（机械电子工程专业论文）压实度检测与级配碎石压实质量控制.pdf

t h ec o m p a c t i o nd e g r e ed e t e c t i o na n dg r a d e db r o k e n s t o n ec o m p a c t i o nq u a l i t yc o n t r o l ad i s s e r t a t i o ns u b m i a e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：w a n g k u i s u p e r v i s o r ：p r o f l i uh o n g h a i p r o f f e n gz h o n g x u c h a n g a nu n i v e r s i t y ，x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 v - i 7 论文作者签名：立盒z o l o 年占月午e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 王登 辨撇 摘要 压实度是路基和路面的一项重要指标。有效的压实可以显著改善土壤的承载 能力，提高不渗透性。压实作业是路基路面结构材料获得足够密实度的重要环节， 有效的压实度检测方法是控制压实质量的重要方法。 本文首先介绍了土壤和压实度的概念，然后就压实度的检测技术，介绍各种 传统的检测技术，并指出其不足之处。之后分析了振动压实原理和振动压路机的 工作原理，探讨了“压路机一土”的二自由度数学模型。并用m a t l a b 软件对 振动模型的位移和加速度响应进行幅值解算，为压实度检测提供了理论依据。 随后，提出用车载式压实度检测技术来检测土壤的压实度，其优点是可以对 压实度进行连续检测，避免过分压实或压实不足。此方法包括幅值法和谐波法， 采用这两种方法进行了压实度检测试验，拟合出了压实度值的线性回归公式。 最后对级配碎石进行了两种不同压实工艺的比较，并对同种压实工艺下不同 级配碎石的压实质量进行了比较。 关键词：压实度；检测；振动压路机；压路机一土；级配碎石 a b s t r a c t t h ec o m p a c t i o nd e g r e ei sa l li m p o r t a n ti n d e xo ft h er o a d b e da n dt h er o a ds u r f a c e e f f e c t i v ec o m p a c t i o nc a ni m p r o v et h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h es o i l ，i m p r o v en o t p e r m e a b i l i t y t h ec o m p a c t i o nw o r ki st h ei m p o r t a n tl i n kw h i c ht h er o a d b e da n dt h e r o a ds u r f a c es t r u c t u r a lm a t e r i a lo b t a i nt h ee n o u g hc o m p a c t n e s s e f f e c t i v ec o m p a c t i o n d e g r e et e s tm e t h o di st oc o n t r o lt h eq u a l i t yo fc o m p a c t i o nm e t h o d t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ec o n c e p to ft h es o i la n dt h ec o m p a c t i o nd e g r e e t h e n ，a st ot h ec o m p a c t i o nd e g r e ed e t e c t i o nt e c h n o l o g y , i ti n t r o d u c e sv a r i o u s t r a d i t i o n a ld e t e c t i o nt e c h n o l o g y , a n dp o i n t so u tt h ed e f i c i e n c y a f t e rt h i s ，i ta n a l y s e s t h e v i b r a t i o nc o m p a c t i o np r i n c i p l ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fv i b r a t o r yr o l l e r , p r o b e s i n t ot h e ”r o l l e r - s o i l ”t w o - f r e e d o mm a t h e m a t i c a lm o d e l w i t hm a t l a b s o f t w a r e ，t h ea m p l i t u d eo fv i b r a t i o nd i s p l a c e m e n ta n da c c e l e r a t i o nr e s p o n s ec a nb e f i g u r e do u t ，t h i sp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sf o rc o m p a c t i o nd e g r e ed e t e c t i o n s u b s e q u e n t l y , i tp r o p o s e ss u r v e y i n gt h ec o m p a c t i o nd e g r e eo ft h es o i lw i t ht h e i n v e h i c l e c o m p a c t i o nd e g r e ed e t e c t i o nt e c h n o l o g y , i t sa d v a n t a g e i st od e t e c t c o m p a c t i o nd e g r e ec o n t i n u o u s l y , a n da v o i de x c e s s i v eo ri n s u f f i c i e n tc o m p a c t i o n t h i s m e t h o di n c l u d i n ga m p l i t u d ea n dh a r m o n i cm e t h o d ，u s i n gt h et w ok i n d so fm e t h o d s f o rc o m p a c t i o nt e s t ，f i t t i n gt h el i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o nf o rc o m p a c t i o nd e g r e e f i n a l l y , i tc o m p a r e st w od i f f e r e n tc o m p a c t i o np r o c e s so fg r a d e db r o k e ns t o n e ，i t a l s oc o m p a r e st h ec o m p a c t i o nq u a l i t yo fd i f f e r e n tg r a d e db r o k e ns t o n ei nt h es a n , l e c o m p a c t i o np r o c e s s k e yw o r d s ：c o m p a c t i o nd e g r e e ；d e t e c t i o n ；v i b r a t i o nr o l l e r ；r o l l e r - s o i l ；g r a d e d b r o k e ns t o n e 目录 第一章绪论1 1 1 问题的提出1 1 2 国内外研究现状1 1 3 本文研究内容3 第二章土壤及其压实5 2 1 土壤的性能5 2 1 1 土壤的概念5 2 1 2 土壤的分类5 2 1 3 土壤的结构5 2 1 4 土壤的三相组成及其指标6 2 1 5 土壤的级配6 2 1 6 土壤的稠度7 2 1 7 土壤的内力7 2 2 土壤的压实7 2 2 1 土壤压实的概念7 2 2 2 土壤压实的机理7 2 2 3 土壤压实的原因8 2 2 4 土壤压实的方法8 2 3 土壤的压实度1 0 2 - 3 1 压实度的概念1 0 2 3 2 压实度的影响因素。1 2 2 3 3 我国的压实度标准13 第三章传统压实度检测技术1 5 3 1 压实度破坏性检测技术l5 3 1 1 灌砂法1 5 3 1 2 水袋法1 6 3 1 3 环刀法1 6 3 1 4 蜡封法l7 3 2 压实度非破坏性检测技术l7 3 2 1 核子仪法17 3 2 2 瑞雷波法18 3 2 3 剪切波法2 1 3 2 4 瞬态冲击法2 1 3 3 传统压实度检测技术的不足2 2 第四章振动压实2 3 4 1 振动压实的基本概念2 3 4 1 1 振动压实机理2 3 4 1 2 振动对材料抗剪强度的影响2 4 4 2 振动压路机的特性2 4 4 2 1 振动压路机的主要性能2 4 4 2 2 振动压路机的主要结构2 4 4 2 3 振动压路机的发展趋势2 5 4 3 振动压路机压实过程的数学模型2 6 4 3 1 “压路机一土”振动系统2 6 4 3 2 振动系统位移和加速度响应幅值解算2 9 4 4 振动加速度信号与压实度的关系3 3 4 4 1 幅值法。3 3 4 4 2 谐波法3 4 第五章压实度连续检测技术3 6 5 1 系统设计3 6 5 1 1 压实度检测系统的组成3 6 5 1 2 加速度传感器的选择3 6 5 1 3 振动轮加速度信号的处理。3 7 5 2 压实计实验4 0 5 2 1 击实试验4 0 5 2 2 压实度与加速度关系的分析4 0 第六章级配碎石压实质量控制4 4 i v 6 1 级配碎石的基本概念4 4 6 2 级配碎石施工质量控制要点4 4 6 3 级配碎石压实施工工艺4 5 结论与建议4 8 参考文献5 0 致 射5 2 v 长安人学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 许多公路病害的产生与施工过程中的质量失控有密切关系，有些路面在开放 交通不久便发生局部破环，如：沉降、坑槽、车辙等病害，严重影响了路面的使 用质量和耐久性。调查表明：很多病害产生的原因是基层乃至路基压实度不足或 者不均匀所致。其突出问题是在施工过程中检验手段落后，不能实现在线和全范 围测量，检验结果滞后，不能及时的指导生产。 实验资料表明：路面压实度提高3 可以使沥青路面寿命增加3 0 ，而这种改 善作用的前提是在路基和基层材料获得充分有效的压实时才能充分显现出来。因 此在施工过程中压实质量的在线过程检查与控制一直是进一步发展压实与施工 技术的一个重要而紧迫的研究课题，并受到国内外科技界的高度关注。 为了实现在施工过程中进行及时、准确的检测和均匀的压实质量控制应采取 必要的装备和技术手段，并提供如下功能： ( 1 ) 能在压实进行过程中连续地进行测量与控制，并判断压实度是否达到 规定要求。 ( 2 ) 能检测整个路面全范围被压材料的压实质量和均匀性，而不是对几个 点或一条线作检查判断，确定过压区域和欠压区域决定压实工作是否应该继续进 行下去。 ( 3 ) 压实控制方便、迅速。 ( 4 ) 当压实度不足时，能够判断其产生原因，并预测能否进一步压实。 ( 5 ) 实现压实工作自动化，记录整条路段所有区域的压实质量数据。 1 2 国内外研究综述 关于压实度的在线连续检测技术，国外和国内都做了大量的实验研究，主要 如下： ( 1 ) 国外发达国家对路面施工过程控制技术与装备开发研究十分重视，已 成为整个路面施工质量控制的重要领域和方面。德国b o m a g 公司和瑞典d a n a p a c 第一章绪论 公司等先后研制了不同型号的随车压实度检测装置。安装在振动压路机上的加速 度传感器，通过检测角速度的变化间接反应被压材料的压实度变化，并将这种变 化通过仪表连续的显示给操作者，从而为是否继续进行碾压提供依据。德国 b o m a g 公司开发了智能型压路机智多星装备了v a r i o m a t i c 系统【5 】【9 1 ，该系统由两 根反向旋转的偏心轴和压实度自动检测装置构成，根据被压材料的刚度变化将一 根轴相对另一根轴偏转，其合力就能在垂直方向和水平方向之间变化，根据路面 情况自动调整振动状态使路面产生均匀的压实效果。系统组成主要有安装在压路 机上的加速度传感器在线检测被压材料的刚度，将数据转化成电荷信号，采用电 荷放大器变换为电压信号，送入微处理器。然后将信号送至控制装置，由高速阀 完成偏心轴的相对偏转，从而调整振幅的垂直分量，根据需要优化压实能量，保 持材料稳定，达到均匀压实的目的。国外对设备工作参数的在线监控和施工过程 控制也很重视，施工过程中设备参数的变化直接影响了生产的准确性和稳定性， 对设备参数的设定和监控是整个过程质量控制的关键，如：日本在控制施工质量 时十分注重搅拌设备的参数设定值和动态变动值，将集料、结合料的配料值进行 连续监测、记录并存储，对不合格的混合料报警提示并进行处理，以保证进入成 品料仓的混合料为合格的混合料。英国h y d r a m i x 则采用微波在线测试系统，时 时在线监测水泥搅拌器中混合料的水灰比，若水灰比小于要求值时，则加入所缺 水量继续搅拌直到满足要求为止。美国开发了许多快速检测装置在施工过程中进 行监控，如a s t e c 搅拌设备中的沥青温度、沥青黏度、集料配比、混合料温度、 排气温度等利用快速检测装置进行不问断的检测，画出走势图和控制图从而根据 其变化趋势做出判断并及时进行调整，当发现不合格材料时及时报警或设备暂停 工作等待处理。确保混合料生产稳定、可靠。 ( 2 ) 国内在压实过程控制技术方面也进行了开发研究工作，长安大学的孙 祖望教授带领的科研小组对振荡压路机的在线检测装置进行了研究【l o 】。根据“在 鼓轮绕轴心的摆振运动和轮心沿平行于基础并垂直于轮轴方向的振动运动之间 2 长安人学硕士学位论文 存在着时间滞后和相位差，并随着基础的逐步压实，鼓轮与基础的滑转逐步加大， 两运动之间的时间滞后和相位差也逐渐增大直至达到稳定值”。中铁2 0 局机械厂 购买b a o m a g 公司的压实度随机监测系统，装备其生产的压路机进行销售。 从目前已有资料看国内尚未系统进行路基和路面基层施工过程控制技术研 究，一些施工单位虽然已经认识到施工过程质量控制的重要性，为了控制施工质 量的稳定性也采取了许多措施，如采用三米直尺进行平整度监控、采用核子密度 仪进行压实度监控、采用水准仪进行高程和横坡监控等。但是，由于设备未随机 装备方便实用的监测仪器，往往检测结果滞后性较大，不能进行实时在线控制。 未进行设备自身参数和材料参数在线检测分析与变化趋势判断，很难进行质量的 超前控制，不能保证连续稳定的工作质量。因此开发基于材料学、机械学、计算 机技术和信息通讯技术的压实度随机监测监控系统，以及研发施工全过程质量控 制系统具有重要的实际意义。 1 3 本文研究内容 我国高速公路得到迅速发展，通车里程已跃居世界前列，但是一些公路开放 交通后不久，施工过程中的缺陷与不足就会导致不同程度的路面早期破坏。随着 路面服役期的增加，路面产生严重的不均匀性沉降，车辙、开裂、网裂、坑槽、 松散等病害，甚至出现大面积破坏现象。这些现象的发生是随机的，与路面压实 度不够和不均匀、路面施工变异性密切相关【1 6 l 。由此可见，路面质量与施工工 艺有着重要关系，研究开发在吸纳实时监测系统( 装置) 和系统的过程质量控制 的综合技术，对保证路面均匀稳定的质量具有重要意义。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 分析了土壤及其压实的相关概念之后，对传统的各种压实度检测技术 加于介绍，包括破坏性的检测技术：灌砂法、水袋法、环刀法、蜡封法；非破坏 性的检测技术：核子仪法、瑞雷波法、剪切波法、瞬态冲击法。 ( 2 ) 分析振动压实的基本概念，之后建立了“压路机一土壤”物理模型， 运用m a t l a b 软件对此模型进行了仿真，求出振动系统位移、速度、加速度响应。 3 第一章绪论 ( 3 ) 分析研究振动压路机振动加速度信号与土壤压实度之间的关系，用幅 值法和谐波法来进行压实度的检测。 ( 4 ) 通过现场试验，用压实度检测系统对信号进行采集、分析，确定压实 度值的信号反映方法，拟合出压实度线性回归公式。 ( 5 ) 介绍了级配碎石的压实施工工艺，并进行了工地试验。 4 长安大学硕十学位论文 第二章土壤及其压实 2 1 土壤的性能 2 1 1 土壤的概念 土壤，是由岩石经过物理化学风化作用后，由一层层厚度各异的矿物质成分 所组成大自然主体。由于地壳、水蒸气、大气和生物圈的相互作用，土层有别于 母质层，它是矿物和有机物的混合组成部分，存在着固体，气体和液体状态。疏 松的土壤微粒组合起来，形成充满间隙的土壤的形式。这些孔隙中含有溶解溶液 ( 液体) 和空气( 气体) 。 2 1 2 土壤的分类 基于土壤的压实特性，一般将土确定为四个等级，见表2 1 ： 表2 1 土壤的分类 l 岩石、大石块和漂石 2砾石 3粉砂和粉质七 4 粘土 第一种和第二种土壤主要是由石块、砾石组成，是非粘性的土壤，可以用作 填方材料，比较容易被压实。第三种和第四种土壤都具有粘性，要用很高的压力 来克服土壤的阻力才能达到压实，并且其被压实的程度跟含水量也有很大关系。 2 1 3 土壤的结构 土壤结构形式是复杂且多种多样的，但主要可以分为如下三种： ( 1 ) 单粒结构 此结构的土壤一般在砂石中见到，其特点是整体结构不够稳定，在有外力的 影响下土颗粒极之间容易移动，形状发生破坏。 ( 2 ) 蜂窝结构 这种结构存在于粘土中，细土颗粒由于重力而降落，但土颗粒之间也相互吸 引，当这两种力达到了平衡，便形成了此种结构。 ( 3 ) 絮状结构 此结构的土壤，其颗粒比较小，自身重力不足于克服引力而呈悬浮状，粘性 比较大。 5 第二章土壤及其压实 2 1 4 土壤的三相组成及其指标 土壤是由颗粒、水和气体所组成，即由固相、液相、气相三相体系组成。与 压实有关的指标有：湿密度、干密度、含水量、孔隙率、孔隙比及饱和度。 湿密度： 几= 可m ( 2 1 ) 干密度： 几= 等 ( 2 2 ) 含水量： 空隙率： 孔隙比： 饱和度： 式中：肘一土壤的总质量； y 一土壤的总体积； 织一土壤中固体质量； 聊。一土壤中水的质量； 土壤中空隙体积； k 一土壤中固体体积； 圪一土壤中的水的体积。 2 1 5 土壤的级配 矿：监1 0 0 ( 2 3 ) 肌j y 门= 兰1 0 0 ( 2 4 ) y p ：垒1 0 0 ( 2 5 ) k g 2 挚 6 ) 6 长安大学硕士学位论文 土壤的级配是指土壤中各粒组占土壤总质量的百分比值，它是通过土的颗粒 分析试验测定的【2 1 1 。颗粒分析的方法可分为筛分法和静水沉降方法这两大类方 法。 2 1 6 土壤的稠度 土壤因含水的多少而表现出的稀稠程度，称为稠度。土壤的稠度因含水量的 不同，可分为为固态、塑态与流态三种，见表2 2 所示： 表2 2 土壤的稠度分类 固态含水量较少，土颗粒间主要为强结合水连结而成，强度大，不易变形，而且有固定 的形状。 塑态 含水量中等，土颗粒间主要为弱结合水连结，易变形，且变形之后不易还原成原来 的形状。 流态含水量较多，土颗粒间的连结很弱，很难保持住固定的现状，容易流动。 土壤的相邻两种稠度之间的临界状态时的含水量是稠度界限，固态和塑态之 间是塑限，塑限和流态之间是液限。 2 1 7 土壤的内力 土壤的内力主要有内黏聚力，内摩擦力及表面张力三种组成，而土壤内力的 大小主要与土壤的颗粒尺寸，塑性和含水量等有关，正是因为内力的存在，也加 大了对压实能量的消耗。 2 2 土壤的压实 2 2 1 土壤压实的概念 2 0 0 0 年欧洲环境署在其出版的普通环境词典中将土壤压实定义为：由于施 加载重、振动或压力而导致土壤密度增大和土壤孔隙率降低，土壤越紧实越能支 撑更大的承载量。 2 2 2 土壤压实的机理 土壤的压实是土壤在短暂的不规则荷载作用下，密度逐渐增加的过程。压实 是一个复杂问题，不可能出现某种单一的过程，而是多种过程同时并存，相互影 响。可以考虑划分为四种简单的压实机理过程，如表2 3 所示： 7 第二章土壤及其压实 表2 3 压实机理过程 排列过程在压实机具的短时间荷载或振动荷载下，土颗粒重新排列的过程。 填装过程由不同粒径颗粒组成的天然土壤中，较小颗粒在促进力的持续作用下被填入 较大颗粒之间空隙的过程。 分离过程 土壤的颗粒中间往往被水充满，在揉搓和压力作用下水从土壤颗粒间隙中分 离出来的过程即为分离过程。 夯实过程在高速冲击力的作用下，单个颗粒发生破碎，而被填入粒料的空隙中。 土壤经过这些过程，其结果是密实度逐渐增加，孔隙率逐渐减小，最终达到 土壤压实的目的。 2 2 3 土壤压实的原因 土壤的压实可由外界自然作用而压实，也可以由人为的作用而压实。由人为 作用而的产生的力，是指压实装置行走机构和执行机构对土壤的作用力。 ( 1 ) 轮胎和履带 轮胎尤指充气轮胎，当其作用在车轮滚压面时，对滚压面的压强和接触面积 相乘便等于垂直载荷的大小。有如下公式： p = i f ( 2 7 ) 式中：f 一垂直载荷大小； s 一接触面积； p - 一压强。 如果轮胎气压过小，则轮子变平增加对滚压面接触面积，其压强也减小了。 履带对地面的压强用机器总重除以履带板的面积算得。但是，履带对地面的 压强并非是均匀的，而是存在一个峰值，位于履带板中心的后部，其大小为平均 压力( 即压强的大小) 的2 3 倍。 ( 2 ) 执行机构 执行机构如振动压路机的振动轮，是土壤被压实的最重要原因。通过振动减 少土壤内部空隙，排出土壤内部的空气，增加了土壤的单重，提高土壤的水稳定 性、抗冰冻能力和抗渗透能力。被充分压实后的道路具有足够的刚度、强度和硬 度，可得到良好的平整度，能够防止或减少车辙、沉陷等现象。 2 2 4 土壤压实的方法 8 长安大学硕士学位论文 土壤压实是通过外力使土壤的颗粒产生相对运动而重新组合，排出其中的空 气水，获得了有效压实的土壤，具有支承能力高，沉陷量小的特点。压实度的提 高带动了土壤剪切强度的提高，最终使土壤获得能够承载很重物体的能力。现代 的压实方法大致可分为下面的四种：静压实、搓揉压实、振动压实、冲击压实 1 l l 3 8 1 。 ( 1 ) 静压实 静压实是利用重物自身的重力而对被压土壤产生法线方向的压实力，当此力 超过土壤的抗剪强度后，便使得土壤颗粒间产生相对滑动，而最终达到压实。轮 胎压路机对土壤的压实作用很明显属于此类压实方法。 但静作用压实方法的压实效果和影响深度一般有一个极限程度，当达到极限 之后，如果再增加重物的重量，可能会破坏表层土壤的结构，但不会提高对土壤 的压实效果。 ( 2 ) 搓揉压实 搓揉压实是对被压土壤给予反复交变的作用力，使其表层颗粒相对滑移重新 排列而被压实。搓揉压实作用力的特点是对土壤的影响深度较浅，因而可以在表 面范围内得到较高的压实度，同时也能得到很好的平整度。 ( 3 ) 振动压实 振动压实最明显的例子就是用振动压路机来压实被压材料，靠振动压路机的 振动轮提供反复的冲击力来击实土壤。冲击力对土壤产生冲击波，并不断的从表 面传入土壤深处，使得较大范围的土壤颗粒处于振动的状态，最终土壤的大小颗 粒相互填充而达到很好的密实4 1 。 用6 表示土壤的压实度，则6 与振动压路机工作时的各参数有如下函数关 系： 6 吲咖五( 等) 眨8 ， 式中：只一振动轮的线载荷； 4 一振幅； 一频率； ，一速度。 9 第一二章土壤及其压实 由上面式子可知，振动轮的线载荷只的提高，会使土壤表面受到的正压力 增加，继而使得土壤的抗剪切强度很容易被破坏。工作振幅彳的提高，使土壤颗 粒随着振动轮一起运动的幅度增加，因而使得土壤颗粒间的粘聚力很容易被破 坏。工作频率c o 是振动压路机工作是时的个很重要的参数，由振动力学知识可 知，当工作频率国和“压路机一土 的振动系统固有频率峨相等时，整个系统 会发生共振，此时土壤颗粒随振动轮一起振动的最剧烈，土壤就像是被液化了一 样，内摩擦阻力特别小，提高了土壤颗粒问的相互填充作用。工作速度y 对压实 度的影响很明显，行驶的速度越慢则对同一块土壤的压实作用时间越长，因而压 实的越充分，但速度过慢也会对影响整个施工的工作效率。 ( 4 ) 冲击压实 冲击压实是运用能量守恒定律，当快速运动的物体撞击被压材料而在非常短 的时间变为静止时，发生了能量之间的转换，动能转换为冲击能，冲击能被土壤 吸收而使其被压实。 由动量定理公式： f t = 历v( 2 9 ) 式中：卜产生的冲击力； t - 作用时间； m 一重物重量； v _ 重物速度。 快速运动物体在非常短的时间速度由v 变成0 ，则会在瞬间产生很大的冲击 力，此力有效的克服了土壤自身的内聚力，并且影响深度也很大，使得在很深的 土壤也能有较好的压实度。 2 3 土壤的压实度 2 3 1 压实度的概念 许多公路病害产生的原因是基层乃至路基压实度不足或者不均匀所导致，所 以压实是其中特别重要的一步，而压实度是用来衡量压实质量的一项非常重要指 标【7 】o 压实度的表达式： 1 0 长安大学硕士学位论文 k ：且 p d i 嗽 式中：办一现场压实土的干密度； ( 2 1 0 ) 岛一一对同样的土按规定的标准压实方法得到的最大干密度。 上式表示的压实度概念十分简便，是编制压实规范、进行压实控制、获得压 实土工程特性十分有用的基础，特别适合粘性土压实的情况。 另外，还有一个通用而方便的指标是相对密实度： d ，= j 正三 气。一气i n 式中：p 一现场干密度岛时的孔隙比； e m i n 一最松散状态下干密度p d 。；。时的孔隙比； 。一最紧密状态下干密度p d 一时的孔隙比。 对等的表达式为： ( 2 1 1 ) d ，：l 上监i 监 ( 2 1 2 ) p d 呲一p d 喊n ) p d 上面定义的相对密实度的概念，是建立反映无粘性土特性如抗剪强度、压缩 性等关系的基础，常被用来编制粒状土的压实规范。 压实度k 和相对密实度口有很多相似性，两者易被混淆，它们的取值范围 都为0 一1 0 0 。k = 0 即几= 0 在实际中是没有物理意义的；但4 = 0 却可以是 一个真实的值。并且它们之间有如下关系： 肛高尚 ( 2 1 3 ) 式中r ：丝是相对密实度为0 时的压实度。l e e 等通过对文献资料查得 p d 雌 的4 7 组不同土的数据统计分析得，民= 8 1 8 ，代入上式可得： ( 2 1 4 ) 一p 8 2 1 8高 i | k 第二章土壤及其压实 上式可进一步简化成直线关系： k = 0 8 + o 2 口 ( 2 1 5 ) 还可以得： a d , = 5 a k ( 2 1 6 ) 上式说明压实度变化l ，相对密实度则变化5 。和压实度比较，所以相 对密实度对干密度的变化比压实度对干密度的变化更为敏感，相对密实度肛放 大了干密度细小的变化对粒状土的影响，因此一般用口而不是k 来编制粒状土 压实规范。 2 3 2 压实度的影响因素 土壤材料的压实过程一个非常复杂过程，且土壤特性的随机性很大，因而压 实过程也就成了随机过程。 影响压实度的因素较多且复杂，一般主要有以下四个方面的因素：含水量、 击实功、土类和级配、振动压路机各参数。 ( 1 ) 含水量 含水量的概念有本章公式( 2 3 ) 所示= m w m s ，即土壤中水分的质量除 以土壤中固体的质量。含水量的多少对压实度的影响很显著，如表2 4 所示： 表2 4 含水量对压实效果的影响 含水量较低时由于土粒表面的结合水膜较薄，土粒间距较小，引力增大，土粒的相 对位移阻力大且较难克服，因此压实程度较小。 含水量逐渐增大时 结合水膜增厚，土粒间距也逐渐增加，此时斥力增加而引力相对减小， 压实功能较易克服十粒间引力，使土粒相互移位，压实程度增大。 含水量过大时孔隙中过多的水分不易立即排出，阻止土粒的靠拢，同时排不出去的 气体以封闭气泡的形式存在于土体内，外力仅能导致土粒更高程度的 定向排列，而土体几乎不发生体积变化，所以压实程度反而降低。 由上表可知，在最佳含水量( i g nw o p t ) 的情况下压实效果是最好的。最佳 含水量可以由土壤击实试验而得到，它是施工质量控制的重要数据。 ( 2 ) 击实功 1 2 长安大学硕上学位论文 对土壤击实功的增大，可以使土壤的最大干密度增大，而最佳含水量减小， 但影响效果有一定限度。含水率较低时，影响较为显著；含水率较高时，却不再 那么显著了。因为含水率较高时，它和干密度的关系近似于饱和，此时增加击实 功对干密度的提高是无能为力的。 ( 3 ) 土类和级配 土类主要分为粘性土和非粘性土。粘性土因塑性指数大而难以被压实；而非 粘性土在获得较大含水量的时候，干密度可以得到提高。 级配对压实效果的影响也很显著。级配良好的土壤易于压实，这是因为此种 土壤不同大小颗粒之间能够相互填充，因而可以获得较大的干密度；而级配不良 的土壤却因为没能够有足够的细土粒来填充粗土粒形成的空隙，使得干密度较 小，因此不易压实。 ( 4 ) 振动压路机各参数 振动压路机对压实效果的影响是多方面的，可以从振动频率、振幅、工作速 度和行驶方向多方面来考虑，见表2 5 所示： 表2 5 振动压路机各参数对压实效果的影响 振动频率振动频率是压路机对地面造成冲击的快慢程度的描述。选择合适的振动频率能 使被压材料内部颗粒之间填充的更加紧密，压实程度也得到了提高。 振幅振幅影响被压材料颗粒运动的位移，振幅大的时候压路机对地面输出的能量就 越大，因而使得压实的越好。但振幅过大会发生“跳振”现象，这样将会使本 来压实的表层变的松散，使压实程度降低了。 工作速度 碾压遍数相等时，工作速度快，则压实度低，工作速度慢，压实度高：但工作 速度不能太低，否则影响了工作效率，因此必须在工作效率和工作速度之间找 到一个平衡点，使得既保证工作效率，也能达到压实度的要求。 行驶方向行使方向的改变，也会影响压实度，一般为得到很好的压实效果，应使压路机 偏心块旋转方向和压路机行使方向相同。 2 3 3 我国的压实度标准 我国现行规范衡量路基的压实程度的标准，是工地实际路基土的干密度与室 内标准击实试验所得的最大干密度的比值即压实度，压实度的数值应符合下表 2 6 所示要求【2 】： 1 3 第二章土壤及其压实 表2 6 路基压实度要求 填挖类型 压实度( ) 高速公路、一级公路 其他公路 上路床9 5 9 3 下路床 9 59 3 上路堤 9 39 0 下路堤 9 09 0 零填及路堑 9 59 3 1 4 长安大学硕士学位论文 第三章传统压实度检测技术 3 1 压实度破坏性检测技术 对于传统压实度检测中的破坏性检测技术方法主要有灌砂法、水袋法、环刀 法、蜡封法这几种【2 3 】【2 4 1 。这些检测方法都需要对被测量的土壤层进行一定程度 破坏，并且要对被测量的土壤层进行称重和测量体积，而它们的不同之处在于处 理被测体的方式上的不同，因而这些检测方法都属于带破坏性的检测路基压实度 的方法。下面简单的介绍一下各种破坏性的检测压实度的方法【3 2 】。 3 1 1 灌砂法 灌砂法是把均质颗粒的砂灌入到一个一定容积的洞内，由于砂的密度是一恒 定的值，测得这些砂的质量也就能测得了砂的体积，即等于试洞的容积，而试洞 的容积又等于洞中取出材料的体积，再称出取出材料的质量，便可以求得所取出 材料的密度了【2 2 1 。 首先应该标定灌砂筒下部的圆锥体内砂的质量以及砂的单位质量( 即密度) 。 然后在测量地点挖一个圆形试洞，洞的深度一般和碾压层的厚度差不多，洞的直 径和灌砂筒直径相等，收集洞内挖出来的全部土或材料，并对其采取措施而使其 含水量保持在原有的水平，称出挖出来的土的质量( 单位g ) ，并取样做含水 量( ) 的试验。最后一步便是向洞内灌砂，由灌入砂的质量m s ( 单位g ) 和 已经标定的砂的单位质量p ，( 单位g c m 3 ) 便可求出灌入砂的体积，此即为挖 出的土或材料的体积，由物理公式便可以得出密实度的计算公式如下： 成= 堕凡 ( 3 1 ) m j 几= 而p o , ( 3 2 ) 式中：成一土的湿密度，g c m 3 ； 办一土的干密度，g c m 3 。 灌砂法的特点是：压实度结果准确可靠；但是这种方法也有一些缺点：需要 携带较多的砂，称量次数较多，测定过程费时费力，测量速度较慢等。因此，其 测量效率也受到了很大限制。 1 5 第三章传统压实度检测技术 3 1 2 水袋法 水袋法在美国、德国等国家比较流行，在我国因技术、材料、加工工艺等原 因而使用的较少。 水袋法与灌砂法相似，首先在要测量密度的位置挖一个试洞，洞的深度和碾 压层的厚度差不多，称出挖出来的土的质量，并做含水量试验。然后将橡皮袋放 入试洞内，把水灌进橡皮袋里面，使其充分的扩张，直到和洞底洞壁相接触，而 水的密度是知道的，用水的质量除以水的密度即可以得到水的体积，此体积亦即 试洞体积。 水袋法有如下表3 1 的优缺点： 表3 1 水袋法的优缺点 优点不需多次称量；携带的水量与量砂相比相对较少，冈此它较灌砂法方便和快捷。 缺点橡皮袋容易破损，特别在含碎石颗粒的结构层内橡皮袋更易破损；冬季摄氏零度以 下水要结冰，需要在水中加防冻剂；测量的准确度和重复性较差，对软十不合适。 3 1 3 环刀法 环刀法的试验过程为：首先擦净环刀，称取环刀的质量铂( 单位g ) ，在试 验的地点选择合适的地面，除去表面不平整的部分，将定向筒齿钉固定于铲平的 地面上，顺此将环刀环盖放在定向桶内，与地面垂直。然后将导杆保持垂直状态， 用取土器落锤将环刀打入压实层内，至到环盖项面与定向筒上口齐平为止，称取 环刀及试样的质量( 单位g ) ，并计算其湿密度。最后从环刀中取出具有代表 性的试样，测定其含水量c o ( ) ，而环刀体积v ( 单位c m 3 ) 是已知的，这样就 求出了干密度的大小。 密度的具体计算公式如下： 以：m 2 - m i ( 3 3 ) 成。丁 3 3 ) 几= 而p o , ( 3 4 ) 式中：几一土的湿密度，g c m 3 ； 办一土的干密度，g c m 3 。 在我国，很早就用环刀法来测量土的湿密度了，此试验方法是一种简单、快 1 6 长安大学硕 学位论文 捷的方法，但其有较大的破坏性，甚至比灌砂法和水袋法的破坏性还要大。除此 之外，环刀法一般只用来测定不含砾石或碎石的纯细粒土的湿密度，而不适用于 松散性土壤湿密度的测量，下表3 2 介绍了对测量结果准确度和精确度有影响的 一些因素： 表3 2 环刀法测量密度的影响因素 环刀壁厚当环刀被打入土中时，产生的应力使土有些变松。壁较厚时，产生的应力较 大，测得的土密度会有所降低。 环刀内径通过用相同壁厚不同内径的环刀进行比较试验，发现环刀内径对所得的密度 和试验结果的标准差有少量影响。 环刀位置由于环刀法所测为某一深度范围内的平均密度，所以对环刀取土的合适位置 也很关键。 3 1 4 蜡封法 蜡封法用来测量压实土壤能被成块地挖取时的密度，块的体积应大一些( 一 般大于3 0 0 立方厘米) ，以便提高测量的准确度和精确度。在进行蜡封时，应先 用油灰填满试块表面的孔隙。同样，这里的密度试验得到的只是湿密度，要得到 干密度，还要测量其含水量，这样不利于及时对现场施工质量进行检测。蜡封之 后有如下表3 3 所示两种方法来测定试块的体积： 表3 3 蜡封法测定试块体积的方法 水中称重法主要是利用物体浸入水中所减少的重量等于物体体积与重力加速度的乘积这 个原理来测定物体的体积。 排水法将蜡封试件浸入一定体积的水中，称取到排出水的质量即为蜡封试件的体积。 3 2 压实度非破坏性检测技术 压实度非破坏性检测技术是一种间接检测压实度的测试方法，它越来越受到 操作人员和研究人员的重视，因为这些非破坏性的检测方法减少了对压实路基的 破坏，减少了环境因素的影响。通过参阅国内外参考文献可知，目前国内外对压 实度的非破坏性检测技术已进行了大量的试验研究，并有一些研究成果已经成功 的应用到了工程实际当中【2 5 】【2 羽。 3 2 1 核子仪法 核子仪法的原理是用放射性元素( 如y 射线) 测量密度【2 6 】。早在2 0 世纪8 0 1 7 第三章传统压实度检测技术 年代以前，核子仪便在美国和前苏联国家得到应用。随着科学技术的不断进步， 核子仪的运用越来越普遍，核子仪也出现了多种不同的型号，其分类如下表3 4 所示： 表3 4 核子仪的种类 散射法 为表面式核子仪，不需要挖洞，能在表面上进行测量。 直接透射法为插入式核子仪，需要挖洞( 洞的深度须拟测深度相等) 。 电脑控制式核子仪为电脑所控制，用面板操作，用起来也简便快捷，检测效率高。 当然，核子仪法也有如下表3 5 所示的优缺点： 表3 5 核子仪法的特点 优点检测效率高；使用方便，且为非破坏性检测技术，使用范围，“泛，能测量各种路面 材料密度和含水量。 缺点核子仪昂贵，放射性元素一旦泄露，会发生环境污染且危害人生安全；并且插入式 的核子仪也依然是对地面有些许破坏的。 3 2