关于振动法测试碾压混凝土填筑密实程度的研究

陈志远 王振振 陈军琪

（葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北 宜昌443002）

关于振动法测试碾压混凝土填筑密实程度的研究

陈志远 王振振 陈军琪

（葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北 宜昌443002）

文章介绍了一种用振动法测试碾压混凝土填筑密实程度的研究过程和成果，提出了用土体振动参数表征密实程度的观点，对土体振动传播速度、主振频率、振动幅度多种参数与密实度的关系进行了探究，发现了振动频率、振动幅度与土体密实程度之间存在的规律，并以此为基础形成了一种新的碾压混凝土密度程度测试方法，有望在业内得以应用。

振动法；密实度；主振频率；振动能量；碾压混凝土

1 背景

当今，碾压混凝土正在得到广泛应用，其大面积通仓薄层摊铺，振动碾压密实的施工工艺，非常适合大规模机械化作业，从而很大程度上提高了混凝土的施工速度。这种快速施工的混凝土，其施工质量通常需要靠测试密实度予以控制和评价。

密实度是评价碾压混凝土密实程度的一项重要指标，密实度大，混凝土的密实程度就高，硬化后的混凝土性能就更优，比如强度高，层间结合好，抗渗透性能好等，所以，能够快速测试出碾压混凝土的密实度，可以及时指导碾压施工，很有意义。

密实度是土体实测密度与预定最大密度的百分比。工程上常用测量土体密度的方法主要有质量体积测量法、置换法、核子密度仪测试法三种。其中质量体积测量法一般需要一固定体积的容器，并使试样充满容器后称重，只适用于试验室内测试，很难在大规模生产中应用；置换法测密度又分为有灌砂、灌水两种方式，置换法由于需要在测试部位挖坑、灌砂（水）、称量，步骤繁琐，耗时较长，不易操作，多用于土石料密度测试，在碾压混凝土铺筑质量检测中较少使用。

当前普遍使用核子密度仪进行碾压混凝土密实度测试。其原理是仪器中的同位素放射出γ射线，一部分γ射线被土体材料吸收，一部分穿透土体被仪器测点接收，通过γ射线损耗换算出材料的密度。由于其内置1个或2个核源，对操作人员健康和环境有一定程度的不利影响，操作人员须定期培训、体检。另外，为了加强放射物品管理，核子仪中的每个核源都必须在政府管控下使用，核子仪的运输需要环保部门审批，存储需要专用的库房，报废需要通过专业机构，这些因素给利用核子密度仪进行碾压混凝土密实度检测工作带来诸多不便。

综上所述，碾压混凝土工程施工中急需一种无核化的、快捷的密实度测试方法。振动法测试碾压混凝土密实程度研究就是在这种背景下开展起来的。

2 技术路径

密实度测试方法的提出以无核化、安全快捷为出发点，不考虑传统的灌水、灌砂的费力费时的方法，且测试仪器和过程都力求使测试简捷和快速。为达此目的，笔者想到了振动法。由于计算机技术和振动学的发展，现在人们已经能够对物体的振动进行快速的采集和分析，从而透过振动参数了解物体的物理力学特性，这是进行振动法测试的基础。而碾压混凝土在从摊铺后的松散状态到碾压密实的过程中，可以抽象地看成一个刚度不断变化的弹性体。假设通过一刚性垫板对土体实施瞬态激振，垫板下土体的弹性系数为k，参与振动的质量为m，则该振动系统的振动频率f的计算见式（1）：

从式中可以看出，振动频率与土体的弹性系数就有密切的关系。而土体弹性系数的大小会随着土体压实程度的变化有相应的变化。所以，对该弹性体进行瞬态激振，采集振动波并进行分析，从理论上说，会得到土体密实程度随振动参数的变化规律，若能建立密实度随振动参数变化的关系曲线，则在实际测试时只需对碾压混凝土瞬态激振即可进一步得出对应的密实度。

而事实上，振动参数不止是频率，激振方式也不止是瞬态激振，采集振动的方式也多种多样，从中找出合适的方式和振动信号特征值参数组合，使测值准确、操作方便，是此项研究的关键。

3 研究内容

找到与密实度相关性明显的振动参数是本研究的核心，笔者用瞬态激振的方法激发土体的振动，分别对振动传播速度、主振频率、振动幅度几种参数与密实度的关系进行了试验研究。

3.1 振动传播速度研究

在土体表面施加一个瞬态激振，振动会在土体中传播开去，有资料表明，土体越密实，其传播振动的速度会越高，如果这个结论能通过验证，则可以用以进行土体密实度的测试。按照这个思路，笔者进行了振动传播速度与密实度的关系研究。振动传播速度的测定采用2个垂直检波器和1台2通道测振仪进行。

测速时设定 2个垂直检波器和激锤在同一条直线上，分别相隔一定距离，且激锤在检波器的同一侧。当激锤在被测土体上激发振动，2个检波器任意一个受到触发，2个检波器则同时开始采集并持续一定时间，得到 2个振动波数列。利用这两个数列计算振动波传播到两个传感器所在位置的时间差，再通过测得的两个传感器之间的距离便可计算出振动传播速度。

笔者在试验基地制作了不同密实度的试墩，进行了多次测试，并在四川内江到遂宁的高速公路工程的水泥稳定层施工现场进行了测试。

研究结果表明，利用这种方法测试振动传播速度，结果重复性差，与密实度之间无规律可循。此外，测试需要布置2个传感器，1个激振装置，传感器和测振仪之间需要连接数据线，测试装置分散，整体性差，传感器要靠长尾锥固定在土体中，而土体中的石子常常使传感器固定不稳，这些因素致使测试耗时长，结果不稳定，不能满足现场测试要求。因此，利用振动传播速度测试密实度的方案未能继续。

3.2 土体主振频率研究

前期的研究让笔者意识到，找到一个重复性好的振动参数是振动法测试密实度的前提，测试过程简单才能满足现场测试快捷的要求，接着，笔者开始了土体振动频率的研究。

土体的主振频率：在土体上施加瞬态激振，测试到的振动波包含不同频率的振动，而最有代表性的是能量最高的频率成分，把这种成分分离出来，其对应的频率笔者称之为主振频率。为了分析主振频率，笔者利用了一种数学手段，即快速傅里叶变换。

快速傅里叶变换：人们称之为数学三棱镜，象三棱镜能把白色光折射成七色光谱一样，快速傅里叶变换能把包含不同频率的振动波转化为许多单一频率振动波的组合，并且这种转化很适合于通过计算机实现，其基本原理见公式（2）。

其中X(t)为采集到的时域波形。

土体主振频率的研究大部分在试验室进行，笔者制作了不同式样的试墩开展试验。除了在基地进行的试验外，笔者到南水北调工程禹长段的渠道施工现场，对粘土材料进行了压实程度的振动法测试，到大渡河猴子岩电站，对反滤土料进行了压实程度的振动法测试，又到观音岩水电工程的大坝施工现场，对碾压混凝土进行了测试。

土体主振频率的研究结果表明，对于不同颗粒组成的土料，在其碾压密实过程中呈现出的密实程度和主振频率的关系不一样：

对于粘性较大的土料，比如粘土和沥青混凝土，其密实程度和主振频率未表现出相关性；

对于粘性稍小的土料，比如碾压混凝土，其密实程度和主振频率表现出了不同斜率的分段线性相关现象。即在碾压的起始阶段，密实程度增大，主振频率增大，之后出现转折点，密实程度继续增大，主振频率则开始变小；

对于无粘性土，比如土石坝上的过渡料、反滤料，其密实程度和主振频率表现出了正线性相关现象。即密实程度增大，主振频率增大。

3.3 土体质点振动速度研究

在进行土体振动测试时，传感器为振动速度传感器，那么其采集到的就是土体质点振动的速度，除了进行主振频率的研究，同时我们也对质点振动速度和密实度的关系进行了研究。

研究采用上述测试中采集到的波形数据，对波形图中起始段振动明显的部分数据进行数学处理，得出一个来自质点振动速度的指标，这里称之为振动能量，分析振动能量和土体密实程度的关系，从中寻找相关性。

分析发现：对于无粘性土，比如土坝过渡料、反滤料，对于粘性土，比如粘土，土体的振动能量和密实程度未呈现出相关性；而对于粘性稍小的碾压混凝土料，在碾压起始阶段，其振动能量随密实程度的增加而稍有增加，之后，则增加幅度变大，在振动能量和密度的关系图中呈现出二条斜率不同的直线。

这一规律可以用于对碾压混凝土压实质量的测试，即对于某一材料组成的新拌碾压混凝土料，在接近碾压密实的状态下，其振动能量和密实度成正线性相关，测试其振动能量，可以间接反映出其密实度。

4 研究成果

经过上述的研究过程，振动法测试碾压混凝土密实度的项目取得的成果已不仅局限于测试碾压混凝土，还拓展到了其它压实土料的密实程度测试。通过此项研究，提出了土密实度测试方法，振动能量法和振动频率法。

4.1 土密实度测试方法——振动能量法

振动能量法：在被测土体上用规定激振器产生振动，按规定采样频率和采样时间采集该振动的质点振动速度数列，对该数列按规定方法进行计算得出振动能量，则对应于某类土体其振动能量与密实度之间存在相关性。预先通过碾压试验建立振动能量与土密实度之间的关系方程，测试时只需得到振动能量即可根据方程计算出密实度。

设，采集到的振动速度数列即振动波形为：

{Xn}= X1，X2，．．．，Xn；

数列中各项的平均值为：E({Xn})；

数列中各项的极差为：Range({Xn})；

那么，振动能量计算见公式（3）：

通过试验发现，振动能量法适合于对碾压混凝土密实度的测试。

振动能量和密度测试结果，见表1。表中Ev为振动能量，ρ为密度。按表1中的数据绘制振动能量与密度的关系曲线，见图.1。如图中所示，振动能量和密度的线性相关系数分别为：0.9629、0.9585、0.9956和0.9652，均大于临界值，表示相关性显著。

表1 振动能量和密度测试结果

那么，碾压混凝土料在压实过程中为什么表现出振动能量和密度线性相关的现象呢？这要从碾压混凝土的材料组成入手来分析，碾压混凝土由粗骨料和砂浆组成，砂浆内的水泥和粉煤灰等胶凝材料的粒径大都在0.08mm以下，因这些细小颗粒的比表面积相对较大，与水混合后，对水具有一定的束缚作用，使砂浆具有一定的保水性。砂浆是用来充填粗骨料之间的空隙的，在碾压初始阶段下，混凝土材料处于松散架空状态，砂浆的充填率比较低，粗骨料之间由砂浆引起的润滑效应较弱，混凝土表现出一定的刚度，随着碾压作用的增加，砂浆的充填率越来越高，密实度逐渐增大，土体刚度略有增大，而到碾压后期，粗骨料的空隙完全被砂浆充填，且砂浆体积略大于粗骨料的空隙体积，这样，粗骨料逐渐在砂浆中悬浮起来，同时碾压作用又使砂浆中的部分水游离出来，使砂浆的流动性增大，混凝土就表现出刚度的逐渐减小。原来僵硬的混凝土被变软了。这样，相同的激振力下，在混凝土表面产生的振动速度随着密实度的增加也逐渐增加了，振动能量也相应增大了，振动能量也相应增大了。

图1 振动能量和密度关系曲线

4.2 土密实度测试方法——振动频率法

振动频率法：在被测土体上用规定激振器产生振动，采集到土体的振动数据后对其进行分析得到土体的主振频率，则对应于某类土体其主振频率与密实度之间存在相关性。预先通过碾压试验建立主振频率与土密实度之间的关系方程，测试时只需得到主振频率即可依据方程计算出密实度。

通过试验发现，利用振动频率法进行密实度测试更适合于无粘性土，以下是测试结果。主振频率和密度测试结果，见表2。表中F为主振频率，ρ为密度。按表2中的数据绘制主振频率与密度的关系曲线，见图2。如图中所示，主振频率和密度的线性相关系数分别为：0.9378和 0.8520，均大于临界值，表示相关性显著。

那么，无粘性土料在压实过程中为什么表现出主振频率和密度线性相关的现象呢？从无粘性土的材料组成入手进行分析后认为，这种土料中粘粒含量低，保水能力差，在碾压和振动作用下，土颗粒之间相互填充，土体的空隙率逐渐减低，密实度逐渐增加，却由于水分容易流失，浆体含量少，致使土颗粒之间浆体的悬浮、润滑作用无法表现出来，则土体呈现出密实度越高，刚度越大的现象，而主振频率的增大正是刚度增大的反应。类似土坝中的过渡料、反滤料等材料，正是这种无粘性土料。

能量法和频率法两种方法究竟使用哪一种，可通过正式施工前进行的碾压试验结果判定，即同时计算振动能量和振动频率，检验其与密实度相关性的高低，选用相关性高的指标。在实际使用过程中，被测土料的组成、含水量应保持稳定，如果发生较大变化，应重新率定关系曲线，才能保证测值的可靠性。

表2 主振频率和密度测试结果

图2 主振频率和密度关系曲线

5 结束语

该项研究首次引入了以碾压混凝土土体的振动特征参数表示其密实程度的理念，突破了传统的仅以密度表示密实程度的做法，增进了人们对土体密实性的认识。事实上，填筑土体结构的牢固程度才是人们关注的，而并非密度。在松散土体经过诸如碾压、振捣等处理之后，土颗粒之间的相互作用加强会引起土体内部结构的变化，这势必导致其振动特征发生变化，所以对土体振动参数的监测较之密度能更直接地把握填筑效果，且能做到无损和快捷。

该项研究取得的成果，即用振动的方式测试碾压混凝土密实度的方法，充分考虑了施工现场测试的实际状况，兼具实用、稳定和可靠的特点，无需挖坑、灌砂、灌水和称量土料，无核源的放射性污染，省时、省力，健康环保。它不但适用于碾压混凝土，也适用于土石坝填筑中反滤料、过渡料，道路施工中的水泥稳定土等多种土料的压实质量控制，适用范围广，具有良好的应用前景。

此外，对于研究提出的密实度测试方法，还需要在施工现场进行大量的试验，尽量暴露出问题和缺陷，加以改进、完善和总结，才能使之最终为行业接受。

[1] 杨成林.瑞雷波勘探[M].北京:地质出版社,1993.

[2] 马恒.瞬态瑞雷波勘探及其相速度求法的探讨[J].煤炭科学技术,2000,(7):46-49.

[3] 李丕武.堆石体密度测定的附加质量法[J].地球物理学报, 1999,(3):422-427.

About the research of test roller compacted concrete filling compaction degree by vibration method

This paper introduces the research process and result about testing roller compacted concrete filling compaction degree using vibration method, put forward with the view of characterizing soil dense degree by its parameter, and to explore the relationship between.variety of soil vibration parameters and compactness of soil, including the soil vibration propagation speed, the main vibration frequency, the vibration amplitude etc, and to find the rule between the soil vibration frequency, vibration amplitude and soil compaction degree. On this basis, to form the new testing method for density degree of roller compacted concrete, is expected to application in the industry.

vibration method; compactness; main vibration frequency; vibration energy; roller compacted concrete

Q813.11..

A....

1008-1151(2015)08-0016-04

2015-07-15

陈志远（1969－），男，河南郾城人，葛洲坝集团试验检测有限公司教授级高级工程师，从事试验检测工作。