（道路与铁道工程专业论文）路基土压实度检测技术研究.pdf

摘要 摘要 随着高速公路建设的发展 汽车流量的不断增加 公路建设的质量问题也越 来越引起人们的重视 路面达不到设计的使用寿命 出现早期破坏的情况时有发 生 而压实程度不够是造成路面早期破坏的主要原因之一 压实作业是使路基和 路面各结构材料获得足够密实度的重要环节 采用行之有效的压实度检测方法是 对其实行监控的重要手段 传统的压实度检测方法均属于抽样检测 采用抽样方法往往会造成 薄弱点 漏检现象 形成道路质量的内在隐患 本文在借鉴国内外对压实度检测方法研究 成果的基础上 提出用随车式压实度检测系统来测量土壤的压实程度 其优点在 于可以对压实度进行连续检测 避免压实不足或过分压实等现象 文中首先分析了振动压路机振动加速度信号与土壤压实度之间的关系 从而 得出压实度连续检测技术进行压实度测量的依据是压实度和振动压路机振动轮 垂直加速度的正相关性 确定了检测技术的结构组成 随后 建立起 振动压路 机一土壤 系统动力学模型 并基于m a t l a b s i 姗l i n k 对动力学模型进行了仿真 迸一步验证理论分析的正确性 接下来 设计了一套压实度检测系统 并阐述其 结构组成及原理 最后 通过大量的实验室实验和现场试验 用压实度检测系统 样机对振动轮信号进行采集 分析 确定出加速度传感器最佳安装位置 压实度 值的信号反映方法 提出切实可用的压实度标定回归公式 为压实度连续检测技 术早日实现产品化铺平道路 关键词 压实度 振动压路机 连续检测 m a t l a b s i m u l i n k a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o na n dt h et r a f f i cf l o wc o n t i n u e st o i n c r e a s e t h eq u a l i t yp r o b l e m so fh i g h w a yc o n s t r u c t i o nh a sd r a w nm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n t h er o a ds u r f a c ec o u l dn o ta c h i e v et h es e r v i c el i r eo ft h ed e s i g n a n dt h ee a r l y d a m a g eh a v eo c c u r r e dn o wa n dt h e n t h ec o m p a c t i o nd e g r e ei n s u f f i c i e n t l yi s o n eo f m a i nr e a s o n sw h i c ht h er o a ds u r f a c ee a r l yd e s t r o y s t h ec o m p a c t i o nw o r ki s t h e i m p o r t a n tl i n kw h i c h t h er o a d b e da n dt h er o a ds u r f a c ev a r i o u ss t r u c t u r a lm a t e r i a lo b t a i n t h ee n o u g hc o m p a c t n e s s t h et r a d i t i o n a lc o m p a c t n e s sd e t e c t i o nm e t h o db e l o n g st ot h es a m p l i n gd e t e c t i o n u s e st h es a m p l i n gm e t h o do f t e nm a k et h ep h e n o m e n o no f t h ew e a kp o i n t u n d e t e c t e d t h i sf o r m st h ei n t r i n s i ch i d d e nd a n g e ro ft h er o a dq u a l i t y t h ea r t i c l eb a s e do nt h e r e s e a r c hr e s u l t so ft h ec o m p a c t n e s sd e t e c t i o nm e t h o df r o md o m e s t i ca n df o r e i 乳 p r o p o s e ds u r v e y st 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 ei n v e h i c l ec o m p a c t i o n d e g r e ed e t e c t i o ns y s t e m i t sm e r i ti sm a yc a r r yo nt od e t e c tc o n t i n u o u s l y a n dc a na v o i d t h ep h e n o m e n o no fc o m p a c t i o nb e i n gi n s u f f i c i e n to re x c e s s i v e t h ea r t i c l ef i r s ta n a l y z e dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a lo f t h ev i b r o r o l l e ra n dt h es o i lc o m p a c t n e s s t h u so b t a i n e dt h em e t h o do ft h ec o m p a c t i o n d e g r e e c o n s e c u t i v ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yt od e t e c tc o m p a c t n e s si s t h ep o s i t i v e c o r r e l a t i o no fc o m p a c t n e s sa n dv e r t i c a lv i b r a t i o na c c e l e r a t i o no fv i b r o r o l l e rr o u n d h a s d e t e r m i n e dt h ei n s t r u m e n ts t r u c t u r ec o m p o s i t i o n s u b s e q u e n t l y h a se s t a b l i s h e dt h e s y s t e md y n a m i c sm o d e lo f t h ev i b r o r o l l e r s o i l a n dh a sc a r r i e do nt h ed y n a m i c s m o d e ls i m u l a t i o nt h a tb a s e do nm a t l a b s i m u l i k a n dh a sc o n f i r m e d f u r t h e rt h e c o r r e c t n e s so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s n e x t h a sd e s i g n e dc o m p a c t i o nd e t e c t i o ns y s t e m a n de x p l a i n e di t ss t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e f i n a l l y t h r o u g ht h em a s s i v el a b o r a t o r i e s e x p e r i m e n ta n dt h ef i e l dt e s t u s et h em o d e lm a c h i n eo ft h ec o m p a c t i o nc o n s e c u t i v e d e t e c t i o ns y s t e mt og a t h e ra n da n a l y s et h es i g n a l a n dt oc o n f i r mt h eb e s ti n s t a l l m e n t p o s i t i o no ft h ea c c e l e r a t i o ni n s t r u m e n t a n dt oc o n f i r mt h es i g n a lr e f l e c t i o nm e t h o do f t h ec o m p a c t n e s sv a l u e a n dp r o p o s e do n eo fc o m p a c t n e s sr e t u r nf o r m u l aw h i c hm a yu s e p r a c t i c a l l y t h a tw i l ls m o o t ht h ew a y t or e a l i z et h ep r o d u c tf o rc o m p a c t i o nd e g r e e c o n s e c u t i v ed e t e c t i o nt e c h n o l o g ye a r l y k e yw o r d s c o m p a c t i o nd e g r e e v i b r a t i o nr o l l e r c o n s e c u t i v ed e t e c t i o n m a t l a b s i m u l i n k 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本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 本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担 学位论文作者签名 是甥 日期 的g 年v 月 夕日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查 阅和借阅 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 2 0 扩肄 7 f 月p 日日期 2 对年年月钐日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 随着我国公路建设的快速发展 更多的高等级公路正在建设和准备建设中 在公路施工中 压实是至关重要的一道工序 压实度是否合格是判定工程质量优 劣的一条重要标准 无论路基 底基层 基层和面层都需要很好的压实 以达到 一定的密实度 提高道路的承载能力 并防止沉陷 水分渗透等 随着交通运输 量的迅速扩大 公路建设的进一步发展 施工部门对压实机械和压实工作提出了 越来越高的要求 通常 压实工作占施工项目费用的2 设备占工程造价的0 2 而密实度每提高l 基础承载能力就提高1 0 特别是沥青混凝土密实度每提高 1 承载能力和寿命可提高1 0 1 5 压实工作的重要性显而易见 同时 公路建设的质量问题也越来越引起人们的重视 路面达不到设计的使 用寿命 出现早期破坏的事情时有发生 而压实程度不够是造成路面早期破坏的 主要原因之一 公路路面的投资费用往往占工程总投资的3 0 5 0 特别是高等 级公路 其路面的投资比重更大 因此 路面过早破坏在经济上造成的损失是非 常巨大的 除了加强路面工程的管理 在技术上按标准要求控制路基 路面的压 实是保证路面质量最经济有效的措施之一 国内外的工程实践和试验研究都早已证明 在路基路面结构层施工时 必须 采用施工机械进行认真压实 这样才能提高路基 路面结构层和路面整体的强度 增加其稳定性 以便减少甚至避免路面可能产生的多种早期损坏现象 从而大大 提高路面的使用性能和使用寿命 若路基 底基层或面层材料压实不足 在使用 过程中 路面达不到一定的强度 在荷载作用下就会产生剪切破坏 如 辙槽 裂缝 沉陷等 可见 进行有效充分的压实对公路建设有着重要的意义 压实作业是使路基和路面各结构材料获得足够密实度的重要环节 采用行之 有效的压实度检测方法是对其实行监控的重要手段 由于碾压过程控制不当 在 施工中经常出现下列问题 压实遍数不够 达不到规定的压实度 因而要重新压 实 影响工期 压实遍数过多 既不经济又可能导致压实度降低 同时也是对人 力 物力的浪费 传统的检测方法有灌砂法 环刀法及核子密实度仪法等 采用传统方法检测 在压实过程中不能测量和评估压实状态 只能在压实结束后采取少量的试样材料 进行试验 代表性差 描述粗糙 而且试验过程中有时需要做大量的工作 费用 昂贵 时间较长 此外 上述传统方法均属于抽样检测方法 很难反映道路上每 一点的压实情况 在具体施工中 可能在部分区段 由于材料级配不合理 或材 料内水分的含量过高或过低而产生材料压实度的 薄弱点 采用这些传统的检测 第一章绪论 2 方法往往会造成 薄弱点 漏检现象 形成道路质量的内在隐患 可见 为了对压实过程实时控制 保证每个施工段以最少的碾压遍数达到施 工要求的标准 让工程施工人员和监理人员及时掌握施工现状 开发研究路基土 压实度连续检测技术是很有必要的 而在现代化路基路面施工中 压实机械又是 压实度最直接的控制者 因此 对压实机械的压实度进行连续检测的技术是评价 压实效果的重中之重 1 2 振动压实技术的发展 1 2 1 振动压实技术的发展历程 压实机械的应用起源于我国 早在1 0 0 0 多年以前的隋唐时期就出现了压路机 的最早雏形 使用了人力或畜力拖动的石磙压实地面 但是最先把振动方法应 用于土体基础的压实是德国的劳申豪森 l o s e n h o u s e n 公司1 9 3 0 年研制出的振动 平板压实机 随后欧美一些国家相继推出了拖式振动压路机 自行式振动压路机 双钢轮振动压路机等机型 新的压路机不仅压实厚度深 效果好 而且速度快 生产效率高 使振动压实技术有了很大进步 到了2 0 世纪6 0 年代 国外大中型振动压路机已经采用了液压技术 全液压 化使得压路机结构简单 布置方便 操作省力 随着液压传动和液压控制技术的 发展 出现了调频调幅式振动压路机 为压实工作参数的优化调节奠定了基础 计算机技术 微电子技术 传感技术 测试技术的迅速发展 推动了压路机 机电一体化的进程 这些新技术的应用提高了机器性能和生产率 保证了压实质 量 到目前为止 振动压路机以无可比拟的优势 占据全球压路机市场销售总额 的8 5 l 1 1 1 2 2 压实机械的发展趋势 随着现代新技术革命的兴起 特别是微电子技术 计算机技术和自动控制技 术等的迅速发展 引导着压实机械向着自动化 智能化的方向发展 1 压实过程监测技术 由于传统的压实监测方法存在很大的缺点 早在2 0 世纪6 0 年代初就有人提 出了利用振动部件与基础之间相互作用的动力特性来判断压实进程的设想 这种 方法的原理是建立在当地面在振动部件的作用下逐步压实时 地面与机器系统的 动力特性也在变化 这种变化将指示出地面承压能力变化的相对数值 从而也反 映了地面被压实的程度 将这一思想变为现实并成功用于压路机上的一种压实度 监测装置是德国的b t m 压实计f 2 其b t m o s 型计算机压实控制测量系统 可以进 行连续和实时测量并处理压实过程中压实度的变化情况 可显示或打印出压实层 剖面各点的压实质量 在此基础上又开发出可与微机相连的离线处理系统b c m 0 3 第一章绪论 3 数据经处理后可绘制出整个压实地区的压实质量图 2 压实机械的智能化技术 在压实过程和机器工作状态实时监测的基础上 压实机械进一步向智能化方 向发展 将自适应和自学习技术引入压实控制中 并在此基础上实现压实作业的 最优控制 通过一段时间的压实实践 压路机会自动对压实作业的各项参数 频率 振幅 速度和压实遍数 进行不同组合 并判断压实效果 从而决定最优控制方案 当被压材料的性质发生变化时 它会不断的改变自身的参数 自动适应现场状况 的变化 使压实作业始终在良好的条件下进行 另外 电脑将普遍应用在压实机械上 用以对工作过程的监测 机器技术状 态的诊断 报警和故障分析 人工智能的引入将大大改善机器的维修保养工作 并加速它们的现代化进程 3 压实过程的自动控制技术 在自动控制方面 压路机主要用于根据土质条件自动进行振幅和压实能量的 输出 由于地面接触力随着压实强度的变化而变化 钢轮的振动方向根据系统内 的加速度传感器连续测试钢轮的动态特性 并通过记录评估这些数据 进而使振 动方向在水平和垂直方向之间自动进行调整 压路机上自动控制技术的另一个应用是自动滑转控制系统 简称a s c a n t i s li pc o n t r 0 1 3 该系统通过监测振动轮和胶轮之间的滑转 借助于调整液压驱 动系统的流量 来提供最佳的牵引条件 避免设备停顿或下滑 安装该系统的压 路机爬坡能力高达6 8 4 压实过程全球定位系统 全球定位系统 简称m s g p s m e a s u r i n gs y s t e mg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 该系统由微机 触摸屏和专门开发的c a d 软件所组成 通过此系统 压路机的位 置可以被精确的记录下来 并能确定压实的位置和保证压实质量 通过精确无误 的跟踪压路机所处的位置 特别是当压路机偏离出压实区域的范围时 通过清晰 地反映在显示器上的测定结果 可以及时帮助驾驶员在保持压路机行进状态下纠 正错误 从而使压实位置和压实质量得到保证 5 压实机械辅助选择技术 该技术可以根据压实过程的工作量 现场条件 材料特性 葡氏压实曲线以 及所要求的压实度来选择压实机械的配置方案 对每种方案均可提供各种使用参 数的选用建议 包括压轮类型 振幅和振频 摊铺厚度和铺层数 每层压实带的 安排 碾压速度和遍数以及压实生产率和压实时间的确定 6 压实过程的计算机仿真技术 在压实理论和技术的研究中 实验研究与计算机仿真技术的结合将成为更加 第一章绪论 4 重要的研究手段 瑞典g e o d y n a m i k 技术咨询公司开发的一种振动压实过程的计算 机仿真软件 建立了一种土壤动力学模型 将土壤最基本的物理力学特性 土壤 的密度 弹性模量 泊松比 内摩擦系数作为计算机仿真模型的输入参数 通过 不同的土壤条件和不同的机械参数下模拟滚轮与土壤相互作用的动力学特性 对 现有振动压路机的压实性能进行评价和对设计的新机型进行性能预测 1 3 国内外研究综述 1 3 1 国外研究综述 早在2 0 世纪七十年代 瑞典 德国等国家就针对上述问题 开始研究利用振 动轮振动加速度在压实过程中的变化规律 寻求探索检测路面压实的各种方法 八十年代中期 瑞典d y n a p a c 公司和德国b o m a g 公司开始研制压实度仪 并 做了大量的试验研究 产品按原理大致有两种 一种是德国b o m a g 研制出b t m 动态土壤压实度仪系列产品 它的工作原理是 通过检测振动轮上的振动加速度信号 得出压实土壤的阻抗值 从而反映土壤的 压实状态 大体上 对于相同的材料 压实越好 阻抗值越高 当大到一定程度 阻抗值增量趋近于零时 表示压实过程结束 这套系统主要由加速度传感器 微 处理器 仪表盘和打印机等构成 其二是瑞典d y n a p a c 公司与g e o d y n a m i k 公司共同开发的压实度仪 4 j 它的工 作原理是通过安装在振动压路机上的加速度传感器 检取系统在振动激励下的响 应信号 通过滤波器和信号的傅立叶变换 得出振动信号的基波和二次谐波分量 然后用二次谐波与基波的比值来反映压实的程度 土壤压实程度越好 谐波的畸 变程度越严重 谐波分量也越大 其比值也越大 当这个比值与事先标定值接近 到一定程度时 说明压实过程可以结束 在压实过程中可将记录信息进行分析 并能够将其作为结果在屏幕上显示出来 压实程度低于预设值范围的区域以红色 显示出来 个别压实过程可以用曲线的形式表示出来 并与不同的压实过程相比 较 1 3 2 国内研究综述 九十年代初 国内某些厂家对随车压实度检测方法进行了探索研究 并研制 出了几种压实度仪 徐州工程机械厂与宝应四明有限公司研制的s m c 9 6 0 a 密实度测量仪 由传感 器 测量分析仪 数据采集器和打印机等四部分组成 通过加速度传感器检取压 路机振动轮上的振动加速度信号 转换为电信号 经放大电路放大后送入滤波电 路 两个滤波器分别将信号基波和二次谐波分量选出 并且各自经过线性变换和 压频转换 再经过除法电路算出谐波分量与基波分量的比值 最后在显示器上显 第一章绪论 5 示出土壤的密实度 水利水电科学研究院研制的y s i 压实度仪工作原理与上述一样 即利用谐波 与基波的比值反映土壤密实度的大小 它在进行数据处理时 采用取平均值的方 法 同时 根据振动压路机振动频率的工作范围 设计了频率选择开关 以满足 不同振动频率的工作要求 苏州市交通研究所研制开发了m s y 1 0 0 型压实度比较仪 它是从力平衡角度 分析振动压路机对土壤压实的工作原理 在土壤颗粒性质 直径 级配 含水量 等一定的条件下 土壤颗粒比较松软时 土壤强度比较低 其弹性模量比较小 对振动轮的反力也较小 反之 对振动轮的反力就比较大 加速度与振动轮反力 有线性关系 而反力与土壤密实度有良好的相关关系 所以加速度的变化正是反 映了土壤的压实程度 这些研究开发对国外测量原理进行了验证 但由于受到多方面因素的制约 到目前为止 国内还没有完全适合压路机随车检测用的理想检测仪 因此 如何 将压实度仪应用在各种不同的振动压路机上 适应于各种不同的土壤条件 提高 测量的精确性 仍需要作新的尝试和研究 1 4 课题的研究意义与主要内容 1 4 1 研究意义 在西部大开发过程中 交通基础建设是各地的先行举措 我国规划在西部地 区修筑的公路里程达到了3 5 万公里 公路行业对填土路基的压实标准规定较为全 面 对高速公路规定 路基顶面以下8 0 c m 以内压实度要达到9 5 8 0 c m 以下1 5 0 c m 以上要达到9 3 目前公路路基的压实度检验仍主要采用灌砂法 环刀法等方法 这些传统的检测手段效率低 且会对路面结构层造成破坏 核子密度仪法因放射 性防护问题而使用不便 压实度连续检测技术作为一种公路质量无损检测的新技 术 可以使工作人员在压实过程中实时检测压实状况 控制压实质量 从而保证 路基路面在最少碾压遍数下得到充分压实 避免压实不足或过分压实等现象 这 样 既能节省人力 缩短工期 又可以在保证施工质量的基础上加快施工进度 具有明显的社会效益和经济效益 同时 此技术的基本理论涉及土动力学 弹性 动力学 机械理论 数字电路 模拟电路 数字信号处理等学科 内容丰富 具 有相当的理论研究价值 1 4 2 主要内容 本课题的主要研究内容有 1 分析研究土壤含水量及振动压路机振动频率 行驶速度对压实度值测量的 影响 分析传统压实度检测方法存在的不足 提出应用随车压实度连续检测方法 第一章绪论 6 来实现对土壤压实度的控制 2 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相互关系 从而 得到压实度连续检测的方法 3 建立起 振动压路机一土壤 系统动力学模型 并基于姒t l a b s i m u l i n k 对动力学模型进行了仿真研究 4 分析研究激振信号的处理方法 分析激振信号的噪声及其对信号的影响 确 定振动压路机施工工况下激振信号的采样频率 滤波器的类型 频谱变换的算法 f f t 变换块的大小及窗函数的类型 5 通过实验室和现场试验 用压实度检测系统对信号进行采集 分析 确定 加速度传感器最佳安装位置 确定压实度值的信号反映方法 提出切实可用的压 实度标定回归公式 为压实度连续检测技术的产品化铺平道路 第二章压实度评定方法与压实度连续检测理论 7 第二章压实度评定方法与压实度连续检测理论 通过对路基路面的充分压实 可以提高公路建设的质量 延长公路的使用寿 命 对公路建设有着重要意义 而采用行之有效的压实度检测方法则是对其实行 监控的重要手段 本章从路基土壤的结构特征入手给出了路基路面压实的相关概 念 分析了土壤压实的机理 压实的几种基本方法 影响压实的几个因素及传统 的压实度检测方法 分析了传统压实度检测方法存在的不足 由此提出了压实度 连续检测技术的方法 并且分析了振动压路机的工作原理及压实机理 建立了振 动轮 土壤系统动力学模型和系统动力学方程 由此提出了振动轮加速度与压实 度之间的相关关系是压实度连续检测技术的最根本的理论基础 2 1 土的物理性质及工程分类 土是由连续 坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒 经过不同的 搬运方式 在各种自然环境中生成的没有粘结或弱粘结的沉积物 土经历压缩固 结 胶结硬化 也可再生成岩石 指沉积岩类 在漫长的地质年代中 由于各 种内力和外力地质作用形成了许多类型的岩石和土 基岩经历风化 剥蚀 搬运 沉积生成各类覆盖土 所谓基岩是指原位的各类岩石 其在水平和竖直两个方向 延伸很大 所谓覆盖土是指岩石风化产物覆盖于基岩之上的各类土的总称 在自 然界中 土直观上呈一种松散状的颗粒堆积物 土由固体颗粒 水和气体三部分 组成的三相体系 固体部分即固体颗粒 一般有矿物质所组成 有时含有有机质 这一部分构成土的骨架 称为土骨架 土骨架间布满相互贯通的孔隙 这些空隙 有时完全被水充满 称为饱和土 有时一部分被水占据 另一部分被气体占据 称为非饱和土 有时也可能完全充满气体 称为干土 水和溶于水的物质构成土 的液体部分 空气及其他一些气体构成土的气体部分 这三部分本身的性质以及 他们之间的比例关系和相互作用决定了土的物理力学性质 2 1 1 土的固体颗粒特征 固体颗粒构成的土骨架对土的物理性质起决定性作用 天然土是由大小不同 的颗粒组成的 土粒的粒径由粗到细逐渐变化时 土的性质相应地发生变化 土 粒的大小称为粒度 通常以粒径来表示 土颗粒的大小相差悬殊 有大于几十厘 米的漂石也有小于几微米的胶粒 同时由于土粒的形状往往是不规则的 很难直 接测量土粒的大小 故只能用间接的方法来定量地描述土粒的大小及各种颗粒的 相对含量 常用的方法有两种 对粒径大于0 0 7 5 m m 的土粒常用筛分析的方法 而对小于0 0 7 5 m m 的土粒则用沉降分析的方法 工程上常用不同粒径颗粒的相对 含量来描述土的颗粒组成情况 这种指标称为粒度成分 第二章压实度评定方法与压实度连续检测理论 8 天然土的粒径一般是连续变化的 为了描述方便常把大小相近的颗粒合并为 组 称为粒组 各个粒组随着分界尺寸的不同 而呈现出 定质的变化 划分粒 组的分界尺寸称为界限粒径 土的粒组划分方法各行业部门并不完全一致 建 筑地基基础设计规范 g b j t 8 9 和 岩土工程勘察规范 g b 5 0 0 2 1 一9 4 将 砂粒粒组与粉粒粒组的界限从0 0 5 姗改为0 0 7 5 m m 我国上述规范采用的粒组划 分标准见表2 1 土的工程分类标准 g b j l 4 5 一 9 0 和 公路土工试验规程 j t j 0 5 1 9 3 在砂粒粒组与粉粒粒组的界限上取与上述规范相同的标准 但将 卵石粒组与砾石粒组界限改为6 0 m m 其粒组划分标准见表2 2 表2 1 粒组划分标准 g b 5 0 0 2 t 一9 4 t a b2 1c r r a m so fs t a n d a r d s g b 5 0 0 2 1 9 4 名称漂石粒组卵石粒组砾石粒组砂粒粒组粉粒粒组粘粒粒组 范围 m m 2 0 02 0 2 0 02 2 00 0 7 5 20 0 0 5 4 0 7 5 2 0 0 漂石 块石 2 0 0 巨粒 卵石 碎石 2 0 0 6 0 卵石 小块石 2 0 0 6 0 粗砾6 m 乞0粗砾6 0 一2 0 细砾 2 0 2 中砾 2 m 巧 砂粒2 旬 0 7 5细砾 5 2 粗粒 粗砂 2 o 5 中砂 0 5 0 2 5 细砂 0 2 5 o 0 7 4 粉粒0 0 7 5 4 3 0 0 5粉粒 0 0 7 4 4 0 0 2 细粒 粘粒 0 0 0 5粘粒 0 0 0 2 土粒的大小及其组成情况 通常以土中各个粒组的相对含量 是指土样各粒 组的质量占土粒总质量的百分数 来表示 称为土的颗粒级配或粒度成分 2 1 2 土粒级配分析方法 粒度成分分析的目的在于确定土中各粒组颗粒的相对含量 土的颗粒级配是通 过土的颗粒分析试验确定的 对于粒径大于0 0 7 5 r a m 小于等于6 0 m m 的粗粒组 第二章压实度评定方法与压实度连续检测理论 9 可采用筛分法 而对于粒径小于0 0 7 5 的细粒组 则必须采用沉降分析法 当土 中兼含大于和小于0 0 7 5 的土粒时 两类分析方法可联合使用 沉降分析法有密 度计法 比重计法 移液管法等 筛分法试验是将风干 分散的代表性土样通过一套自上而下孔径由大n d 的标 准筛 称出留在各个筛子上的干土重 即可求得各个粒组的相对含量 通过计算 可得n d 于某一筛孔直径土粒的累积质量和累积百分含量 沉降分析法的理论基础是土粒在水中的沉降原理 根据土粒在悬液中沉降速度 与粒径的平方成正比的s t o k e s 公式来确定各粒组相对含量的方法 但实际上 土 粒并不是球形颗粒 因此用上述公式计算的并不是实际土粒的尺寸 而是与实际 土粒有相同沉降速度的理想球体的直径 称为水力直径 用沉降分析法测定粒度成分时 将一定质量 m 的干土制成一定体积 v 的悬液 在搅拌均匀并停止搅拌时开始计时 经一定时间 t 在液面下某个深度 l 测定该深度处悬液的密度 以 则根据s t o k e s 公式 在此深度处的最大 粒径 d 及小于等于此粒径的土粒质量 m s 可由下式求得汹1 a 1 1 2 6 居 2 1 1 0 0 0 丛五以 2 2 j 7s r w 式中 l 广一土粒沉降距离 c m t 广 沉降时间 s 以一一悬液的密度 g c m 3 d 广 土粒的直径 c m 以 一土粒的密度 g c m 3 九 一水的密度 g c m 3 则悬液中粒径小于等于d 咖 的土粒质量m s 占土粒总质量l i l 5 的累积百分比 为 a 堕 2 3 f n s 沉降分析时测定悬液密度的方法有比重计法和移液管法两种 在不同的时间 间隔测定悬液的密度 即可得到不同的粒径及其对应的累积百分含量 第二章压实度评定方法与压实度连续检测理论 l o 2 1 3 土粒级配表示方法 根据土粒级配分析结果 常采用累计曲线法表示土的颗粒级配 该法是比较 全面和通用的一种图解法 适用于几种土级配好坏的相对比较 累计曲线法通常 用半对数纸绘制 横坐标为粒径 纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分含量 由累计曲线图的坡度可以大致判断土粒的均匀程度或级配是否良好 如曲线较陡 表示粒径大小相差不多 土粒较均匀 级配不良 反之 曲线平缓 则表示粒径 大小相差悬殊 土粒不均匀 级配良好 根据描述级配的累积曲线 可以简单的确定土粒级配的两个定量指标 即 不均匀系数c u 和曲率系数c c 定义如下 仇 鱼 2 4 盔 c c l 2 5 吐 叱 式中 d 6 0 d 加 d 一分别相当于小于某粒径土质量累计百分含量为6 0 3 0 1 0 对应的粒径 分别称为限制粒径 中值粒径和有效粒径 不均匀系数c u 反映大小不同粒组的分布情况 即土粒大小的均匀程度 c u 越 大表示粒度的分布范围越大 土粒越不均匀 其级配越良好 曲率系数c c 描写的 是累计曲线分布的整体形态 表示某粒组是否缺失的情况 反映了限制粒径d 与 有效粒径d 之间各粒组含量的分布情况 工程上把c u l o 的土 属级配良好 对于级配连续的土 采用单一的指标c u 即可达到比较满意的判别结果 但缺乏 中间粒径的土 即级配不连续 累计曲线上呈现台阶状 再采用单一指标c u 则难 以有效判定土的级配好坏 当同时满足c u 5 和c c l 3 两个指标时 土为级配良 好土 易获得较高的密实度 具有较小的压缩性和较高的强度 工程性质良好 如不能同时满足 则为级配不良土 不易获得较高的密实度 工程性质不良 为进一步研究土的松紧和软硬 下面分为两大类土进行描述 2 1 4 无粘性土的密实度 无粘性土一般是指粗粒土 砂类土和砾类土 粗粒土中一般粘粒含量甚少 不具有可塑性 呈单粒结构 其物理性质主要决定于土的密实程度 砂砾类土密实度在一定程度上可根据天然孔隙比e 的大小来评定 但对于级 配相差较大的不同类土 则天然孔隙比e 难以有效判定密实度的相对高低 例如 就某一确定的天然孔隙比 级配不良的土 根据该孔隙比可判定为密实状态 而 对于级配良好的土 同样具有这一孔隙比 则可能判为中密或稍密状态 因此 第二章压实度评定方法与压实度连续检测理论 l l 为了合理判定砂类土的密实度状态 在工程上提出了相对密实度d r 的概念 d r 定义为 3 4 d r 婴二 2 6 e 一 n 式中c 现场无粘性土的天然孔隙比 e k 土的最大孔隙比 e 土的最小孔隙比 当d r q 3 表示砂土处于最松散状态 当d r i 表示砂土处于最密实状态 砂 砾类土密实度的划分标准如表2 3 所示 表2 3 密实度划分标准 t a b2 3d e n s i t yo fs t a n d a r d s 密实度密实中密松散 d rl d r 0 6 70 6 7 d r o 3 3o 3 3 d r 0 2 1 5 粘性土的物理特征 粘性土的颗粒很细 粘粒粒径d o 0 0 5 m m 细土粒周围形成电场 电分子力吸 引水分子定向排列 形成粘结水膜 土粒与土中水相互作用很显著 同一种粘性 土随其含水量的不同 而分别处于固态 半固态 可塑状态及流动状态 其界限 含水量分别为缩限 w s 塑限 w p 和液限 w 所谓可塑状态 就是当粘性 土在其含水量范围类 可用外力塑成任何形状而不发生裂纹 并当外力移去后仍 能保持既得的形状 土的这种性能叫可塑性 塑性指数i 定义为 i p w l w p 2 7 塑性指数越大 土从液限到塑限含水量的变化范围越大 土能吸附结合水多 土的可塑性越好 液性指数i 定义为 r w 一 乞 上 呢一哆 2 8 液性指数又称相对稠度 反映土的软硬不同 当土的天然含水量w 时 i l 忱时 l o 土处于流动状态 当硅k 与w p 之间时 即i t 在0 到1 之间 则土处于可塑状态 因此可用液性指数i 表示粘性土所处的 软硬状态 i 值越大 土质越软 反之 土质越硬 岩土工程勘察规范 g b 5 0 0 2 1 9 4 的划分标准如下 第二章压实度评定方法与压实度连续检测理论1 2 表2 4 粘性土的软硬状态 t a b2 4c l a yh a r da n ds o f ts t a t e 状态坚硬硬塑可塑软塑流塑 o i l 0 2 5 i 0 7 5 1 o 2 50 7 51 2 2 路基压实 2 2 1 压实度的概念 压实度是指土或路面材料压实后的干密度与该土或材料的标准干密度之比 常用百分数表示 压实度值是反映施工质量的一个重要指标 通过对颗粒的压实 确保道路的使用寿命 使之发挥最大的经济效益 如设压实度为万 实际干密度为门 标准干密度为y 则 5 艿 丛 1 0 0 2 9 7 2 2 2 2 影响压实因素 振动压路机对被压材料的压实过程是个很复杂的随机过程 由于被压材料的 物理特性具有很大的随机性 即使是同一种材料 在被压时的初始状态 环境温 度和湿度不同 其压实度也有很大的区别 影响压实度的因素很多 主要有以下 几种 含水量 土类和级配 击实功 振动压路机的振幅 频率 工作速度和行 驶方向 1 含水量 土的含水量是指土在1 0 0 1 0 5 下烘至恒重时所失去的水分重量与达到恒重 时干土重量的比值 土中含水量对压实效果的影响比较显著 当含水量较小时 由于颗粒间引力 可能还包括毛细管引力 使土保持着比较疏松的状态或凝聚结 构 土中孔隙大都互相连通 水少而气多 在一定的外部压力作用下 虽然土孔 隙中气体易被排出 密度可以增大 但由于水膜润滑作用不明显以及外部功能不 足以克服颗粒间引力 土粒相对移动不容易 导致压实效果比较差 含水量逐渐 增大时 水膜变厚 引力缩小 水膜又起着润滑作用 外部压力比较容易使土粒 移动 压实效果渐佳 土中含水量过大时 孔隙中出现了自由水 压力不可能使 气体排出 压力的一部分被自由水所抵消 减小了有效压力 压实效果反而降低 可见 只有在最佳含水量的情况下压实效果最好 由重型击实试验可得到土样的 最大干密度和最佳含水量 最佳含水量是施工控制的重要依据 最大干密度则是 现场压实度的标准 第二章压实度评定方法与压实度连续检测理论 1 3 2 土类和级配 在相同击实功条件下 不同土类及级配的压实性是不一样的 级配良好的土 易于压实 反之 则不易压实 这是因为级配良好的土有足够的细粒去填充粗粒 形成的空隙 因而获得较高的干密度 而级配不良的土则正好相反 较粗土粒形 成的空隙缺少足够的细土粒去填充 所以其干密度较小 不同土类的压实性也是不一样的 试验表明 同样含水率的情况下 粘性土 的粘粒含量越高或塑性指数越大 越难以压实 对于无粘性土 含水率的影响没 有粘性土那样敏感 但在含水率较大时能得到较大的干密度 因此在实际工程中 通常需要不断洒水使其在较高含水率下压实 3 击实功能 对于同一种土 加大击实功能 能克服较大的粒间阻力 会使土的最大干密 度增加 而最佳含水量减小 但靠增大击实功能来提高土的最大干密度是有一定 限度的 当含水率较低时击数次数的多少影响较显著 当含水率较高时 含水率 与干密度关系曲线趋近于饱和线 也就是说 这时提高击实功能是无效的 同时 含水率过低和过高都是不利的 都会影响到路基的稳定性 4 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大 其内摩擦阻力急剧下降 颗粒 之间的相互填充作用加强 这时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 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 压实度值也越大 但是振幅也有一个合适的范围 过大的振幅会 使振动轮脱离地面 也就是一般所说的 跳振 使表层受到严重不规则冲击 揉搓和过度碾压 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 己压实表面层产生松散现象 从而引起压实度降低 这是施工中应该避免的问题 5 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压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 反之 第二章压实度评定方法与压实度连续检测理论 1 4 工作速度降低 压实效果增强 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 6 振动压路机行驶方向对压实度的影响 振动压路机工作时振动轮是向前向后往复连续滚压的 由于运行方向的改变 对压实度也有着显著的影响 实践表明 为了得到较好的压实效果 即得到大一 点的压实度 振动压路机的偏心块旋转方向最好保持与压路机运行方向保持一致 这一点在最后一节做了详细分析 2 3 传统压实度评定方法 传统的压实度评定方法可以大致分为破坏性试验评定方法和非破坏性试验评 定方法 2 3 1 破坏性试验评定方法 所谓破坏性试验 是指在测量土层或材料层的密实度和含水量之前 需要对 被测量层进行一定程度的破坏 以采取样品 常用的破坏性试验主要有三种 灌砂法 水袋法 环刀法 下面将对这三种方法进行简单介绍 1 灌砂法 先在拟测量密实度的地点挖掘一个圆形试洞 洞深通常应等于碾压层的厚度 在挖洞过程中 应使洞壁尽可能垂直 避免洞径上大下小 仔细收集洞中挖出的 全部土或材料 勿使丢失 并采取措施保护其含水量不受损失 及时称取洞中挖 出的全部土或材料的质量 并取部分有代表性的样品做含水量试验用 剩下的重 要一步是测量试洞容积 确定所挖出的全部土或材料的体积 灌砂法即用均匀颗粒 或单一颗粒 的砂 由一定高度下落到一规定容积的筒 或洞内 根据其单位质量不变的原理 来测量试洞的容积 用试洞的容积代表洞 中取出材料的体积 2 水袋法 先在拟测量密实度的位置挖掘一个圆形试洞 对洞深的要求以及对称量洞中 挖出的土或材料和取样品测量含水量的要求 均与上述灌砂法相同 测量试洞的 容积时 将水袋法中使用的薄橡皮袋放入试洞内 在规定压力下将水压入橡皮袋 中 使橡皮袋扩张到与试洞底和试洞壁相接触 根据所用水量确定试洞体积 3 环刀法 采用环刀法测试前 先清除干净试验地点表面未压实土层 并将压实土层铲 平一部分 根据土质干湿和紧密程度的不同 采用直接压入法 落锤打入法或手 锤打入法将环刀压入或打入到土中 然后将环刀及土样挖出 称量环刀与湿土重 第二章压实度评定方法与压实度连续检测理论 1 5 环刀重 自环刀中取出具有代表性的试样测定其密实度 环刀法是较简单和较快捷的一种试验方法 但它的破坏性较灌砂法和水袋法 大得多 此外 环刀法只能用于测定不含砾石或碎石的细粒土的现场密实度 测 量结果的准确度和精确度受较多的因素影响 用上述三种方法测得的密度 都是某