陳志遠 王振振 陳軍琪

（葛洲壩集團試驗檢測有限公司，湖北 宜昌443002）

關(guān)于振動法測試碾壓混凝土填筑密實程度的研究

陳志遠 王振振 陳軍琪

（葛洲壩集團試驗檢測有限公司，湖北 宜昌443002）

文章介紹了一種用振動法測試碾壓混凝土填筑密實程度的研究過程和成果，提出了用土體振動參數(shù)表征密實程度的觀點，對土體振動傳播速度、主振頻率、振動幅度多種參數(shù)與密實度的關(guān)系進行了探究，發(fā)現(xiàn)了振動頻率、振動幅度與土體密實程度之間存在的規(guī)律，并以此為基礎形成了一種新的碾壓混凝土密度程度測試方法，有望在業(yè)內(nèi)得以應用。

振動法；密實度；主振頻率；振動能量；碾壓混凝土

1 背景

當今，碾壓混凝土正在得到廣泛應用，其大面積通倉薄層攤鋪，振動碾壓密實的施工工藝，非常適合大規(guī)模機械化作業(yè)，從而很大程度上提高了混凝土的施工速度。這種快速施工的混凝土，其施工質(zhì)量通常需要靠測試密實度予以控制和評價。

密實度是評價碾壓混凝土密實程度的一項重要指標，密實度大，混凝土的密實程度就高，硬化后的混凝土性能就更優(yōu)，比如強度高，層間結(jié)合好，抗?jié)B透性能好等，所以，能夠快速測試出碾壓混凝土的密實度，可以及時指導碾壓施工，很有意義。

密實度是土體實測密度與預定最大密度的百分比。工程上常用測量土體密度的方法主要有質(zhì)量體積測量法、置換法、核子密度儀測試法三種。其中質(zhì)量體積測量法一般需要一固定體積的容器，并使試樣充滿容器后稱重，只適用于試驗室內(nèi)測試，很難在大規(guī)模生產(chǎn)中應用；置換法測密度又分為有灌砂、灌水兩種方式，置換法由于需要在測試部位挖坑、灌砂（水）、稱量，步驟繁瑣，耗時較長，不易操作，多用于土石料密度測試，在碾壓混凝土鋪筑質(zhì)量檢測中較少使用。

當前普遍使用核子密度儀進行碾壓混凝土密實度測試。其原理是儀器中的同位素放射出γ射線，一部分γ射線被土體材料吸收，一部分穿透土體被儀器測點接收，通過γ射線損耗換算出材料的密度。由于其內(nèi)置1個或2個核源，對操作人員健康和環(huán)境有一定程度的不利影響，操作人員須定期培訓、體檢。另外，為了加強放射物品管理，核子儀中的每個核源都必須在政府管控下使用，核子儀的運輸需要環(huán)保部門審批，存儲需要專用的庫房，報廢需要通過專業(yè)機構(gòu)，這些因素給利用核子密度儀進行碾壓混凝土密實度檢測工作帶來諸多不便。

綜上所述，碾壓混凝土工程施工中急需一種無核化的、快捷的密實度測試方法。振動法測試碾壓混凝土密實程度研究就是在這種背景下開展起來的。

2 技術(shù)路徑

密實度測試方法的提出以無核化、安全快捷為出發(fā)點，不考慮傳統(tǒng)的灌水、灌砂的費力費時的方法，且測試儀器和過程都力求使測試簡捷和快速。為達此目的，筆者想到了振動法。由于計算機技術(shù)和振動學的發(fā)展，現(xiàn)在人們已經(jīng)能夠?qū)ξ矬w的振動進行快速的采集和分析，從而透過振動參數(shù)了解物體的物理力學特性，這是進行振動法測試的基礎。而碾壓混凝土在從攤鋪后的松散狀態(tài)到碾壓密實的過程中，可以抽象地看成一個剛度不斷變化的彈性體。假設通過一剛性墊板對土體實施瞬態(tài)激振，墊板下土體的彈性系數(shù)為k，參與振動的質(zhì)量為m，則該振動系統(tǒng)的振動頻率f的計算見式（1）：

從式中可以看出，振動頻率與土體的彈性系數(shù)就有密切的關(guān)系。而土體彈性系數(shù)的大小會隨著土體壓實程度的變化有相應的變化。所以，對該彈性體進行瞬態(tài)激振，采集振動波并進行分析，從理論上說，會得到土體密實程度隨振動參數(shù)的變化規(guī)律，若能建立密實度隨振動參數(shù)變化的關(guān)系曲線，則在實際測試時只需對碾壓混凝土瞬態(tài)激振即可進一步得出對應的密實度。

而事實上，振動參數(shù)不止是頻率，激振方式也不止是瞬態(tài)激振，采集振動的方式也多種多樣，從中找出合適的方式和振動信號特征值參數(shù)組合，使測值準確、操作方便，是此項研究的關(guān)鍵。

3 研究內(nèi)容

找到與密實度相關(guān)性明顯的振動參數(shù)是本研究的核心，筆者用瞬態(tài)激振的方法激發(fā)土體的振動，分別對振動傳播速度、主振頻率、振動幅度幾種參數(shù)與密實度的關(guān)系進行了試驗研究。

3.1 振動傳播速度研究

在土體表面施加一個瞬態(tài)激振，振動會在土體中傳播開去，有資料表明，土體越密實，其傳播振動的速度會越高，如果這個結(jié)論能通過驗證，則可以用以進行土體密實度的測試。按照這個思路，筆者進行了振動傳播速度與密實度的關(guān)系研究。振動傳播速度的測定采用2個垂直檢波器和1臺2通道測振儀進行。

測速時設定 2個垂直檢波器和激錘在同一條直線上，分別相隔一定距離，且激錘在檢波器的同一側(cè)。當激錘在被測土體上激發(fā)振動，2個檢波器任意一個受到觸發(fā)，2個檢波器則同時開始采集并持續(xù)一定時間，得到 2個振動波數(shù)列。利用這兩個數(shù)列計算振動波傳播到兩個傳感器所在位置的時間差，再通過測得的兩個傳感器之間的距離便可計算出振動傳播速度。

筆者在試驗基地制作了不同密實度的試墩，進行了多次測試，并在四川內(nèi)江到遂寧的高速公路工程的水泥穩(wěn)定層施工現(xiàn)場進行了測試。

研究結(jié)果表明，利用這種方法測試振動傳播速度，結(jié)果重復性差，與密實度之間無規(guī)律可循。此外，測試需要布置2個傳感器，1個激振裝置，傳感器和測振儀之間需要連接數(shù)據(jù)線，測試裝置分散，整體性差，傳感器要靠長尾錐固定在土體中，而土體中的石子常常使傳感器固定不穩(wěn)，這些因素致使測試耗時長，結(jié)果不穩(wěn)定，不能滿足現(xiàn)場測試要求。因此，利用振動傳播速度測試密實度的方案未能繼續(xù)。

3.2 土體主振頻率研究

前期的研究讓筆者意識到，找到一個重復性好的振動參數(shù)是振動法測試密實度的前提，測試過程簡單才能滿足現(xiàn)場測試快捷的要求，接著，筆者開始了土體振動頻率的研究。

土體的主振頻率：在土體上施加瞬態(tài)激振，測試到的振動波包含不同頻率的振動，而最有代表性的是能量最高的頻率成分，把這種成分分離出來，其對應的頻率筆者稱之為主振頻率。為了分析主振頻率，筆者利用了一種數(shù)學手段，即快速傅里葉變換。

快速傅里葉變換：人們稱之為數(shù)學三棱鏡，象三棱鏡能把白色光折射成七色光譜一樣，快速傅里葉變換能把包含不同頻率的振動波轉(zhuǎn)化為許多單一頻率振動波的組合，并且這種轉(zhuǎn)化很適合于通過計算機實現(xiàn)，其基本原理見公式（2）。

其中X(t)為采集到的時域波形。

土體主振頻率的研究大部分在試驗室進行，筆者制作了不同式樣的試墩開展試驗。除了在基地進行的試驗外，筆者到南水北調(diào)工程禹長段的渠道施工現(xiàn)場，對粘土材料進行了壓實程度的振動法測試，到大渡河猴子巖電站，對反濾土料進行了壓實程度的振動法測試，又到觀音巖水電工程的大壩施工現(xiàn)場，對碾壓混凝土進行了測試。

土體主振頻率的研究結(jié)果表明，對于不同顆粒組成的土料，在其碾壓密實過程中呈現(xiàn)出的密實程度和主振頻率的關(guān)系不一樣：

對于粘性較大的土料，比如粘土和瀝青混凝土，其密實程度和主振頻率未表現(xiàn)出相關(guān)性；

對于粘性稍小的土料，比如碾壓混凝土，其密實程度和主振頻率表現(xiàn)出了不同斜率的分段線性相關(guān)現(xiàn)象。即在碾壓的起始階段，密實程度增大，主振頻率增大，之后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，密實程度繼續(xù)增大，主振頻率則開始變??；

對于無粘性土，比如土石壩上的過渡料、反濾料，其密實程度和主振頻率表現(xiàn)出了正線性相關(guān)現(xiàn)象。即密實程度增大，主振頻率增大。

3.3 土體質(zhì)點振動速度研究

在進行土體振動測試時，傳感器為振動速度傳感器，那么其采集到的就是土體質(zhì)點振動的速度，除了進行主振頻率的研究，同時我們也對質(zhì)點振動速度和密實度的關(guān)系進行了研究。

研究采用上述測試中采集到的波形數(shù)據(jù)，對波形圖中起始段振動明顯的部分數(shù)據(jù)進行數(shù)學處理，得出一個來自質(zhì)點振動速度的指標，這里稱之為振動能量，分析振動能量和土體密實程度的關(guān)系，從中尋找相關(guān)性。

分析發(fā)現(xiàn)：對于無粘性土，比如土壩過渡料、反濾料，對于粘性土，比如粘土，土體的振動能量和密實程度未呈現(xiàn)出相關(guān)性；而對于粘性稍小的碾壓混凝土料，在碾壓起始階段，其振動能量隨密實程度的增加而稍有增加，之后，則增加幅度變大，在振動能量和密度的關(guān)系圖中呈現(xiàn)出二條斜率不同的直線。

這一規(guī)律可以用于對碾壓混凝土壓實質(zhì)量的測試，即對于某一材料組成的新拌碾壓混凝土料，在接近碾壓密實的狀態(tài)下，其振動能量和密實度成正線性相關(guān)，測試其振動能量，可以間接反映出其密實度。

4 研究成果

經(jīng)過上述的研究過程，振動法測試碾壓混凝土密實度的項目取得的成果已不僅局限于測試碾壓混凝土，還拓展到了其它壓實土料的密實程度測試。通過此項研究，提出了土密實度測試方法，振動能量法和振動頻率法。

4.1 土密實度測試方法——振動能量法

振動能量法：在被測土體上用規(guī)定激振器產(chǎn)生振動，按規(guī)定采樣頻率和采樣時間采集該振動的質(zhì)點振動速度數(shù)列，對該數(shù)列按規(guī)定方法進行計算得出振動能量，則對應于某類土體其振動能量與密實度之間存在相關(guān)性。預先通過碾壓試驗建立振動能量與土密實度之間的關(guān)系方程，測試時只需得到振動能量即可根據(jù)方程計算出密實度。

設，采集到的振動速度數(shù)列即振動波形為：

{Xn}= X1，X2，．．．，Xn；

數(shù)列中各項的平均值為：E({Xn})；

數(shù)列中各項的極差為：Range({Xn})；

那么，振動能量計算見公式（3）：

通過試驗發(fā)現(xiàn)，振動能量法適合于對碾壓混凝土密實度的測試。

振動能量和密度測試結(jié)果，見表1。表中Ev為振動能量，ρ為密度。按表1中的數(shù)據(jù)繪制振動能量與密度的關(guān)系曲線，見圖.1。如圖中所示，振動能量和密度的線性相關(guān)系數(shù)分別為：0.9629、0.9585、0.9956和0.9652，均大于臨界值，表示相關(guān)性顯著。

表1 振動能量和密度測試結(jié)果

那么，碾壓混凝土料在壓實過程中為什么表現(xiàn)出振動能量和密度線性相關(guān)的現(xiàn)象呢？這要從碾壓混凝土的材料組成入手來分析，碾壓混凝土由粗骨料和砂漿組成，砂漿內(nèi)的水泥和粉煤灰等膠凝材料的粒徑大都在0.08mm以下，因這些細小顆粒的比表面積相對較大，與水混合后，對水具有一定的束縛作用，使砂漿具有一定的保水性。砂漿是用來充填粗骨料之間的空隙的，在碾壓初始階段下，混凝土材料處于松散架空狀態(tài)，砂漿的充填率比較低，粗骨料之間由砂漿引起的潤滑效應較弱，混凝土表現(xiàn)出一定的剛度，隨著碾壓作用的增加，砂漿的充填率越來越高，密實度逐漸增大，土體剛度略有增大，而到碾壓后期，粗骨料的空隙完全被砂漿充填，且砂漿體積略大于粗骨料的空隙體積，這樣，粗骨料逐漸在砂漿中懸浮起來，同時碾壓作用又使砂漿中的部分水游離出來，使砂漿的流動性增大，混凝土就表現(xiàn)出剛度的逐漸減小。原來僵硬的混凝土被變軟了。這樣，相同的激振力下，在混凝土表面產(chǎn)生的振動速度隨著密實度的增加也逐漸增加了，振動能量也相應增大了，振動能量也相應增大了。

圖1 振動能量和密度關(guān)系曲線

4.2 土密實度測試方法——振動頻率法

振動頻率法：在被測土體上用規(guī)定激振器產(chǎn)生振動，采集到土體的振動數(shù)據(jù)后對其進行分析得到土體的主振頻率，則對應于某類土體其主振頻率與密實度之間存在相關(guān)性。預先通過碾壓試驗建立主振頻率與土密實度之間的關(guān)系方程，測試時只需得到主振頻率即可依據(jù)方程計算出密實度。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，利用振動頻率法進行密實度測試更適合于無粘性土，以下是測試結(jié)果。主振頻率和密度測試結(jié)果，見表2。表中F為主振頻率，ρ為密度。按表2中的數(shù)據(jù)繪制主振頻率與密度的關(guān)系曲線，見圖2。如圖中所示，主振頻率和密度的線性相關(guān)系數(shù)分別為：0.9378和 0.8520，均大于臨界值，表示相關(guān)性顯著。

那么，無粘性土料在壓實過程中為什么表現(xiàn)出主振頻率和密度線性相關(guān)的現(xiàn)象呢？從無粘性土的材料組成入手進行分析后認為，這種土料中粘粒含量低，保水能力差，在碾壓和振動作用下，土顆粒之間相互填充，土體的空隙率逐漸減低，密實度逐漸增加，卻由于水分容易流失，漿體含量少，致使土顆粒之間漿體的懸浮、潤滑作用無法表現(xiàn)出來，則土體呈現(xiàn)出密實度越高，剛度越大的現(xiàn)象，而主振頻率的增大正是剛度增大的反應。類似土壩中的過渡料、反濾料等材料，正是這種無粘性土料。

能量法和頻率法兩種方法究竟使用哪一種，可通過正式施工前進行的碾壓試驗結(jié)果判定，即同時計算振動能量和振動頻率，檢驗其與密實度相關(guān)性的高低，選用相關(guān)性高的指標。在實際使用過程中，被測土料的組成、含水量應保持穩(wěn)定，如果發(fā)生較大變化，應重新率定關(guān)系曲線，才能保證測值的可靠性。

表2 主振頻率和密度測試結(jié)果

圖2 主振頻率和密度關(guān)系曲線

5 結(jié)束語

該項研究首次引入了以碾壓混凝土土體的振動特征參數(shù)表示其密實程度的理念，突破了傳統(tǒng)的僅以密度表示密實程度的做法，增進了人們對土體密實性的認識。事實上，填筑土體結(jié)構(gòu)的牢固程度才是人們關(guān)注的，而并非密度。在松散土體經(jīng)過諸如碾壓、振搗等處理之后，土顆粒之間的相互作用加強會引起土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，這勢必導致其振動特征發(fā)生變化，所以對土體振動參數(shù)的監(jiān)測較之密度能更直接地把握填筑效果，且能做到無損和快捷。

該項研究取得的成果，即用振動的方式測試碾壓混凝土密實度的方法，充分考慮了施工現(xiàn)場測試的實際狀況，兼具實用、穩(wěn)定和可靠的特點，無需挖坑、灌砂、灌水和稱量土料，無核源的放射性污染，省時、省力，健康環(huán)保。它不但適用于碾壓混凝土，也適用于土石壩填筑中反濾料、過渡料，道路施工中的水泥穩(wěn)定土等多種土料的壓實質(zhì)量控制，適用范圍廣，具有良好的應用前景。

此外，對于研究提出的密實度測試方法，還需要在施工現(xiàn)場進行大量的試驗，盡量暴露出問題和缺陷，加以改進、完善和總結(jié)，才能使之最終為行業(yè)接受。

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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

陳志遠（1969－），男，河南郾城人，葛洲壩集團試驗檢測有限公司教授級高級工程師，從事試驗檢測工作。