岳 軍

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司東北分院，哈爾濱 150006)

砂礫是路基施工中的一種填料，具有較好的工程性質。但由于砂礫顆粒的棱角比較圓滑，導致其壓實特性并不好，屬于較難壓實的填料之一[2]。其主要原因在于砂礫顆粒之間的關聯作用較弱、所形成的抗剪強度較低、抵抗變形的能力較弱的緣故，需要尋找改善壓實效果的工程措施。

影響壓實效果的主要原因是砂礫顆粒棱角的圓滑。棱角的圓滑會使摩擦能力、顆粒之間的咬合降低，會直接導致顆粒間的關聯程度下降，基于此特性，若能增強砂礫顆粒之間的相互作用能力，增加顆粒間摩擦能力及咬合，即可提升砂礫結構的穩(wěn)定性，優(yōu)化壓實特性。

因此，在室內利用石渣和砂礫之間抗剪強度的不同，向砂礫中加入一定量的石渣，就可以起到改善顆粒之間相互作用的能力，提高關聯程度。同時利用壓實過程數據采集系統(tǒng),對壓實過程進行動態(tài)監(jiān)控，得到了能反映砂礫結構抗力信息的響應數據，以利于比較和確定石渣的加入量。

為優(yōu)化施工現場砂礫路基的壓實效果鋪墊，對現場施工工作進行指導是該項研究的重要意義。

1 試驗原理

在室內對砂礫進行振動壓實試驗，所用的試驗設備為自行研制的振動壓實試驗系統(tǒng)，包括激振設備和自動測試設備。其中壓實機具為壓實儀，測試部分為微電腦自動數據采集測試儀[3]，如圖1所示。

圖1 振動壓實試驗系統(tǒng)

該試驗系統(tǒng)的主要特點為激振力、頻率和振幅皆可調。激振力由一對偏心質量相對旋轉產生，振幅通過調整質量塊實現。試驗時將材料裝入試桶中，試桶直徑為15 cm，然后由壓實儀自上而下進行壓實成型。將振動傳感器置于振動質量塊上，連接到自動測試儀上，進行壓實過程的測試。參考采樣定理，對壓實過程進行動態(tài)監(jiān)測時，所選的采樣頻率是激振頻率的8～10倍。

振動壓實工藝可以表達成如下形式：

U=U(P，f，M)

其中 P——壓實儀的激振力；

f——壓實儀的激振頻率；

M——壓實儀的振動質量。

根據振動理論，通過對壓實機具振動方程的分析可知，為得到相關參數就必須明確M、P、f三個主要參數的結合方式，其中M為振動質量、P為激振力、f為激振頻率，這三個參數決定了壓實工藝。試驗時，選取的工藝參數如下：

激振頻率：f=(30Hz，35Hz，40Hz)；

激振力：P=(6.37KN，6.81KN，7.00KN，8.09KN，9.14KN，9.68KN)；

振動配重質量：M=(10Kg，30Kg，40Kg，50Kg，70Kg，90Kg，100Kg，110Kg，130Kg，150Kg)；

本次試驗的全部振動工藝是將P、M、f進行排列組合。其中振動質量=固定部分+可調部分(配

重)。采取調節(jié)配重塊，讓振幅在1.0～2.0mm[4]。

2 優(yōu)化砂礫壓實特性的根據

抗剪強度作為評價砂礫結構在強度和剛度方面的一種指標，不僅在其力學方面有著重要的特性，也是砂礫結構工程特性指標中重要的一項?？辜魪姸葲Q定了砂礫結構在抵抗外荷載作用下的極限剪切能力，其本質就是砂礫中顆粒間的相互關系，這種相互關系的優(yōu)化是砂礫壓實特性改變的根本原因。

砂礫是一種粗粒材料，所以其抗剪強度因級配構成不同而異[5]。砂礫的內摩擦主要是顆粒間的相對移動引起的，其由滑動摩擦和咬合摩擦組成，前者是顆粒在其之間的相對粗糙接觸面產生的相對滑動所引起，主要受到顆粒的形狀、物質構成、組成配比的影響，后者是顆粒間脫離膠合狀態(tài)所產生的移動引起的。實驗表明，滑動摩擦角與顆粒粒徑成反比例關系，究其原因隨著顆粒粒徑的不斷增大顆粒粒徑重心離剪切面越來越遠，從而在剪力作用下會導致內部出現滾動摩擦。后者是顆粒間脫離膠合狀態(tài)所產生的移動引起的，其本質是臨近顆粒間產生位移時的約束作用。實驗表明，結構間隙小，磨圓度弱，咬合能力高，則其內摩擦角就更大。所以，增大結構的抗剪強度、優(yōu)化顆粒的相對摩擦就可以明顯提高砂礫的壓實特性，比如將合理數量帶有棱角的材料加入研究的砂礫中就是優(yōu)化其壓實特性的一種辦法。

為了比較砂礫和石渣這兩種粗顆粒材料構成結構的抗剪強度的不同，試取砂礫和石渣分別進行測試，其中粗粒含量分別為D=20%～80%，以10%依次遞增分組，共7組，試驗結果見表1和圖2。

表1 石渣和砂礫抗剪強度試驗結果匯總表

圖2 石渣與砂礫的抗剪強度

從以上結果可知，抗剪強度主要是由顆粒含量即不同的級配比所決定的。

粗料占比小于30%，抗剪強度受到粗料含量影響非常小，隨著粗料含量的增加抗剪強度僅僅小幅增加，此時細料的性質取決定因素；粗料占比大于30%小于70%時，粗、細骨料的性質同時影響著抗剪強度，此時抗剪強度因為粗料含量的增加而有大幅增長[6]。粗料含量大于70%時，粗料特性對于抗剪強度產生決定性影響，此時抗剪強度因粗料占比的提升而小幅下降。這主要是由于隨著粗料含量的增加，細料不能填滿顆粒間的孔隙，密度有所減小而致，并且粗料含量越大，其抗剪強度減小的就越多。

顆粒自身包含的物體特性對抗剪強度的影響凸出。在抗剪強度方面石渣強于砂礫，這證明了顆粒堅硬程度高，粒徑相差大且均勻性差且顆粒棱角越分明，則所填筑的密度大、抗剪強度高。所以，優(yōu)化顆粒間的相互作用，比如添加石渣，優(yōu)化顆粒內摩擦角可以提高砂礫之間的抗剪強度以提高壓實效果。

3 砂礫的最佳振動壓實工藝

為了對改善砂礫壓實特性進行試驗，必須確定振動壓實成型試驗的最佳工藝，首先通過試驗確定在已知P和f情況下的M大小[10]，其結果如表2所示。

表2 砂礫各種工況下最佳振動工藝及結果匯總

圖3通過排序可知，砂礫的最佳振動工藝與相應的密度為：P=9.14KN，f=30Hz，M=70Kg，ρ=2.051g/cm3；同樣可以確定石渣最佳的振動工藝與相應的密度為：P=6.37KN，f=40Hz，M=10Kg，ρ=2.342g/cm3；

圖3 砂礫的密度與振動工藝關系圖

與石渣不同的是，砂礫材料的最佳施振頻率為30Hz左右，可能是由于顆粒形狀的緣故，詳細的分析有待于進一步的研究工作[7]。

4 改善砂礫壓實特性的措施

由于石渣與砂礫的抗剪強度特性有所區(qū)別，要提高砂礫的壓實效果，可以在其中加入合理量的石渣[8]。根據研究比較，以10%～30%每間隔10%為一組確定添加石渣的量，共3類，在根據砂礫與石渣最優(yōu)振動工藝，確定振動工藝的3項參數為：P選取8.00KN,f選取35Hz，M選取10～130 kg。為了解相對壓實情況，選用動態(tài)監(jiān)測儀器以監(jiān)控試驗所形成的的結構的抗力數據指標[9]，試驗結果如表3和圖4所示。

表3 砂礫摻加石渣各種工況下最佳振動工藝及結果匯總

圖4 “砂礫+石渣”的壓實試驗結果

得到的最佳工藝和相應的密度如下：

◆ 砂礫+10%石渣：P=8.00KN，f=35Hz，M=10Kg，ρ=1.727g/cm3；

◆ 砂礫+20%石渣：P=8.00KN，f=35Hz，M=10Kg，ρ=1.836g/cm3；

◆ 砂礫+30%石渣：P=8.00KN，f=35Hz，M=10Kg，ρ=1.841g/cm3。

根據動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)測得的動力響應數據而得到的抗力為：

◆ 砂礫+10%石渣：F=223KN；

◆ 砂礫+20%石渣：F=279KN；

◆ 砂礫+30%石渣：F=387KN。

可以看出，結構產生的抵抗力在石渣含量為30%和10%時分別達到最大與最小峰值；在最小與最大峰值中，石渣含量20%以下時結構抗力的增加幅度最大[11]。石渣含量20%以上時，在其結構抗力大幅度增加時其密度相對不變，說明決定粗粒料壓實效果的抗力指標比密度指標要好。

5 結語

分析導致砂礫壓實效果的緣由，通過石渣與砂礫在抗剪強度方面的差異，對優(yōu)化砂礫壓實效果的方法進行提出[12]。理論分析和動態(tài)監(jiān)控結果表明，強度、剛度以及穩(wěn)定性的實際情況是可以由根據抗力大小推斷出的壓實狀態(tài)好壞來確定的。通過試驗結果分析可以得出，加入石渣對優(yōu)化現有砂礫壓實效果明顯，且在一定范圍內隨著加入石渣量的增加對砂礫壓實效果的影響越明顯。上述研究成果，在施工現場的砂礫壓實中已經成功地應用并取得了可喜的成果。