粉土压实机理及施工技术研究

第６卷第６期　现代交通技术　ＶＯＩ．６　Ｎｏ．６　２００９年１２月　Ｍｏｄｅｒｕ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｃ．２ＯＯ９　粉土压实机理及施工技术研究　杨人凤．余中杰　（长安大学“道路施工技术与装备”教育部重点实验室，陕西西安７１００６４）　摘要：以靖安高速公路含砂低液限粉土为研究对象，研究了该粉土的颗粒组成、击实特性等物理机械性质及工　程特性。利用冲击振动复合压路机模型，进行了粉土的压实机理试验研究，并经实际现场施工验证了该模型的显　著压实效果。　关键词：粉土；压实机理；冲击振动；击实特性　中图分类号：Ｕ４１４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—９８８９（２００９）０６—０００１—０３　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｓｉｌｔ　Ｙａｎｇ　Ｒｅｎｆｅｎｇ，Ｙｕ　Ｚｈｏｎｇｊｉｅ　（“Ｒｏａｄ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ”ｔｈｅ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　Ｃｈａｎｇ　ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００６４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｉｌｔ　ｗｉｔｈ　ｌｏｗ　ｌｉｑｕｉｄ　ｌｉｍｉｔ　ｆｒｏｍ　Ｊｉｎｇ　ａｎ　ｈｉｇｈｗａｙ　ａｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｉｔｓ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｅｔｃ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ａｎ　ｉｍｐａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｒｏｌｌｅｒ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ａｃｔｕａｌ　ｏｎ・ｓｉｔｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｉｌｔｙ；ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｉｍｐａｃｔｉｏｎ—ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　近年来，随着我国高速公路的迅速发展，高速　是这样定义的：粉土是介于砂土和粘土之间，塑性　公路的填方量也越来越大，其中也遇到了一些难以　指数，尸≤１０，且粒径大于０．０７５的颗粒含量不超过　处理的工程问题。在靖安高速公路靖边段，分布了　总量的５０％。本文所取粉土土样分布于陕北靖安高　大量粉土，其工程性质很差，如果换填，需要从山西　速公路靖边段ＬＫ０＋７００处，属于黄河冲积所形成　运土，运输成本很高，且拖延工期，工程造价提高很　的．又具有其自身的特点。粉土颗粒大部分都是由　多。因此，对于粉土进行全面的、系统的物理力学特　粉粒和极细砂粒组成的，粒径主要集中在０．０７４　ｍｍ　性、可压实特性等方面的广泛试验研究，以实际试　以下，粉粒的含量很高，粘粒的含量很小。　验数据为基础进行深入的理论分析，揭示其本构关　（２）粉土的物理性质　系、动态形变特性，探索其正确的压实方法、压实机　粉土颗粒大部分是由粉粒和极细砂粒组成的，　理．同时结合被压材料特性对压实设备本身工作参　表面积不大，但是它们的毛细现象却很活跃，所以　数进行合理地匹配是非常必要的。　土颗粒之间由于这种毛细压力而相互连接，显示出　ｌ试验用粉土的特性　很弱的内聚力。同时，粉土的内摩擦角很小，毛细作　用很大．毛细水上升很高。因此在寒冷地区，冬季的　１．１试验用粉土机械物理性质　时候容易冻涨。到春季的时候又翻浆，极易造成公　（１）粉土的定义及试验用粉土的来源　路的早期破坏．对道路的使用寿命和服务水平产生　粉土是工程中最常见的土类之一，它既不同于　很大的影响。　粘土，又有别于砂土，具有独特的工程性质。《建筑　（３）粉土的双重性质　地基基础设计规范｝（ＧＢ５０００７－－２００２）中对于粉土　粉土有接近砂土和粘土的双重特性，这是因为　基金项目：国家自然科学基金资助项目（项目批准号：５０５７８０１７）　作者简介：杨人风（１９６０一），女，山西河津人，教授，博导，主要研究方向为机电液一体化技术、高速公路路网监测与控制技术、工　程机械自适应及智能化控制技术等　・２・　现代交通技术　２００９年　粉土中既含有砂粒又含有粘粒成分的缘故。当粉土　为９．５。试验所用的粉土的不均匀系数为Ｃ￣＝２３．３，　的砂粒成分含量较高时，它的特性与砂土的特性相　似；当粘粒的成分较高时．粉土的特性与粘土的特　性相似。根据粉土中颗粒的级配情况将之划分为砂　质粉土和粘质粉土，粒径＜０．００２　ｍｍ的颗粒含量不　超过全重的１０％为砂质粉土，粒径＜０．００２　ｍｍ的颗　曲率系数为　＝０．６９，属于不良级配土。　表１试验用粉土的物理性质　粒径范围／０．５　２　０．２５～０．５　０．０７４～０．２５　０．０２　０．０７４＜Ｏ．００２　ｍｍ　含量／％０．６　１．７　３６．４　５７．１　４．２　粒含量超过全重的１０％为粘质粉土，该试验所取靖　安高速粉土属于砂质粘土。　（４）粉土的天然含水量　粉土表面极易失水，干燥后凝结成块，极易破　碎．破碎后的粉土呈粉尘状，但５　ｅｍ以下的土体天　然含水量一般在５％～７％之间。粉土的天然干密度　一般在１．５５—１．５８　ｍ’之间。　（５）粉土的低饱和含水性　粉土的孔隙比较小，一般在０．６０～０．７５之间。而　其饱和含水量又主要取决于孔隙比的大小，粉土的　饱和含水量一般在２０％～３０％之间．因此属于低饱　和含水量。　（６）粉土的低强度特性　粉土也表现出低强度的特性。土颗粒之间的联　结力主要有两部分。当土中结合水由于蒸发渐渐减　少时，粘粒产生干燥凝结现象，但是粉土的粘粒很　少，这种由于失水而产生的内聚力很弱，表现出来　就是干燥的粉土很容易破碎，破碎后呈粉尘状：当　粉土中的含水量过大的时候，颗粒间的结合水连接　力减弱，其强度也大大降低。　（７）粉土的稳定性　低液限粉土是工程中常见的一种土。其粘粒含　量少，塑性指数低，稳定性差。但粉土往往不存在一　定的稳定界限，不同的初始孔隙比有不同的稳定界　限，其稳定性非常复杂。当以粉土作为路堤填料时，　由于低塑性粉土中蒙脱石、伊利石等粘粒含量少．　与水胶结作用能力差，颗粒间联合强度低，土体渗　透系数较高，粘聚力低，抗冲刷性低。当降雨强度达　到一定值时，首先雨滴连续冲击破坏粉土颗粒之间　脆弱的联结，当降雨在坡面上形成水流时，又因水　流冲刷并带走粉砂土颗粒，在路面、坡面上形成沟　槽，因此，为了增强粉土路基的稳定性，通常需要对　粉土路基掺入水泥、石灰等材料进行改良。　１．２试验用粉土的粒径组成及级配分析　试验用粉土的颗粒分析见表１。根据《公路土　工试验规程￣（ＪＴＪ０５１—９３）［　］可知。主要是由细砂和　粉粒组成。其液限为２６．５％，塑限为１７％，塑性指数　１．３粉土的压实标准　压实度是评价路基质量好坏的重要指标之一．　其标准对于保证路基的强度、刚度、稳定性和耐久　性具有举足轻重的作用，同时也会对路面结构层产　生一定的影响。目前我国通常用　来表示被压材料　的密实程度，即压实度：　Ｋ：勉　Ｊ９　矾　式中，Ｐ现场为现场压实土的干密度；ｐ一为击实试验　所得的土的最大干密度。　因此，为了得到本粉土的压实度，必须知道本　粉土的击实试验所得的土的最大干密度。　１．４粉土的击实试验所得最大干密度和特性分析　用粉土作为路基填筑材料时，需要在模拟现场　施工条件下．找出本粉土的最佳压实密度以及相应　的最佳含水量。图１为本粉土采用重型击实试验法　所得到的击实特性曲线。　１・８　１．７８　Ｌ　嚣１．７４　ｌ・７２　１．７　含水量／％　图１试验用粉土的击实特性曲线　击实的过程中可以发现。当含水量很小的时　候，粉土在每击一次都会从击实桶中挤出，试件比　较松散；而当含水量比较高，超过１７％的时候，击实　筒底部有水溢出．出现弹簧现象。难以压实。　当含水量在最佳含水量的左侧时，曲线比较平　缓。而在右侧时则比较陡，说明当含水量超过最佳含　水量时，粉土对水非常敏感。粉土的压实过程和其他　土体一样，也是压实机械施加功于土体，迫使土体中　的空气排除，使土颗粒重新排列．从而减小土体孔隙　比，提高路基的强度。击实试验表明：该粉土土样的　最佳含水量为ｌ３．１％，最大干密度为１．７８　ｍ　。　第６期　杨人凤，等：粉土压实机理及施工技术研究　３・　２试验用粉土的室内压实研究　为了研究振动和冲击作用对粉土压实度的影　响规律，试验分２种工况：（１）冲击＋静碾工况；（２）　振动＋冲击＋静碾工况。本试验在粉土含水量基本相　同的情况下，行驶速度１．５　ｋＭ／ｈ，对每一工况碾压了　１２遍，并测量其上、中、下３层的压实度。其中：上层　距压实表面５　ｅｍ：中层距上表面１５　ｅｍ：上层距上表　面２５　ｅｍ。测点位置是将冲击间隔３等分而定的［　。　２．１试验用压路机振动频率的确定　参考有关资料，粉土压实采用２７～３３　Ｈｚ的振动　频率。根据试验结果，３０　Ｈｚ的压实效果较好，下面　给出在３０　Ｈｚ振动频率时粉土的振动＋冲击＋静碾　压实试验与冲击＋静碾压实试验的对比情况。　２．２冲击＋静碾压实工况试验　表２为在冲击＋静碾工况下，进行碾压１２遍后　所得到的各层的平均压实度值。　表２冲击＋静碾工况下各层的压实度　％　从表２中的压实度数据可以看出：　（１）冲击＋静碾作用下，各层的平均压实度随深　度的增加而降低。　（２）在该工况下，由于冲击机构作用的不连续　性，同层粉土压实度不均匀性显现。　２．３冲击＋振动＋静碾压实工况试验　表３为在冲击＋振动＋静碾工况下，振动频率为　３０　Ｈｚ时，进行碾压１２遍后所得到的各层的平均压　实度值。　表３冲击＋振动＋静碾工况下各层的压实度　％　从表３中的压实度数据可以看出：　（１）冲击＋振动＋静碾作用下，粉土各层的平均压　实度依旧随深度的增加而降低，但数值明显提高。　（２）同层粉土的压实度值接近，反映出此工况　压实度均匀性较冲击＋静碾工况有显著地改善。　２．４　２种压实工况试验结果比较　（１）面层的平均压实度由９２．６％提高到９５．１％，　提高了２．７％。中层的平均压实度由９１．１％提升到　９４．２％，提高了３．４％。下层的平均压实度由８８．１％提　升至９２．６％．提高了５．１％。　（２）从上面的比较可以看出，随着深度的增加，　冲击＋振动＋静碾工况下的压实度提升的幅度较冲　击＋静碾工况增大，说明在冲击＋振动的情况下，粉　土颗粒之间的联结力减弱，更易产生颗粒间的移　动，因而能更好地吸收能量，使得整体的压实度都　有很大的提高。　２．５冲击振动压实机理分析　冲击作用可以对被压材料施加比静压力、振动　力大得多的瞬间作用力，从表面传至土层内部的压　力波也比振动波更深、更强。振动则为压实创造了　较好工作条件，振动作用使土颗粒从静止的初始状　态进入运动状态，土颗粒之间的摩擦力也由初始的　静摩擦力转变成动摩擦力，颗粒之间的摩擦力变　小，联结力减弱。从而使被压材料更好地吸收冲击　作用所施加的巨大能量，二者的复合作用极大地强　化了压实过程。　３粉土的现场压实研究　试验场地在靖安高速公路靖边段ＬＫ０＋７００路　段，为一桥涵台背回填处，见图２。由于受场地限制，　大型压路机无法作业，原来采用１２６　ｋｇ振动平板夯　进行作业（激振力２１　ｋＮ，行走速度１．２　ｋｍ／ｈ），压实　度达不到规范要求，不得不采用改良土换填后再压　实。施工成本较高。后采用冲击振动压路机进行碾　压。既不用改良土，也不用换填。完全可以达到规范　要求。表４是振动平板夯与小型冲击振动压路机进　行的对比试验。　图２试验所在桥涵台背回填处　在碾压路段上振动平板夯压实６遍，随机选取　２点测压实度。采用冲击　（下转第６页）　・６・　现代交通技术　２００９盎　４结论　综合以上分析，得到如下结论：　（１）对于７０＃沥青掺加ＳＡＫ的混合料成型温度　宜为１１５～１２５　ｏＣ，ＳＢＳ改性沥青掺加ＳＡＫ的混合料　成型温度宜为１４０～１４５　ｏＣ：击实次数或设计旋转次　旋转压宴次数／次　数采用目前相关规范要求的次数。　图２不同成型温度和压实图３不同成型温度和压实　（２）通过旋转压实曲线对温拌沥青混合料和热　次数下Ｓｕｐ一２０空隙率变化次数下Ｓｕｐ一２５空隙率变化　拌沥青混合料的压实性能进行分析．表明温拌沥青　如果保持成型次数不变，由图４可知温拌沥青　混合料能改善施工和易性．其路用性能与热拌沥青　混合料空隙率随成型温度变化趋势，根据Ｓｕｐｅｒｐａｖｅ　混合料相当。　设计空隙率４％，可推断温拌沥青混合料成型温度。　（３）通过对温拌沥青混合料不同温度和不同旋　Ｓｕｐ一２５温拌沥青混合料成型温度为Ｉ１５～１２０℃．设　转压实次数下成型试验，其空隙率随温度和旋转压　计旋转次数为１００次；Ｓｕｐ一２０温拌沥青混合料的成　实次数呈现规律性变化．如果采用与热拌沥青混合　型温度为１４０～１４５　ｏＣ，设计旋转次数为１００次．较热　料相同旋转压实次数，可初步确定温拌沥青混合料　拌沥青混合料成型温度约低２０℃。　的成型温度较热拌沥青混合料降低约２Ｏ℃。　参考文献　［１］美国沥青协会．高性能沥青路面（ｓｕｐｅｒｐａｖｅ）基础参考手　册．贾渝，曹荣吉，李本京译［Ｍ］．北京：人民交通出版社，　２ｏｏ５．　［２］张争奇，袁迎捷，王秉刚．沥青混合料旋转压实密实曲线　信息及其应用［Ｊ］．中国公路学报，２００５，１８（３）：１－６．　［３］张守城，王捷．ＳＡＫ温拌沥青添加剂适宜掺量的探讨Ｅｃ］．　２００８中国乳化沥青技术和路面维修养护技术大会论文　图４温拌沥青混合料空隙率随成型温度变化图　集．２００８．　（压实次数１００次）　（收稿日期：２００９—０２—２２）　；ＩＬ　（上接第３页）　的早期破坏，是一种工程性质极差的土，常规的压　振动压路机进行压实，振动＋静碾１遍，冲击＋振动＋　实设备很难对其进行处理。该段粉土土样的最佳含　静碾５遍。在同样深度下也随机选取２点测压实　水量为１３．１％，最大干密度为１．７８　ｅｇｃｍ，。　度，所得试验结果见表４。　（３）冲击＋振动＋静碾复合作用对粉土的压实效　表４粉土现场压实对比表　％　果突出，振动使粉土颗粒之间的联结力降低，为压　实创造了有利条件；冲击波具有很强的穿透性，其　作用深度更深。两者有机地结合，极大地强化了压　实过程。　（４）利用该冲击振动压路机进行靖安粉土台背　回填压实，效果明显优于振动板夯．完全可以达到　５结论　施工规范要求，避免了被压土改良或换填所造成的　（１）靖安高速公路ＬＫ０＋７７０段粉土的颗粒粒径　施工成本增加。　主要集中于０．０２—０．０７４　ｍｍ内，颗粒的不均匀系数　参考文献　Ｃ　＝２３．３，曲率系数为Ｇ＝０．６９，说明靖安高速公路现　［１］ＪＴＧ　Ｅ４０－－－２００７公路土工试验规程［ｓ】．　场粉土为不良级配土　［２］杨人凤．冲击振动复合压实技术与设备［Ｍ］．北京：中国科　（２）该粉土具有低强度、低稳定性等特性，冬季　学技术出版社．２００３．　容易冻涨，春季易翻浆，若处理不当，极易造成公路　（收稿日期：２００９一１０—２９）