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土压实度的瞬态锤击测试方法试验研究 摘要 本文在大量的实验室试验基础上，对土壤压实度瞬态振动测试信号进行了分 析，给出了土压实度的振动测试的定量计算方法。 介绍了多种压实度检测方法，分析了其特点。根据振动能量在不同密度的介 质中衰减的快慢不同的原理，设计了土压实度的瞬态锤击振动测试试验，并对预 制土样做了大量的试验，测取了土样在锤击作用下的加速度信号。通过对信号的 分析处理，提取了信号的特征参量，分析了各参量同土压实度之间的相关关系， 并给出了相应的经验关系式。根据室内试验结果对提出的经验关系式进行了验 证，分析了这些经验关系式的可靠性和精确度，并对各关系式在土压实度定量计 算中的优劣做出了比较，结果表明利用加速度信号的有效值得出的经验关系式效 果最佳。 本文为土压实度的瞬态锤击振动测试建立了完整的分析方法，并通过试验证 明了该方法的可行性。这为实际工程土压实度的测试提供了一种新的无损、可靠、 快速的测定方法。 关键词：土压实度含水量加速度信号： 特征参数幅值有效值经验公式 s t u d yo nm e t h o d o f i n s t a n th a m m e r t e s t i n gf o r s o i l c o m p a c t n e s s a b s t r a c t b a s e do n ag r e a td e a lo fl a b o r a t o r yt e s t s ，t h ei n s t a n tv i b r a t i o ns i g n a l sf r o mt h es o i l c o m p a c t n e s st e s t sa r ea n a l y z e da n d t h ec o r r e s p o n d i n gq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sm e t h o do f t h es o i lc o m p a c t n e s si sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r t h ee m p i r i c a lf o r m u l a sa r ev e r i f i e db yt h er e s u l t so ft h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s ， a n dt h e i rc o r r e c t n e s sa n dr e l i a b i l i t yi sa n a l y z e di nd e t a i l f u r t h e r m o r e ，t h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so ft h ef o r m u l a s i nt h eq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o no ft h es o i l c o m p a c t n e s s a r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d s e v e r a lt e s tm e t h o d so ft h ec o m p a c t n e s sa r e p r e s e n t e d ，w i t ht h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y z e d b a s e do nt h ea t t e n u a t i o nd i f f e r e n c eo f t h ev i b r a t i o ne n e r g yw h e nt r a n s f e r r i n gi nt h em e d i u m sw i t hd i f f e r e n td e n s i t i e s ，t h e i n s t a n th a m m e rt e s tf o rs o i lc o m p a c t n e s si sd e s i g n e d l o t so fe x p e r i m e n t sa r em a d e ， i nw h i c ht h ea c c e l e r a t i o ns i g n a l so ft h ep r e f o r m e ds o i ls a m p l e sb e i n gh a m m e r e da r e m e a s u r e d s o m ef e a t u r ep a r a m e t e r sr e f l e c t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo b t a i n e d s i g n a l sa r ee x t r a c t e d ，a n dt h e i rr e l a t i o n s h i pw i t ht h es o i lc o m p a c t n e s s i si n v e s t i g a t e d ， w i t hi t se m p i r i c a le q u a t i o n sg i v e n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ac o m p l e t es e to fa n a l y s i sm e t h o df o rt h es o i lc o m p a c t n e s s c a l c u l a t i o ni nt h ei n s t a n th a m m e rv i b r a t i o nt e s ti se s t a b l i s h e d ，a n di t sf e a s i b i l i t y i s v e r i f i e db yt h el a b o r a t o r yt e s t s t h i sp r o v i d e san e wn o n d e s t r u c t i v e ，r e l i a b l ea n df a s t s o i lc o m p a c t n e s st e s t i n gm e t h o di ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：s o i lc o m p a c t n e s s w a t e rc o n t e n ta c c e l e r a t i o ns i g n a l f e a t u r ep a r a m e t e r s a m p l i t u d ev a l u e v i r t u a lv a l u e e x p e r i e n t i a lf o r m u l 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，均已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已经公开发表的成 果。 、 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：么 川矿石年占月f 日 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) 论文作者躲禾墨1 炒年占月如 钠一圈学乙 嘶易月夕日 第一章绪论 随着我国现代化建设事业的发展，公路交通密度和负荷量日益增大，特别是 重型车辆的迅速增加和行车速度的普遍提高，对公路建设的工程质量和数量提出 了更高的要求。无疑也对作为评价公路建设工程质量的一个重要标准一压实度的 测试方法提出了更高的要求。传统的压实度有损测试方法，由于存在费时、费工、 有损路基等缺点，己经不能适应当前公路建设的需要：其它的比如放射线测试方 法，弹性波测试方法等等，也因为存在各种各样的问题，而难以得到广泛的使用。 在这种情况下，众多科研工作者正在努力寻找一种新的快速、稳定可靠、操作方 便、无损的土压实度测试方法。本文正是在这样的背景下，基于振动波在不同介 质中传播时衰减的快慢不同的原理，提出了压实度检测的新的方法，得出了有意 义的结论。 1 1 土壤的压实度 在路基路面设计中，为了提高路面的使用寿命和使用性能，对工程设计的主 要要求有： ( 1 ) 要有足够的承载能力，能经受行车荷载的反复作用而不产生结构性破 坏； ( 2 ) 能接受重车荷载的反复作用而不产生过大的压缩形变： ( 3 ) 渗透性小，能预防雨水或其他自由水侵入，以保证路基路面的稳定性。 由于路基路面结构层材料的压实度与上述性能密切相关，而且压实度与其他 性能相比更容易测量，因此在施工中为了保证满足上述要求，要对压实度进行控 制。此外，压实度与路面使用寿命之间近似呈“指数”关系，因此在路基路面施 工中必须重视对路基路面压实度的监测。2 1 1 1 1 压实度的概念 压实度6 2 “：土壤经过压实后的干密度与该土的标准干密度( 通常即为最 大干密度) 之比，常用百分数表示。如记实际干密度为y 。实测，标准干密度为y 。， 则 6 ；堕1 0 0 y d m 缸 1 1 2 影响压实度的因素 1 土的含水量 在压实过程中，被压实材料的含水量对所能达到的密实度起重要的作用。在 某一压实功下，存在最佳含水量，仅当被压实材料处于最佳含水量时，得到的密 实度最大；含水量过高或过低，均不利于获得高的密实度“”1 。 不同类型的土壤，由于其组成成分不同及土颗粒间的内摩擦力不同，所以最 佳含水量也不同。即使同种土壤，对应的击实功不同，其对应的最佳含水量也会 不同。一般而言，随着击实功的增加，对应于最大干密度的最佳含水量将减小， 最大干密度值则提高。 在实际的施工中，经常遇到含水量过高或过低的情况，应尽量采取相应的措 施进行调整，以便获得要求的压实度。 2 土壤的类型 土壤的类型不同，所体现的压实特性也不同。如级配土具有良好的压实性能， 易于获得理想的压实度，而细粒粉土或粘土以及单一颗粒尺寸的干砂压实性能较 差。此外，土壤的类型不同，对不同的旌力方式的敏感性也不同，如常规的振动 压实对粘性土壤的压实效果不明显，不易得到理想的压实效果。 3 土壤的级配 土壤的压实过程是土壤颗粒重新排列、不断趋于密实的过程。因而，在压实 的过程中，级配良好的土壤一方面各颗粒逐渐靠拢趋于密实；另一方面，大小颗 粒互相镶嵌，小颗粒进入大颗粒间的孔隙，使土体总体孔隙体积减少，密实度提 高，易于压实。对于单一尺寸颗粒的土壤，缺乏颗粒间的镶嵌，压实变得困难。 4 振动压路机工作速度对压实效果的影响 工作速度是指振动压路机在进行压实作业时的行走速度，主要影响被压材料 单位面积上吸收的振动能量，它对被压材料所能达到的密实度和平整度也有着显 著的影响。试验表明。在相同碾压遍数下，工作速度越高，压实度越小；但工作 速度的降低意味着生产率的降低，因而要达到规定的压实度，又要保持较高的生 产率，就必须合理选择工作速度和碾压遍数。 5 振幅、振动频率对压实度的影响 振动压路机的振动频率是影响 材料颗粒运动状态的重要参数，它反 映了单位时间内振动轮对被压材料 的冲击次数。当振动频率选择在合适 的范围内时，随着振动轮的振动，被 压材料的颗粒运动加速度增高，其内 摩擦阻力急剧下降，颗粒之间的相互 填充作用加强，这是振动轮受到的材 料的抗剪作用也急剧减小，非常有利 于压实。在实际中，不同的被压实材 压实效果 ( 压实度) 厂 振幅2 ， 、 、 振幅a ，。 02 55 0 振动频率( h z ) 图1 - 1 频率和振幅一压实值关系图 7 0 料，其适合于压实的振动频率范围相差较大，这就要求振动压路机具有较大的振 动频率范围，以适应不同压实材料的要求，一般振动压路机的振动频率在3 0 5 0 h z 的范围内。( 图1 - 1 ) 振动压路机的振幅反映振动轮对被压实材料的冲击能量的大小。振幅越大， 被压实材料颗粒运动的位移越大，参加振动的材料颗粒越多。振动轮对材料的冲 击能越大，振动冲击波在材料中传播的距离越远，从而增加压实深度或压实厚度， 压实效果越好，压实度值越大。但是振幅也是具有一个合适的范围，过大的振幅 使振动轮在过大的振动强度下脱离地面，也就是一般所说的“跳振”，使表层受 到严重不规则冲击和过度碾压，这样多余的能量不仅不会被碾压层的土或材料吸 收，反而会使已压实表面层产生松散现象，引起压实度降低。” 1 2 国内外压实度测试方法及其特点 目前，国内外对于压实度所涉及的材料干密度、含水量的测试方法很多，这 些测试方法可归为破坏性和非破坏性试验两大类。破坏性试验主要有灌砂法、环 刀法、水袋法和蜡封法；非破坏性试验主要有核子密度仪法、瑞雷波( r a y l e i g h t w a v e ) 法、在线实时监测和振动测试方法。别剐 1 2 1 压实度破坏性测试方法 “公路土工实验规程( j t j o s l 9 3 ) ”中规定的密度实验方法有灌砂法、灌水 法( 水袋法) 、环刀法、蜡封法( 含水中称重法、排水法) 。这些方法都需要在路 基或被测土层上挖坑、称样品重量、测体积，它们相互区别之处在于测体的方法 各异。 1 灌砂法 灌砂法是利用均匀颗粒的砂，根据其单位体积质量不变的原理来测量所挖坑 洞的容积。灌砂法在国内外应用比较普遍，适用于在现场测定基层( 或底基层) 、 砂石路面及路基土的各种材料压实层的密度和压实度，也适用于沥青表面处理、 沥青贯入式面层的密度和压实度检测，但不适用于填石路堤等有大孔洞或大孔隙 的压实度检测。它的缺点是在测量过程中会携带较多的砂，而且称量次数较多， 测定之前需要标定砂的含水量、砂子密度、标定罐体积和灌砂筒锥形体砂重这4 项内容，因此与其他方法相比，其操作烦琐，测定速度较慢，试验过程复杂，工地 试验条件较差，风雨干扰对操作都有影响。 2 灌水法 灌水法基本上是对灌沙法取样测体的一种替代与补充，它是通过充水来测定 取样挖洞的体积，适用于现场测定粗粒土和巨粒土的密度。此种方法测试的体积 较为准确，国外已经使用聚乙烯塑料薄膜，效果较好。但目前国内还未研制出用于 测试的既有流动性又有韧性的薄膜材料。 3 环刀法 环刀法是我国最早使用的测定土压实度的一种方法。适用于细粒土及无机结 合料稳定细粒土的压实度测试。由于环刀法具有简便、快捷的特点，所以受到广 泛采用。但是由于环刀体积小，致使在表面修整和土样称重过程中的微小误差， 就会引起较大的检测结果的相对误差。再者在实际施工过程中，取土坑内土质变 化大、土层薄，所以有时同一环刀体积内有两种土质，这样就使得标准干容重难以 掌握，在向下锤击环刀的过程中，使得压实土层受到挠动，改变了土体经过压实后 的结构，对于同一压实土层，往往上部较松散，下部较密实。因此，它的测试准确 度受诸多因素影响，对土层的破坏性也比灌沙法水袋法大的多。 4 蜡封法 4 蜡封法通常用于测定易破裂土、形态不规则的坚硬土和沥青混合料马歇尔试 件、钻芯试件。其中，水中称重法利用物体浸入水中所减少的重量等于物体体积 与重力加速度乘积这个原理来测定物体的体积；而排水法是将蜡封试件浸入一定 体积的水中，称取排出水的质量即为蜡封试件的体积。以上这些密度实验得到的 仅是试样的湿密度，为得到干密度，还需要进行含水量测定。含水量实验最准确 的方法是烘干法，试样在电烘箱里烘干时间，因试样的不同，一般需要1 0 2 4 小时不等，这对于及时指导现场施工是不利的。 王克中”1 等通过分析，总结了各种土类的击实血线都具有的一个共性：最 佳含水量与最大密度的峰值，通常都与其5 空气率的等值线相交，当超过最佳 含水量后，击实曲线仍是沿着饱和曲线做有规律地下滑。并且通过计算，发现 5 空气率曲线同9 0 饱和度曲线相当接近，基本重合，如图卜2 所示。因此，通 过5 空气率曲线，就可以对最大干密度标准值做出可靠的分析和判断，据此， 可提出一种新的土干压实度的现场测试方法。 其基本过程为：首先用环刀取样，称得样品的湿重m 。然后将土样捻碎，小 心的倒入1 0 0 0 m l 的量筒内，并在筒内事先注入经准确计算的水，用搅棒细心搅 拌，以驱除残留的空气，读出水、土混合液的体积，此项读数与事前注水量的体 积之差即为土样中土粒与所含水分的体积之和肌设z 为干重，y 为土样中所含水 分的重量，为土粒比重，则： x + y = m 云+ ) ，= 可得：x = 竺o f 一)1 2 一1 将( m 一) 与x 的关系制成表格就可在现场直接使用，这种方法在一定程度 上提高了土压实度的测试速度。 - 口 = 芒 皇i 釉 舟 胃糸， 图卜2 击实曲线特性 5 水囊法 水囊式容积测定仪在美国3 7 1 和德国被广泛采用( a s t md 2 1 6 7 6 3 ，d i n l 8 1 2 5 p a r t 2 ) ，我国交通部也于1 9 8 5 年将这一方法引进，并列入土工试验规程( j t j 0 5 1 8 5 ) 。但是由于仪器加工工艺不能满足使用要求，在1 9 9 3 年舍弃了这种 方法( j t j 0 5 l 一9 3 ) 。2 0 0 0 年5 月，在充分吸取了国内外经验教训的基础上， 铁道建筑设计研究院研制出了具有独立知识产权的国内新型水囊式容积测定仪。 与灌沙法和灌水法相比，这种方法具有以下几个特点：( 1 ) 结构简单，操作方便； ( 2 ) 测试精度不受上述灌水法那几种因素影响；( 3 ) 主体结构材料由有机玻璃 制作，重量轻，携带、搬运方便；( 4 ) 薄壁( 壁厚0 1 2 5 0 1 3 0 r a m ) 乳胶水囊在 0 1 8 m 水头压力下可与坑壁充分密贴，从而保证了测试精度m 3 。 李小勇等”1 在水囊式容积测定仪的基础上，提出了气囊式容积测定仪的结 构( 图1 - 3 ) 。其工作原理图如图卜4 所示。 翮一 i 犀匡心一 _ - p _ 1】h，1“1hl*j*jt；111毒 抽晒脚抽龋黛艏舯斟 l，m，：， 图卜3 气囊式容积测定仪结构示意图 图卜4 气囊式容积测定仪：i _ ：= 作原理图 7 综上所述，传统的破坏性压实度测试方法存在费时、费工和有损路基等缺点， 难己满足当今大规模施工中压实质量检测控制上的实际需要，工程建设需要发展 一种快速、简捷而有效的测试手段。 1 2 2 压实度无损测试方法 无损压实度测试作为种间接测试方法越来越受到人们的重视，目前国内外 对压实度无损测试方法的研究有很多，大致情况如下：协3 1 核子密度仪测试法m 1 核子密度仪主要是利用放射性元素产生的射线与土的密度和含水量之间的 关系来确定压实度的方法，主要可分为插入式和表面式两种。这种仪器首先在美 国和前苏联研制成功，后来慢慢的被多数国家所接受。我国也在8 0 年代研制成 功了利用y 射线测土的密度和用中子测含水量的仪器，但并没有在我国的公路工 程旌工中得到广泛的应用，而以美国c p n 公司的5 1 0 d r 型深层核子密度含水仪推 广应用较为广泛，基本上代表了当前国际先进水平2 ”。尹喜林介绍的国内研制 r m t 5 1 0 2 型核子仪的性能指标己达到国外当前同类产品的先进水平。 核子仪密度测试简捷快速，需要人员少，但存在放射性污染的危险，国内也 多次发现进口的核子压实度一含水量测试仪放射性超标的情况。其另一缺点是核 子仪对土的均质性、含水量等因素有很强的敏感性，因此在检测前必须要做好核 子仪的标定，标定不好，误差很大嘞1 0 对于插入式密度仪，洞壁土的结构会遭 到破坏，特别对于粗粒土，这会造成测量准确性降低；对于表面式密度仪，需要 将测试表面仔细整平，如果测试表面和仪器基板间有2 3 m m 的间隙就会使测试 的压实度增加5 一1 5 。 2 r a y l e i g h t 波测试法 3 4 1 ”1 1 0 3 瑞利波在介质中的传播速度盱与介质的干密度及上覆压力有关。同一波长 瑞利波传播特性反映地层在水平方向的变化。不同波长的瑞利波特性则反映地层 垂直方向的变化，可得到沿路基深度波速呈“z ”字形拐点分布的频散曲线图。 曲线拐点对应路基的分层填筑厚度，波速及冲压前后的波速变化则反映了路基压 实度的变化。杨成林1 9 9 6 年指出利用r a y l e i g h t 波测试路基土的压实度主要是 利用其两种特性：( 1 ) 分层介质中r a y l e i g h t 波速度的频散特性：( 2 ) r a y l e i g h t 波传播速度与介质密度的关系，见式卜3 和卜4 。前者用来划分层位，计算各层 的波速值：后者用来求各层的压实度。 p ；4 v 。b 1 卜3 p = 4 b 2 卜4 式中4 ，4 ，马，最皆为常数；v p ，v r 分别为纵波波速和r a y l e i g h t 波波速；p 为试 样密度。 顾汉明2 0 0 1 年在此基础上，利用r a y l e i g h t 波波速与横波波速成正比的关 系，由r a y l e i g h t 波反演现场路基压实后的横波波速，以及标准击实试验能达到 的最大横波波速，最后求出路基土的压实度。 虽然r a y l e i g h t 波测试方法可以达到快速、无损等优点，但是它不能对含水 量进行测试，因此是不太完善的。 3 在线实时监测技术 在线实时监测技术主要是利用压路机振动轮与路基土材料的相互作用的动 力特性来估计压实质量的一种方法。这种思路首先由m a r t i n 于1 9 6 2 年、k e r r i d g e 于1 9 6 9 年、k o n i g 于1 9 7 0 年提出，到了7 0 年代末期已经有一些研制成功的安 装在压路机上的压实仪问世并投向市场。中国也在1 9 8 8 年研制成功了自己的振 荡压实计。 虽然路基压实度在线实时监测与控制技术具有很多优点，也有许多机械设备 投入市场，但是总的来看其研究还不太成熟，没有得到广泛的应用。这主要是施 工现场环境的复杂性，并且由于这种测试方法也不考虑含水量，因此不能准确地 给出压实度的定量值。 4 振动测试法2 4 剐3 9 1 振动测试法是通过向路基瞬态锤击，分析路基产生的凹陷变形、或锤的反弹 位移量、或锤土的相互作用来测定路基土的压实度。目前国内外多将振动测试技 术用于路基强度测试，而用于路基压实度检测还很少见，盛安连、顾炳其等率先 展开对黄土路基压实度振动检测技术的研究，取得了初步的成功。由于路基中水 分对用锤击法测定的压实度有很大的影响，所以下面根据测试含水量的方法不 9 同，将几种常用的振动测试法的原理做一简单的介绍。 ( 1 ) 凹陷量红外法 这种方法基于锤击路基产生的凹陷变形与路基压实度存在的相关关系，即密 实度越大，路基产生的凹陷变形越浅，反之，则越深。如果事先在室内标定好“凹 陷量一压实度关系曲线”，就可以根据实测的凹陷量查出相应的压实度值。但这 样得到的还只是湿压实度，要想得到真正的压实度，必需测含水量。为了适应现 场测试的需要，国内研制成功了红外线法测定土含水量的仪器，这是一种有损测 试法，但由于其具有快速测定的特点，一次土样含水量测定仅需2 3 分钟，因 此在振动法测试压实度中常采用这种方法测定现场路基含水量的大小。 ( 2 ) 反弹位移量一电容法 当锤体与土体相互作用时，锤体会产生脉冲反弹位移量。该反弹位移量同路 基土的凹陷量一样也反映了路基的压实程度，路基愈密实，反弹位移量愈大；反 之，反弹位移量愈小。根据事先标定好“反弹位移量一压实度关系曲线”，就能 按千分表的读数测知路基的压实度大小。同凹陷量红外法一样，测得的也是湿压 实度，要得到真正的压实度也必需测定路基土的含水量。在这里使用的是电容测 湿法，其原理是基于土壤是一种电介质，对不同含水量的土，其介电常数是不同 的，因此在其它条件相同的情况下，测得的电容也是不同的。这种方法基本上是 无损的。 ( 3 ) 频谱分析法 盛安连、顾炳其、吴潜蛟等9 1 剐蜘提出了瞬态锤击法测定路基压实度的 频谱分析法，并研制了路基土压实度瞬态锤击快速测定仪器。 一般来说，冲击响应值不是压实度的一元函数，而是还要受到含水量的影响， 这为准确测定路基土的压实度造成了一定的困难。顾炳其、盛安连n 明通过对土 大量的试验发现了s g 水滞频段( 5 1 5 h z ) ，即在某一频率范围内，含水量对冲 击响应的能量几乎没有什么影响，冲击响应的能量是压实度的单元函数( 如图 卜5 所示) ，并给出了在这一频段内冲击响应与压实度的经验公式： k = e + 向+ g 口2 1 5 式中，a 为冲击响应值；k 为压实度；e ，s 为系数。 1 0 嚆毫 h 图卜5 不同含水量，冲击响应信号的自谱9 啵】 马荣贵给出了不同含水量时，压实度同冲击响应的自功率谱的拟合公式 k = 口+ b 。g ( f o 、 1 6 式中，a , b 为拟合系数，g ( ，) 为自功率谱的峰值。 。 h 发东2 1 也对土压实度的瞬态锤击测试方法进行了研究。在室内试验的基 础上，提出了四种信号分析方法( 傅立叶分析、现代谱分析、小波多分辨薪及 女 连续小波分析) ，指出信号的主峰频率可以作为表征土压实度的特征参量。分析 结果表明：在含水量基本相同的情况下，试样测试信号的主峰频率平均值随干密 度的增加而增加；而在试样干密度相同的情况下，含水量越大，对应测试信号的 主峰频率越小。并指出小波多分辨分析- - m a p l e 法对测试结果的分析最准确。 综上所述，现有对压实度振动测试方法的研究主要是对信号的频域特征进行 了分析。顾炳其、徐刚等主要是对不同土类的水滞频段进行了研究，但由于岩土 材料的特殊性，这种方法是否对所有土类都适用，以及是否在任何含水量条件下 都有同样的结论( 文献中只是对含水量为l o 2 0 之间的情况进行研究) ，还未 见报道，在b 发东的博士论文中也未证实对粉质粘土有水滞频段的存在，仅对信 号的主峰频率进行了研究，并且只是给出了定性分析，没有给出定量的分析结论； 是否还有别的参量可以表征土压实度? 土压实度同特征参量之间的关系是怎么样 的? 这些都没有做研究。因此，本文将在现有研究的基础上，运用不同的原理和 方法，对土压实度瞬态振动测试信号的其它特征参量进行分析，并给出土压实度 的定量分析方法。 1 3 研究的目的和意义 随着我国现代化建设事业的发展，公路交通密度和负荷量日益增大，特别 是重型车辆的迅速增加和行车速度的普遍提高，对公路建设的工程质量和数量提 出了更高的要求。交通部在2 0 0 4 年3 月也对“十五”计划的主要目标作了新调 整：到“十五”末，中国公路总里程将达到一百九十五万公里，新增里程二十八 万公里，年均增长五点六万公里。其中，高速公路由二点五万公里提高到三点五 万公里，二级以上公路里程由二十七万公里提高到三十万公里，公路通乡率将 达到百分之九十九点八，使六百八十七个不通公路的乡通公路( 中新社，2 0 0 4 年3 月2 8 号新闻) 。 这些目标的提出，无疑也对作为评价公路建设工程质量的一个重要标准一 压实度的测试方法提出了更高的要求。传统的压实度有损测试方法，由于存在费 时、费工、有损路基等缺点，己经不能适应当前公路建设的需要：其它的比如放 射线测试方法，弹性波测试方法等等，也因为存在各种各样的问题，而难以得到 广泛的使用。在这种情况下，众多科研工作者正在努力寻找一种新的快速、稳定 可靠、操作方便、无损的土压实度测试方法。本文正是在这样的背景下，拟基于 土压实度振动测试的原理，在大量的试验的基础上，提出土压实度振动瞬态测试 试验的试验构想以及信号的分析方法，进而找出了压实度无损、快速检测的一种 新的方法。此原理和方法还可用于土压实度的在线检测。这一工作对提高土压实 度无损测试方法的实际水平是一次有益的探索，对我国公路建设等具有现实意 义。 1 4 本文主要研究内容 本文的主要内容共分三部分：( 1 ) 室内试验：( 2 ) 试验结果分析；( 3 ) 试验 验证。 1 4 1 土压实度的室内瞬态锤击试验 以长安大学土槽实验室级配土为主要研究对象，在实验室对试样进行瞬态锤 击试验，获得相应的振动加速度信号；同时测定试样的干密度和含水量，为研究 l 试样的干密度和含水量同测试信号特征参数之间的相关关系提供对比依据。 1 4 2 试验结果分析 试验结果的分析主要是指对瞬态锤击测试信号的分析。本文通过对测试信号 的分析，分别提取了信号的幅值和有效值为特征参数，主要内容如图卜6 所示， 并提出了土压实度与各特征参数之间关系的经验公式。 瞬态 一 三 一| 锤击加速 度信号 一 可一l 一黼析 图卜6 信号分析主要内容 1 4 3 室内试验验证 为了检验经验公式的可靠性和正确性，在试验室内做了2 组土样，利用统计 学知识计算压实度的相对误差以及均方根误差，对经验公式进行误差分析，得出 经验公式的可靠性结论。 第二章土壤压实度瞬态锤击振动试验 2 1 瞬态锤击振动试验的基本原理 2 1 1 波在介质中传播的衰减机理 在物理学中，波在传播过程中，除了在真空以外，是不可能维持它的振幅以 及能量不变的。在媒质中传播时，波所带的能量总会因某种机理或快或慢地转换 成热能或其他形式的能量，从而不断衰弱，终至消失。 从本质上说，波同媒质内部某些微观结构的相互作用，引起波的衰溅。从宏 观上讲，影响波的衰减的因素很多，折射、反射以及介质的性质、密度都会影响 波的衰减。在复杂的媒质中，波的衰减情况也较为复杂。 散体是由许多大致相同的单个颗粒( 如土、碎煤、水泥、谷物、及其它颗粒 或粉状材料等) 组成的物体。土属于各向同性但不均匀的散体媒质，振动波在土 中的传播规律以及衰减情况受着很多因素的影响。郭学彬等通过研究地震波在传 播中的衰减得出了这样的结论，爆破地震波能量随着传播距离的增加而不断衰减 其衰减程度主要受到传播介质的影响。孙业志等通过研究振动场中散体介质波的 传播规律也用试验验证了能量衰减与分层介质密度有关。在路基土壤压实的工程 实际中振动波在压实地面上的衰减受场地土质( 包括土的类别和密度) 和振动压 路机的激振能量、激振力、振动频率的影响，而衰减指数芦的大小主要与土质有 j l i s 1 1 】 1 2 】【1 3 o 在瞬态锤击试验中，我们就利用振动波在不同密度的土中的衰减快慢的原理 来检测土的压实度。 2 1 2 瞬态锤击振动试验的基本原理 采用一定质量的钢锤从一定高度自由落下，土体受到瞬态冲击作用，将产生 瞬态振动( 图2 - ) 。由以上理论可知，路基土压实度越大，在传播过程中土体吸 收的能量越小，振动波在水平和垂直方向的衰减越慢，传播的距离越远；反之路 基土压实度越小，在传播过程中土体吸收的能量就越多，振动波在水平和垂直方 向的衰减越快，传播的距离也越近。因此，在一定距离上获得的响应值与土的压 实度之间存在的很大的相关性。 本实验在与振动源一定距离的位置上测取振动加速度信号，旨在通过对此信 号的分析处理与比较，来确定土壤压实度同信号的特征参数之间的函数关系。试 验过程中主要的试验控制条件是含水量、压实度、信号采集点与振动源的距离以 及信号采集点之间的距离。 1 _ _ _ 一重锤；2 一导向套；3 一一加速度传感器；4 一数据采集仪 ；5 - - 一计算机；6 土样。 图2 - 1 土压实度瞬态锤击测试系统示意图 2 2 试验的准备 2 2 1 土壤的准备 1 土壤的分类与组成 基于土壤和岩石的力学特征对土壤进行分类具有重要的工程实际意义。一般 土颗粒组按国标土的分类标准( g b j l 4 5 9 0 ) 划分，该分类体系考虑了土的有 机质含量、颗粒组成特征及土的塑性指标( 液限、塑性和塑性指标) ，和国际上一 些分类体系比较接近。按照这一标准，土体总的分类体系如图2 2 所示。 土j 无机土 有机土 巨粒土j 巨粒土 雾昙 含巨粒土 漂石混合土 雾喜圭雾喜 粗粒土震圭 细粒土蔗 圈2 - 2 土体的分类体系 土是岩石风化后的产物，是各种矿物颗粒的集合体瞰1 。经过风化作用后的 矿物颗粒堆积在一起，中问贯穿着孔隙，孔隙中存在水和空气。矿物颗粒间的联 结是比较微弱的，既不显示固体特性j 也不表现为液体性能，而是与空气、水组 合在一起，显现出一种分散性物质的特征。因此，土是由颗粒( 固相) 、水( 液相) 和气( 气相) 所组成的三相体系( 图2 3 ) 。各相的性质及相对含量的大小直接影响 土体的性质。 图2 - 3 土的组分 矿物颗粒形成土体的骨架，颗粒大小和形状、矿物成分及其排列和联结特征 是决定土的物理力学性质的重要因素。土的结构，按其颗粒的排列及联结有单粒 结构、蜂窝结构和絮状结构。絮状结构使土具有孔隙性、粘聚性和弹性，这些性 质与土的强度和变形有密切的联系。土体的强度主要取决于粒问的联结，土的工 程性质主要受粒间的各种相互作用力( 粒问吸引力和粒间排斥力) 制约。 2 土壤的准备与颗粒分析 试验场地为长安大学“道路施工技术与装备”教育部重点实验室的大型土槽 内。首先在土槽内划定试验用土范围( 5 1 5 m ! ) 对试验用土进行翻松、筛分( 筛 16 分孔径为l o m m ) ，并注水闷制，得到含水量均匀的湿土。筛分后级配曲线如图2 4 。 说明试验用土的级配良好。 永 咖 钿 恻 刊 g 聪 巢 蝶 m ， 土粒粒径i 皿 图2 4 试样颗粒级配曲线 2 2 2 试验工具与仪器 1 试验用土：试验用土准备l m x 6 m 级配土4 块，分为l # 一4 。 2 加速度传感器：本次实验采用的传感器为a r f 一5 0 0 a 应变式加速度传感器， 选择量程为5 0 0 m s 2 ，灵敏度5 5 6 1 z v v ，其测量电路为全桥测量。准备4 个， 分别用来测量两根方钢水平方向和垂直方向的振动加速度。如下图2 - 5 ： 图2 - 5 传感器与磁座 3 数据采集器：d e w e 一2 0 1 0 动态数据采集仪，测量时选用4 个通道( 9 、l o 、 1 1 、1 2 通道) ，采样频率为5 0 0 0 h z ，采样时间为5 s 。如下图2 6 ： 1 7 图2 - 6 动态数据采集仪 4 振动信号感应装置：单圆锥头六方钢两根，六方部分公称尺寸为$ 2 0 ，长 度为2 5 0 r a m ，1 5 0 r a m 为锥状，贯入深度为1 5 0 r a m 。如下图2 7 ： 图2 - 7 连接好传感器的六方钢 5 击实锤：由于击实锤质量适中，有导向套，落点准确，锤击高度相同， 能充分保证击实能量的一致故选用质量为4 5 k g 击实锤做自由落体运动对地面 进行冲击，提供一个冲击信号。 6 7 5 0 k g 手扶振动压路机：用振动压路机对地面进行压实，改变土壤的压 实度。( 图2 8 ) 图2 - 87 5 0 k g 手扶振动压路机 2 2 3 土壤最大干密度和最佳含水量的获取 试验用土的级配良好，按g b 4 4 7 8 8 4 振动压路机性能试验方法试验规程 的要求，采用标准重型击实法测定土的最佳含水量和最大干密度。 1 击实试验8 4 1 1 将实验用土分别制成八份不同含水量的试样，用同样的击实功，分别对每个 试样进行击实，然后测定各试样的含水量w 和干密度r d ，绘制r d w 关系曲线( 击 实曲线) ，曲线峰值即为最大干密度，对应的含水量为最佳含水量w o 。 本次实验方案采用重型击实，锤重4 5 k g ，击实落距为4 5 c m ，土壤分五层，每层击 2 7 次，土样体积1 0 0 0 c m 3 ，每立方厘米土壤受到的击实功为0 2 7 3 k g * m c m 3 。 2 2 2 实验的仪器及设备：w j 一1 型手提击实仪、天平、烘箱、铝盒、盛土盘、 修土刀等。 2 操作步骤： ( 1 ) 取实验用土风干2 4 k g ，制定8 个不同含水量的土样，每个3 k g ，含水量 依次相差为约2 左右。闷土2 4 小时。 ( 2 ) 将击实筒放在坚硬的地面上，分5 次倒入筒内击实，每层击2 7 次，击 锤自e h 落下，落距为4 5 c m ，击实前应平整土面，锤落点必须均匀的落在试样表 面。 ( 3 ) 第一次击实后将试样表面拉毛，然后重复上述的击实步骤，使击实好 的土样略高于简顶。 ( 4 ) 击实完后，以落锤和压板压住土样，小心取出上部的套筒，然后用修土 刀将下部圆筒上高出的土样削去，削至与圆筒边缘齐平。( 图2 9 ) 图2 - 9 环刀与取出的土样 ( 5 ) 将圆筒取下，擦净外壁，在台称上称出圆筒及击实土样的重量g 。，准 确到克。 ( 6 ) 将击实后的土样推出，然后在上下两头去掉表面的土样，取出两个试样 分别装入铝盒，称重。( 图2 - 1 0 ) 图2 1 0 铝盒与湿土的称重 ( 7 ) 将称重后的盒和土放入烘箱，在1 1 5 。c 的温度下烘1 2 小时后取出称重。 ( 8 ) 取另一份土样，重复上面的步骤。 3 计算及制图 ( 1 ) 按下式计算湿密度r r ：g 1 - g 2 2 1 y 式中：r 一一土的湿密度，g c m 3 ； g 1 一下部圆筒与土样的总重，g ： g 2 一下部圆筒的重量，g ； v - - - 下部圆筒的体积，1 0 0 0 c m 3 。 ( 2 ) 按下式计算土的干密度 白= 2 2 1 十w r d 土的干密度，包括孔隙在内的单位体积土的固体颗粒的质量，g c m 3 r - - - 土的湿密度，单位体积土的质量，g c m 3 ； w - - - - - - 土的含水量，土中水的质量占固体颗粒质量的百分数，。 ( 3 ) 以干密度r a 为纵坐标，含水量w 为横坐标，绘制r 。一w 关系曲线( 击 实曲线) 。曲线峰点的纵横坐标分别为土的最大干密度和最佳含水量。 4 击实曲线 运用软件m a t l a b 将所得数据进行2 次拟合，得到击实曲线如下： 干密度与含水量的计算结果表2 - 1 干密度 1 9 0 6 11 9 7 6 42 0 2 7 5 2 0 2 8 42 0 4 3 2 0 0 11 9 4 7 1 9 0 1 31 8 9 3 5 ( g c m 3 ) 彷 e 3 型 稍 h _ 2 0 5 2 1 9 5 1 9 1 8 5 56 589 5 1 11 2 51 4 含水量， 图2 1 1 击实曲线 并得到最佳含水量w o = 1 0 8 1 ，最大干密度r 。= 2 0 2 8g a m 3 。 2 3 试验过程、方法以及步骤 通过以上步骤，在试验前已经准备好了试验用土、试验工具与仪器，算出了 土的级配曲线，前提准备已经完成。下面说明本试验的方法与步骤： 1 取l # 土，将含水量调整至最佳含水量( 1 0 8 1 ) 附近； 2 将数据采集仪的通道和传感器连接起来，并用手逐个晃动传感器，以检 查传感器和数据采集仪是否连接正常，并将数据采集仪接地； 3 用手扶振动压路机将土压实至一定程度： 4 在试验用土中选取一点h ，在距离a 点2 0 0 m m 的地方取点b ，在a 、b 点 处将六方钢贯入1 5 c m ，在贯入时保证六方钢与地面垂直，并且保证两根六方钢 贴传感器的一面互相平行。 5 将磁座与传感器连接在一起，然后将4 个连接好磁座的传感器分别粘吸 在六方钢的端面和纵面。在粘吸传感器时，必须保证传感器上的箭头方向与所测 量的振动方向一致，而且端面和纵面的传感器的距离大概为3 0 m m ，然后与传感 器相连的各通道调零； 6 在a 、b 延长线上距离a 点8 0 0 m e 处用击实锤冲击地面，在数据采集仪上 记录数据一次，然后在距离a 点6 0 0 m m 、4 0 0 m m 、2 0 0 m m 处各冲击一次地面，并分 别在表2 2 中记录数据； 7 将b 点六方钢上的传感器取下，将六方钢拔出，在距离a 点3 0 0 r a m 处将 六方钢按步骤4 中的要求贯入，并将传感器按步骤5 中的要求装好。在距离a 点7 0 0 r a m 、5 0 0 m m 处用击实锤各冲击一次地面，并分别在表2 - 2 中记录数据；。 8 将a 、b 处的传感器取下，将六方钢拔出，用环刀法测量锤击点附近土的 压实度和含水量。选则锤击点附近的土质均匀的地方，用环刀取土样，称重并记 录环刀以及刀和湿土的重量；将采得的土样装入铝盒，称重并记录铝盒以及铝盒 和湿土的重量；按击实试验时所说的方法将湿土烘干、称重后得到干土的重量并 记录在表2 3 中。 试验记录表l表2 - 2 时间土样编号 位置( 埘m )压实度( ) 试验编号记录序号 8 0 0 ，6 0 0 1 6 0 0 ，4 0 0 2 4 0 0 , 2 0 0 3 3 0 0 ，1 0 0 4 7 0 0 ，4 0 0 5 5 0 0 ，2 0 0 6 8 0 0 ，6 0 0 7 6 0 0 ，4 0 0 8 4 0 0 ，2 0 0 9 3 0 0 。1 0 0 1 0 7 0 0 4 0 01 1 5 0 0 ，2 0 0 1 2 8 0 0 ，6 0 0 1 3 6 0 0 ，4 0 0 1 4 4 0 0 ，2 0 0 1 5 3 0 0 ，1 0 0 1 6 7 0 0 ，4 0 01 7 5 0 0 ，2 0 0 1 8 8 0 0 ，6 0 0 1 9 6 0 0 ，4 0 02 0 4 0 0 2 0 0 2 1 3 0 0 ，1 0 0 2 2 7 0 0 。4 0 02 3 5 0 0 ，2 0 02 4 试验记录表2 表2 - 3 土样编号刀号 刀重g7 j + 湿土重g盒号盒重g盒+ 湿土重g盒+ 干土重g 2 4 图2 1 2 试验过程 9 重新用振动压路机击实地面8 到1 2