土石混填路基土的振动试验方法研究

李祥耀

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃兰州 730000）

0 前言

我国国土上大部分地形以山地和丘陵为主，因此，纵观全国的公路修筑，必然会使用到大量的土石混填路基土。这些材料多在公路工程附近便可寻到，减少了运输的成本，但是土石混填路基具有复杂的工程力学特征，含水量、土石性质以及含石量都会影响土石混填路基。在所有的因素中，密实度最为重要，该因素会导致路基变形，会影响路基的强度，另外两项具有关键性质的材料为压实度与室内标准密度。我国相关领域学者研究出了一种新的振动压实方法，可以更好模拟现代重型振动压路机。

1 土石混填路基土振动参数的确定

1.1 振动频率

不同土石比的土石混填路基土在振动压实的过程中受到振动频率变化的影响不同，当振动频率提高之后，土石混填路基土的干密度将会随之提高，一直到54 赫兹时到达最高点，之后干密度下降，在28赫兹处又有回升，之后再次下降直到35 赫兹处形成第二峰，之后下降的速度加快。这说明土石混填路基的固有频率在17-20赫兹，相应设备的振动频率为24-28 赫兹。在振动频率不高时，当频率增大时，压实效果会提升，但是干密度大于28赫兹时，土石混路基土本身的频率会与振动频率差距加大，压实效果会相应下降。此外，当振动频率下降到20赫兹时，振动压实仪会停止工作[1]。因此，综合考虑多方面因素后，将振动的频率确定为25赫兹。

1.2 激振力

为了获取到不同的激振力，可以调整偏心块的夹角，使用不同激振力试验土石混填路基土，从结果可知，当激振力处于较小的状态时，干密度增长的速度较快，但是当激振力进一步增大之后，干密度增长的速度就会相应下降，一旦激振力达到5kN 之后，干密度就会趋于平缓，不再增长。由此可知，影响压实效果的因素不止激振力，并且激振力大不代表压实效果好，两者之前没有必然联系，为了达到较好的压实效果，需要使用适当的激振力，并且配合正确的频率。

通常情况下，振幅与偏心块夹角之间呈正比，但是振幅会影响设备的寿命，还会导致试件表面存在不平整的现象。经过实验可知，（1.25mm±0.05mm）振幅的最佳范围，此时需要偏心块的夹角为0°-30°，试件的表面较为平整，并且存在较大的激振力，可以保证压实的效果，因此，在本研究中选取0°为偏心块夹角，选用的激振力为5.3kN。

1.3 静面压力

为了获取到不同的静面压力，需要调整配重块数，在不同静面压力下，土石混填路基土的干密度不同，经过实验之后，可以得知土石混谈路基土在静面压力增大的情况下，干密度会呈抛物线变化。同时，在实验中得知，振动压实仪会在配重较少的情况下出现剧烈的摇晃现象，当增加配重块数时，振动压实仪机身的跳动会逐渐平稳，直至不再跳动，处于较为稳定的工作状态下[2]。如果静面压力较大，下车系统将难以跳起，出现过大的振幅衰减，导致试件与压头的接触差，压实效果会因此受到影响。在综合多方面的因素考虑之后，确定静面压力为154.0-163.2kPa。

2 确定最佳振动的时间

压实功与振动的时间之间存在密切的关系，振动的时间增长，压实功会相应增强，也会获得更好的压实效果。在压实度增加到一定的程度时，材料的紧致程度会达到临界值，此时颗粒间会产生摩擦，压实功会转化为热能，此时为了提升压实效果继续增加压实的时间反而会产生相反的效果，为此，必须确定合理的振动时间。在室内获得的干密度与代表性碾压工艺下的现场干密度之间基本一致。

2.1 现场压实特性

为了获得不同压实遍数下的土石混填路基顶面的变形值，使用20t 的单钢轮振动压力机压实，完成一次初压静压，之后复压振动压实，再进行一次终压压实。通过试验的结果可知，路基顶面变形值与碾压的次数之间呈正比。在碾压初期，路基顶面变形值会处于较快的增加状态，之后速度会逐渐下降，在碾压次数达到一定的数值之后，路基顶面变形值会逐渐稳定下来。该实验中的土石混填路基土在经过一次静压和六次振压之后路基顶面变形值逐渐趋于稳定，密实度逐渐达到密实的程度[3]。

2.2 室内振动压实特性

以上述实验为基础，试验室内振动压实特性，经过实验后可知，当振动时间增加之后，土石混填路基的干密度会在短时间内快速增大，之后速度下降，干密度会逐渐下降，并趋于稳定，在实验中发现存在振动压实阈值。

2.3 确定最佳压实振动时间

振动压路机的吨位和碾压的次数决定了现场压实功，室内振动参数与振动时间决定了室内振动压实功。为了尽可能还原现象的压实效果，参考了当前压实机械的压实功阀值，在确定室内振动压实时间上，坚持现场所能达到最大密度相等的原则。若与现场所能达到最大密度相等，则土石混填路基土的室内振动压实时间为75s。

3 对比振动法和重型击实

3.1 最大干密度与最佳含水量

在实验的过程中分别使用重型击实法和振动压实法，将土石混填路基土最大干密度和最佳的含水率确定下来，经过实验可知，采用振动压实法的最佳含水量0.83 倍于重型击实法，最大干密度1.03 倍于重型击实法，由此可知，利用振动压实法可以在降低用水量的同时提高土石混填路基土的密实度。这是因为振动压实会冲击材料的颗粒，让颗粒从静止状态变为运动状态，以往静止摩擦时颗粒间的相互作用，如今变为了滑动摩擦，颗粒间的位置出现了相对变化。同时，水分在振动力的作用下聚集在颗粒表面，形成水膜，颗粒在水膜的影响下，相对运动的阻力更小，颗粒易被压实。

3.2 加州承载比CBR

在最佳含水率下，分别利用重型击实法与振动压实法成型力学试件，完成CBR 试验。根据试验结果可知，土石混填路基土经过振动压实之后，CBR 值是1.5 倍的重型击实法，举例来说，当土石混填路基土的密实度提升1%后，CBR 值会提升10%。颗粒性材料的密实度与材料本身的力学强度存在直接的联系，两者之间呈正比。因此，利用振动压实法可以提升土石混填路基土的密实程度，提升土石混填路基土的CBR值。此外，这种方法有利于材料合理排列。

3.3 成型前后级配的变化

为了评估不同方法对级配产生的影响，需要明确使用振动压实法与重型击实法两种方法前后土石混填路基土颗粒产生变化的情况。经过测试的结果可知，土石混填路基土颗粒级配受到振动压实法的影响更小，这是因为该方法会使粗颗粒的材料产生相互的滑移，压力从压头而来，并对材料做功，粗颗粒无需承担较大的压力。

4 结论

经过土石混填路基土干密度受振动频率、激振力与静面压力影响的试验之后可知，最佳的参数为25 赫兹的振动频率，5.3kN 的激振力以及153.0-163.2kPa。严格遵照上述三个参数，可以取得最佳的压实效果。对比研究分析了振动压实试验与重型击实实验之后可知，重型击实法无法与振动压实法相比，后者可以提高土石混填路基土最大干密度，可以提高CBR值，值得广泛应用。