表面振动压实仪法测定粗粒土密度的影响因素

朱俊高，轩向阳，薄以霆

(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098;2.河海大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210098;3.苏州市水利工程质量检测中心有限公司，江苏 苏州 215000)

堆石料等粗粒土具有抗剪强度高、压缩性低、透水性强等优良工程特性［1－2］，被广泛应用于土石坝、高层建筑地基换填以及海岸护岸等工程中.近年来，我国高土石坝发展迅速［3－4］，对堆石料力学性质的深入了解提出了更高要求，干密度作为坝体填筑密度控制的一个重要参数，其研究愈发受到重视.对高土石坝，其填筑要求的密度较高，尽管最终采用的填筑密度一般依据现场碾压试验确定，但在前期设计研究中，必须进行粗粒土物理力学性质室内试验研究，室内测定其最大干密度也是必须研究的内容之一.按照相关规范，室内可采用表面振动压实法或振动台法测定粗粒土最大干密度.

目前，有关粗粒土干密度的研究多是针对干密度的确定方法［5－11］，如朱俊高等［12］研究了双江口粗粒土最大干密度，指出粗粒土最大干密度与λ之间具有二次曲线关系.近年来，我国的各类粗粒土试验规范开始把表面振动压实法列入，但对其相关问题的考虑并不成熟，如在表面振动压实试验中激振时间和压重对于粗粒土干密度影响如何、到底取值多大合适，还缺少更多相关研究.文献［13］规定激振时间为6 min，而文献［14］则规定激振时间为8 min，是否都合适?因此，很有必要对激振时间和压重对粗粒土的干密度的影响规律进行研究.

本文对2种土料进行了两类干密度影响因素的试验，研究表面振动压实法测定粗粒土最大干密度的影响因素，即:①压重相同、激振时间不同情况下，粗粒土干密度与激振时间的关系;②激振时间相同情况下，通过改变压重大小来分析粗粒土干密度与压重之间的关系.

1 试验设备与方案

本文干密度试验均采用表面振动压实仪法.所用主要仪器为振动器，电源电压为380 V，其振动夯功率为1 kW，振动频率50 Hz，激振力5 kN.试样高度为30 cm.

表面振动压实仪法测粗粒土干密度时，激振时间和压重是2个重要的控制指标.激振时间过短，测得粗粒土干密度较小;时间过长，则粗粒土可能早已达到了最密实状态.文献［13］中规定表面振动压实仪法测粗粒土干密度时的激振时间应为6 min.

本文对2种不同粗粒土进行相同压重下不同激振时间的干密度试验，来研究激振时间对干密度的影响.2种粗粒土中，一种取自长河坝心墙堆石坝覆盖层的砂卵砾石料(简称长河坝料)，另一种取自江苏六合某地的砂卵石料(简称六合料).其中，长河坝料岩性较硬，六合料较软，易破碎.2种料的级配曲线如图1所示.

为了研究激振时间对粗粒土干密度的影响规律，本文对长河坝料进行了激振时间分别为6，4，2和1 min的试验，对六合料进行了激振时间分别为8，6，4，2和1 min，以及20和5 s共7组试验.由于试验条件的限制，试样表面的压重没有达到规范规定的13.8 kPa，而只有8.609 kPa;但本文主要是针对影响规律的研究，因而结果仍有一定的参考价值.

为研究表面压重对粗粒土干密度的影响规律，本文同时测定了3组长河坝料相同激振时间，压重分别为6.387，8.609和10.831 kPa下的干密度，研究压重对干密度的影响.

图1 粗粒土级配曲线Fig.1 Size grading curve of coarse-grained soil

2 干密度影响因素分析

2.1 激振时间影响

首先对长河坝料进行不同激振时间的压实试验，测定相应干密度.以激振时间为6 min试验所测定的干密度为标准最大干密度，进而计算其他激振时间内试样的相对密度.试验得出，激振时间分别为6，4，2和1 min时，试样对应的干密度分别为 2.431，2.430，2.418 和 2.409 g/cm3，相对密度为 1，0.998，0.970 和0.949.同时，采用松填法测定其最小干密度，测得长河坝料最小干密度为2.062 g/cm3.

长河坝料在不同激振时间内干密度变化规律见图2(a).可见，随着激振时间的增加，粗粒土的干密度逐渐增大.当激振时间从1 min增加到2 min时，干密度增加了0.009 g/cm3，若假设干密度随时间均匀增加，则干密度增加速率为0.15 mg/(cm3·s);激振时间增至4 min时，干密度又增加了0.012 g/cm3，增加速率为0.1 mg/(cm3·s);当激振时间达到6 min时，干密度达到最大，相对于4 min时的干密度增加了0.001 g/cm3，干密度增加速率为0.08 mg/(cm3·s).激振时间4 min时的干密度已经较大，随着激振时间增加，干密度增长已经很小，说明试样已经达到很密实状态，由此可见，文献［13］将激振时间规定为6 min有一定合理性.

为进一步研究不同粗粒土在不同激振时间内干密度的变化规律，本文同时对六合料进行了不同激振时间的压实试验，测定对应干密度(图2(b)).同时采用松填法测定其最小干密度，测得的六合料最小干密度为1.823 g/cm3.以激振时间8 min试验所测定的干密度为标准最大干密度，进而计算其他激振时间内试样的相对密度，试验结果见表1.

图2 长河坝料和六合料的干密度与激振时间关系Fig.2 Relationship between vibrating time and dry density of Changhe dam soil and Luhe soil

表1 六合料不同激振时间的击实试验Tab.1 Compaction tests under different vibrating time for Luhe soil

六合料试验所得干密度随时间变化规律与长河坝料试验结果相似.从图2(b)可见，在1 min以内时，六合料粗粒土的干密度迅速增加，5～20 s增长最快，平均增量速率为4.1 mg/(cm3·s)，激振时间1 min后，密度增加速率减慢，4～6 min增量更小.总体上，激振时间1～6 min时，粗粒土干密度增加较慢，其干密度平均增长速率为0.4 mg/(cm3·s);激振时间从6至8 min时，干密度仅增加0.002 g/cm3.表明在激振时间大于6 min后干密度基本稳定，不再或很难增大.进一步说明文献［13］和［14］规定的激振时间有一定的合理性.

为进一步研究同种粗粒土在不同激振时间内干密度的变化规律，本文又对最大粒径为60 mm的六合料(级配同图1的长河坝料)进行了不同激振时间的压实试验，测定对应干密度.同时采用松填法测定其最小干密度，测得此种六合料最小干密度为1.902 g/cm3.以激振时间6 min试验所测定的干密度为标准最大干密度，进而计算其他激振时间下试样的相对密度.表2为此种六合料在不同激振时间内的干密度试验结果，激振时间与干密度的关系曲线如图3所示.从表2和图3不难发现，最大粒径为60 mm六合料和前面所述的(最大粒径为20 mm)六合料干密度和激振时间的关系基本一致，即干密度随着激振时间的增加而增加，在激振时间小于1 min时，密度随激振时间增加的速率较大，此后增幅逐渐减小，在6 min时趋于稳定.4 ～6 min 内，干密度平均增加速率为0.125 mg/(cm3·s)，与最大粒径为20 mm的六合料相近，说明级配对干密度随激振时间的变化规律的影响较小.

图3 最大粒径60 mm六合料干密度与激振时间关系曲线Fig.3 Relationship between vibrating time and dry density of Luhe soil(dmax=60 mm)

表2 最大粒径60 mm的六合料不同激振时间的击实试验Tab.2 Compaction tests under different vibrating time for Luhe soil(dmax=60 mm)

2.2 压重影响

表面振动压实法试验中，另一个影响试验结果的重要因素是土样表面的压重.文献［13］规定为13.8 kPa，文献［14］则规定为14 kPa.为研究表面压重对干密度影响规律，作者对3种表面压重下长河坝料进行了干密度试验研究.试验激振时间均为6 min，试验结果为:压重6.387，8.609和10.831 kPa下对应的干密度分别为 2.259，2.431 和2.448 g/cm3，相对密度为0.560，0.963 和1.000.干密度与压重关系曲线如图4所示.由于试验条件所限，本文只进行了以上3种压重试验.虽然测得数据较少，但总体能反映压重对于粗粒土最大干密度的影响.

现有研究表明，随压重增大干密度逐渐增大，且压重大于一定值后干密度逐渐趋于稳定，图4所体现的规律也正是这样.图4表明，压重为8.609 kPa的干密度比6.387 kPa 的增加了 0.188 g/cm3，当压重变为 10.831 kPa时，最大干密度又增加0.017 g/cm3.假设粗粒土干密度是呈线性变化，则从压重 6.387 kPa到 8.609 kPa，压重每增大1 kPa干密度增加 0.084 6 g/cm3;而压重 8.609 kPa 到10.831 kPa，增加1 kPa 压重，最大干密度增大 0.007 65 g/cm3.显然增加的幅度越来越小而不是简单的线性增加.

尽管本文试验数据点少，压重较大的试验点缺乏，但是试验所得结果基本反映最大干密度随压重增加而增大的规律.可以推测，当压重为11～14 kPa，压重增加所引起的密度增加速率更小，因此文献［13］及［14］规定的试样表面压重为13.8和14 kPa是合理的.

为进一步研究压重对相对密度的影响，根据松填法测定的长河坝料最小干密度为2.062 g/cm3，近似以10.831 kPa压重下的密度为标准最大干密度，则可得压重为6.387和8.609 kPa时的相对密度分别为0.556和0.963.试验结果表明，相对密度随压重的增加而增大，但增大幅度随压重增大而减小.

图4 长河坝料压重与干密度之间的关系曲线Fig.4 Relationship between surface pressure and dry density of Changhe dam soil

3 结语

本文研究了表面振动压实仪法测定粗粒土干密度试验中，激振时间、表面压重等对所测得干密度的影响.进行了最大粒径为60 mm的长河坝料、最大粒径为20 mm六合料的分析比较，并进行了最大粒径为60 mm六合料的对比试验，得出干密度随激振时间和压重变化规律，得到如下结论:

(1)随着激振时间的增加，粗粒土的干密度逐渐增大.激振时间5～20 s内，干密度增大速率最快;随后20～60 s继续较快增加;1～6 min增幅显著减小，干密度增大较缓慢;6～8 min内干密度增加很小.

(2)不同压重试验结果表明，压重6.387，8.609和10.831 kPa所测得的干密度随着压重的增加而逐渐增大，且增幅逐渐减小，相对密度也随压重的增加而增大.

(3)目前规范规定的激振时间6或8 min，压重13.8或14 kPa，均是可行的.但是，建议不同行业的规范对一些控制性指标能够统一，这样更便于使用和交流.

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