖3.可以看出，在一定的范圍內(nèi)隨著每層土的擊數(shù)的增大，即擊實(shí)功的增大，土的密度也隨之增大.超過(guò)范圍后，土樣的密度恒定在某值，不再隨著擊實(shí)次數(shù)的增大而變化.由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，土樣1的最佳擊實(shí)次數(shù)為110 次，此時(shí)對(duì)應(yīng)的密度達(dá)到最大值2.18 g/cm3，擊實(shí)功為3 008.2 kJ/m3.土樣3的最佳擊實(shí)次數(shù)為90次，此時(shí)對(duì)應(yīng)的密度達(dá)到最大值2.15 g/cm3，擊實(shí)功為2 461.3 kJ/m3.

表3和圖4給出了土樣2密度隨每層土的擊數(shù)的變化.可見(jiàn)，密度隨著每層土的擊數(shù)先增大，達(dá)到最大值后又有一定幅度下降，呈現(xiàn)“橡皮現(xiàn)象”，這與土樣2中＜0.075 mm的顆粒較多有關(guān).由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，土樣2的最佳擊實(shí)次數(shù)為25次，此時(shí)對(duì)應(yīng)的密度達(dá)到最大值2.07 g/cm3，擊實(shí)功為2 488.1 kJ/m3.

表2 土樣1、3擊實(shí)試驗(yàn)（風(fēng)干狀態(tài)）Tab.2 The compacting test of soil sample 1 and 3(in the weathered state)

圖3 土樣1、3擊實(shí)試驗(yàn)（風(fēng)干狀態(tài)）Fig.3 The compacting test of soil sample 1 and 3(in the weathered state)

圖4 土樣2擊實(shí)試驗(yàn)（風(fēng)干狀態(tài)）Fig.4 The compacting test of soil sample 2(in the weathered state)

表3 土樣2擊實(shí)試驗(yàn)（風(fēng)干狀態(tài)）Tab.3 The compacting test of soil sample 2 (in the weathered state)

3 現(xiàn)場(chǎng)施工碾壓控制

通過(guò)上述的室內(nèi)干壓實(shí)試驗(yàn)，分別得到了三種土樣的最大干密度以及最佳擊實(shí)功.而在實(shí)際路基工程施工過(guò)程中，如何根據(jù)振動(dòng)壓路機(jī)特性確定碾壓合理的次數(shù)從而使路基土達(dá)到最大干密度，始終是路基工程中干壓實(shí)技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題.本文將室內(nèi)干壓實(shí)試驗(yàn)中土樣擊實(shí)功轉(zhuǎn)化為壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)能量，借此建立了室內(nèi)干壓實(shí)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)具的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到了適用于不同噸位碾壓機(jī)具的碾壓方案.

3.1 施工機(jī)具型號(hào)及參數(shù)

以徐工集團(tuán)生產(chǎn)的一組單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)為例來(lái)進(jìn)行分析，壓路機(jī)型號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表4.

表4 單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)型號(hào)及參數(shù)Tab.4 The types and parameters of single drum vibratory rollers

3.2 施工機(jī)具振動(dòng)擊實(shí)能量與室內(nèi)干壓實(shí)試驗(yàn)擊實(shí)功轉(zhuǎn)換

單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)能量可根據(jù)式（2）計(jì)算[8].

式中：E為振動(dòng)壓實(shí)能量，kJ/m3；η為一種碾壓時(shí)的重疊寬度系數(shù)，取1.25；Fo為激振力，kN；Wz為振動(dòng)輪部分的重量，kN；Kp為振動(dòng)作用力的作用系數(shù)；Kp=1.7-Fo/10Wz；Ao為理論振幅，m；f為頻率，Hz；v為行駛速度，取v=2 km/h=0.56 m/s；B為振動(dòng)輪寬度，m；h為每層松鋪厚度，m；n為碾壓遍數(shù).計(jì)算時(shí)忽略能量損失，假定室內(nèi)試驗(yàn)擊實(shí)功Ec=振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)能量E.

3.3 壓實(shí)度選擇

對(duì)于高速公路和一級(jí)公路而言，路床土的壓實(shí)度≥96%[9]，上路堤土≥94%，下路堤土≥93%[10].實(shí)際施工中，可根據(jù)不同層位進(jìn)行選擇與計(jì)算.

3.4 碾壓遍數(shù)與松鋪厚度分析

對(duì)公式（2）進(jìn)行分析，其中可變的參數(shù)為碾壓遍數(shù)n與每層松鋪厚度h，而這兩個(gè)參數(shù)也是控制施工機(jī)具工作的重要參數(shù).根據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[11]中對(duì)松鋪厚度的規(guī)定，本文選取松鋪厚度范圍為0.3～0.5 m，以0.02 m為遞增區(qū)間.根據(jù)下式（3）求出碾壓遍數(shù)n.

式中所有參數(shù)定義均見(jiàn)公式（2）.

以土樣1為例，假定土樣主要用于上路堤的鋪筑，即壓實(shí)度≥94%，取94%進(jìn)行計(jì)算.室內(nèi)干壓實(shí)試驗(yàn)中最大密度為2.18g/cm3，根據(jù)壓實(shí)度計(jì)算公式，可算得工地上實(shí)際達(dá)到的密度ρ工地=2.18×94%=2.05g/cm3，此時(shí)對(duì)應(yīng)的擊實(shí)功Ec可取1 093.9 kJ/m3，取整Ec=1 100 kJ/m3，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換假定取E=Ec=1 100 kJ/m3.其余參數(shù)均參照徐工單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示.

表5 不同噸位下機(jī)具的松鋪厚度與碾壓遍數(shù)Tab.5 The slackly lay thickness and rolling times of construction machines with different tonnage

4 結(jié)論

對(duì)內(nèi)蒙古西北地區(qū)的砂類(lèi)土進(jìn)行了室內(nèi)干壓實(shí)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工碾壓控制的研究，最后得到以下結(jié)論：

(1)土樣的擊實(shí)曲線呈現(xiàn)S型，出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，這說(shuō)明這三種土樣均有類(lèi)似于風(fēng)積沙的特性，具備了干壓實(shí)和濕壓實(shí)雙重特性.

(2)在室內(nèi)干壓實(shí)試驗(yàn)中，得到了三種土樣的最佳擊實(shí)功以及最大干密度值，并得出土樣1、3在一定的范圍內(nèi)隨著每層土的擊數(shù)的增大，即擊實(shí)功的增大，土的密度也隨之增大.土樣2的擊實(shí)曲線中，密度隨著每層土的擊數(shù)先增大，達(dá)到最大值后又有一定幅度下降，呈現(xiàn)“橡皮現(xiàn)象”.

(3)建立室內(nèi)干壓實(shí)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)具的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將土樣擊實(shí)功轉(zhuǎn)化為壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)能量，從而得到了適用于不同噸位碾壓機(jī)具的最佳碾壓方案.

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