第五章-土石复合路堤压实度的波动测试试验研究.doc

第五章 土石复合路堤压实度波动测试的模型试验研究第五章 土石复合路堤压实度波动测试的模型试验研究5.1 引言土石多相复合介质是固相和流体组成的混合介质，其固相又是土石混合集料，其流体也可能是液相和气相的混合物，同时组成土石多相复合介质各相自身的性质又可能比较复杂，并且各相之间又有非常复杂的排列方式。因此多相体的组织结构非常复杂,而多相体的组成结构对土石多相复合介质的性质具有非常大的影响，甚至是决定性的影响21，有时相同组成成分的土石复合介质也可能存在很大的区别。土石多相复合介质的复杂组织结构（如孔隙几何形态）目前还不能用几何方法进行描述，为了避开微观组构细节，不得不采用等效介质处理方法。目前现在有关多相介质的弹性理论本身不完善，另一方面，理论中参数具有较大的变化范围，弹性参数本身的确定也是需要深入研究的问题，因此可以通过模型试验来研究土石多相复合介质的弹性特征，从而对理论模型进行检验和完善。前两章以多相的角度从理论上研究了土石复合介质的波动传播特性、土石复合路堤的瞬态瑞利波测试理论，为土石复合路堤的压实度检测提供了理论基础。同时为了从试验上验证理论分析的可靠性，并为其提供试验依据，本章通过制作50组不同土石比、不同含水量、不同干密度、不同石料粒径的试样进行物理力学和波动传播特性试验,分析横波波速与土石比、含水量、干密度、石料粒径等的相互关系，同时结合横波波速的测试值对理论值进行对比性分析。在此基础上进行土石复合路堤压实度波动测试的试验研究, 进一步研究土石复合介质的波动传播特性和土石复合路堤压实度的波动测试方法，并将密实度法测试结果与波动法测试结果进行对比性分析。5.2土石复合路堤模型的波动测试试验研究5.2.1土石复合介质试样的波动特性试验1)试样的制备按照公路土工试验规程（JTJO-93）规定的重型击实试验法制作不同含水量、不同含石量（20%,30%,40%,50%,60%,70%）的模型试样（即采用单轴击实、纵向不排水的方法制成土颗粒定向排列的横向各向同性的似层状土石复合介质试样）。试样材料与第二章进行的非连续级配击实试验所用的材料相同。2)装置与测试简述测试系统方框图如下图5.1所示。应力波参数的测试采用中国科学院武汉岩土研究所研制的RSM-24浮点动测仪进行采集和处理，测定按不同要求制作试样的纵横波波速。 图5.1测试系统示意图5.2.2土石复合路堤模型压实度的波动测试试验在第二章进行的土石复合路堤模型试验(非连续级配)制作的试验路段上进行波动测试试验，即当试验路段按公路路基施工技术规范和设计要求回填后，压路机每碾压一定次数，就利用RSM-24浮点动测仪和配套分析软件SWCT对试验路段不同土石比区域进行弹性波波动测试，然后对不同土石比区域的试验路段分别进行压实质量检测（干密度、沉降量、压实度等）。1) 测试要求 （1）振源、测点要在一条直线上。（2）除去场地浮土、松散层，直至露出新鲜土层。将传感器牢牢地插入土中，激振点下应垫一钢板，钢板需与土面接触牢固，钢板面积视所需频率而定，钢板面积越大，激发频率越低。（3）多道接收时道一致性的影响：瞬态瑞利波频率成份很丰富，浅层测试以高频成份为主，深层测试以低频为主。这就要求传感器有很宽的频带。测试时，可采用不同类型的传感器。高频测试采用高频响应传感器，如加速度计，高速公路路面测试就需这种传感器，由于道距较小，瑞利波能量较强，传感器的灵敏度不需很高。低频测试要求低频响应好的速度计，由于低频测试道距、偏移距较大，瑞利波衰减明显，要求传感器的灵敏度较高（如重庆地质仪器厂生产的CDJ-Z2.5 2.5赫兹垂直检波器）。由于瑞利波测试是对两信号作相位差分析，要求测试传感器频响基本一致，在测试之前，可将两传感器放在一处，在其附近敲击，观察其响应一致性程度。（4）震源的选择：面波的勘探效果与激发能量和频率密切相关,瞬态面波勘探要求单次激振有较宽的频谱范围和一定能量,震源的选择决定了勘探的结果,因此需经过试验确定。低频信号：锤越重、接触面越大、接触面刚度越小,频率越低。高频信号：锤越轻、接触面越小、接触面刚度越大,频率越高。（5）多测点采样：为了提高检测效率，测试可以布置2个以上的测点，RSM-24FD仪器最多测点数可以达到4个。分析时仍采用互相关分析，即只对两测点数据进行分析。分析数据可以是任二个测试数据的组合，假设有n个测点，则有Cn2种组合，当n=3时，有3种可能组合，n=4时，有6种可能组合。不同组合对应的是不同剖面频散数据。若是基于水平均质分层，这些频散数据是可以迭加的。若场地分层走向不是水平而是倾斜或分层走向无规律，频散数据不能迭加。两点测试方法所采用的振源、测点布点原则不再适用多点测试。 （6）信号平均叠加，正、反方向敲击：为了消除干扰信号，在同一锤击点，锤击数次，然后将信号迭加，这样做可消除随机干扰信号；为了消除分层倾斜变化造成的影响，可在测试线正、反两方向进行锤击。将正、反两方向得到的频散数据进行迭加。 （7）采样长度、采样间隔：根据采样定理，脉冲信号的最大频率成份fmax应小于奎斯特频率f/2,在浅层测试中，由于脉冲高频成份多，要求较小，在深层测试中脉冲低频成份是主要的，可以增大。瞬态瑞利波分析是个谱分析过程，根据傅里叶原理，增加采样点数量及时间间隔，可以提高频率分辨率。由此可知受频率分辨率影响，低频域频散点数较少，高频域频散点数相对较多；提高频率分辨率有利于增加低频区域的频散点数。采样时间取（100300）D（s）， D为道距.2)检测仪的安装和参数选择试验时，将发射激振仪及接受传感器安装在填筑层水平表面，为使激振仪、传感器与检测层表面有良好的接触，在有凹凸处要用细砂或土填平，根据填筑层材料土石比、粒径大小、铺筑厚度选择激振频率、水平安装距离、采样次数等(见后)。装置布置及位置,见图5.2、5.3、5.4,并用油漆做好标志.图5.2 测试系统示意图各区检测点见图5.3、5.4,每碾压一定遍数就对各检测点进行测试,每区都挖坑取样,编号，并回填，每次挖坑取样点都不同，以保证取样质量。 图5.3 第一阶段测点平面图 图5.4 第二阶段测点平面图3)观测系统、激发与接受的选择检测点采用多道排列的观测系统,沿长度方向排列,震源点和检波器排列在一条线上, 传感器按等间距布置，(位置见图5.6、5.7);测点布置方式按共中心法布置,保证测点的中心线在该剖面，道间距由小到大，逐渐增加测试深度，道间距与偏移距见表5.1,传感器直接插入路基上,触发方式采用外触发方式，用小锤垫上垫(钢)板,侧线两侧击振.同时为了比较和较准确的获取信息，在横向上有两个端面（具体见下图5.5、5.6）。图 5.5 第一阶段激发区检波器的布置 图 5.6 第二阶段激发区检波器的布置各测点道间距、偏移距参数 表5.1阶段断面道间距(m)偏移距（m）第一阶段（小粒径试验路段）WE-10.300.400.500.30.400.50WE-20.300.400.500.30.400.50第二阶段（大粒径石料试验路段）WE-10.300.400.60.300.400.6WE-20.300.400.60.300.400.64)震源的选择 面波的勘探效果与激发能量和频率密切相关,瞬态面波勘探要求单次激振有较宽的频谱范围和一定能量,震源的选择决定了勘探的结果,因此需经过试验确定.对于小道距,可以用重量轻的小锤,它可产生检测浅层所需的高频信号；对较大道距,用长柄大锤可产生低频信号。通过试验选择合适的震源，并垫上钢板敲击。5)仪器技术参数选择 频率成分是影响瑞雷波勘探的决定性因素3，数据采集应针对不同勘探目的深度尽可能采取不同的采集参数，以增强相应频段面波能量。小粒径试验路段：采样率为 200s ；每道采样点数为1024 ；记录长度2048;滤波采用全通。大粒径试验路段：采样率为 50s ；每道采样点数为1024；记录长度2048点；滤波采用全通。6)采样和数据收集每碾压两遍，对各区就进行波动测试,每测点进行4次，每次读取4个数,然后对信号进行平均。信号质量的判断可用相干函数来判断:相干值接近1,信号信噪比高,本文研究中,当相干值大于临界值0.95时,才认为数据可信。如不满足,则变换激振源或敲击面(如用橡皮垫),重复试验直至满意为止。 7)瞬态瑞利波谱分析本文通过利用中国科学院武汉岩土研究所研制瑞利波分析软件SWCT对土石复合路堤压实度波动模型试验资料进行处理分析，将瞬态瑞利波波速反演横波速度，从而提出土石复合路堤压实度的波动检测方法。瑞利波分析软件SWCT采用瞬态瑞利波相位差分析法得到剖面不同道距的频散曲线和高阶振型在频域某些区间的频散曲线，同时结合分层介质频散特征分析，选定合适的频散曲线。见图5.7、5.8。（1）分析信号的选择和分析：为提高实测信号的信噪比，消除随机干扰，需要对一条测线的多次试验结果叠加、平均，选定分析信号后，就对两道信号进行相干分析，相位差分析，功率谱分析。由于信号有噪音干扰，两道信号未必来自同一振源，相干值越大，表明该频率信号来自同一振源的概率越大，本文的相干门阀值取0.95以上.相位差分析即相位差循环分析法，根据三角函数的周期性，实际相位差是折叠相位差加2整数倍，倍数为待定系数，倍数的不同取值可得到多条相速度-频率曲线.通过振型相速度特征分析，从多条曲线中筛选出能满足频散特征的曲线，将不同道距曲线堆叠起来，从而得到各道距的“测试相速度-频率”曲线。功率谱分析是通过功率谱了解信号能量频散分布范围，保证在信号主要能量频率范围内进行频散分析，其阀值取0.1以上。（2） 信号的相位差处理：相位差的展开受初始相位和相位折叠点影响，由于低频信号的相干程度较低，初始相位难以识别，须人工判别，尝试直到计算结果比较满意为止。由于本试验是浅层测试，须保证足够的高频信号。（3）频散曲线的处理和分析：在测试中，为能够得到反映某一剖面一定深度的频散曲线，需保证有一定能量、一定频率范围的瑞利波及消除体波和其它噪音干扰，因此要得到准确的测试结果需对同一中心剖面，不同道距的频散曲线进行平均、叠加、光滑处理，得到最终剖面频散曲线;然后进行半波长分析，该方法认为瑞利波主要能量集中在半波长内，相速度为各层瑞利波速的加权平均。 图5.7 瞬态瑞利波信号功率谱图 图5.8 瑞利波频散曲线5.3土石复合路堤模型试验的波动特性分析5.3.1干密度与横波波速的关系 图5.9 干密度与横波波速的关系 从上图5.9可以看出在同一土石比下，横波波速随干密度的增加而呈递增的趋势并且横波波速与干密度有较好的相关关系：，其中A,B为常数。同时在碾压过程中，含水量略有变化，变化范围均在2%范围内，因此上述关系是在含水量变化不大的范围内成立。 5.3.2 现场最大横波波速与粒径、含石量的关系 从表5.2可以看到在同一土石比下，现场最大横波波速有随粒径的增大而呈递减的趋势；而在同一粒径下，现场最大横波波速随含石量的增加而呈递增的趋势，到60时达到最大值,然后随含石量的递增而呈减小的趋势。粒径与含石量、最大横波波速的关系 表5.2 含石量现场最大横波波速石料等效粒径3cm石料等效粒径10cm石料等效粒径20cm5014311310660171128120701341251165.3.3横波波速与碾压遍数的关系 （a）模型 （b）模型 图5.10 碾压遍数与剪切波速的关系从图5.10可以看到在同一土石比下剪切波速随碾压遍数的增加呈递增的趋势，并在碾压10遍后，剪切波速的增幅很小，逐渐趋近一定值。在相同碾压次数下，较大含石量的土石混料具有较大的剪切波速。由于采用静力式压路机式使含石量大的土石混料的压实效果不好，含石量大的区域空隙大，造成含石量大的土石混料剪切波速偏低。 5.4 土石复合介质的横波波速测试与理论计算的比较分析将5.2.1波动测试的土石复合介质横波波速与横波波速的理论值进行比较，通过分析影响横波波速理论值的因素，表明横波波速的理论公式是可靠的。5.4.1横波波速的理论计算根据不同土石比下，土石复合介质的体积系数和浑圆度确定形状参数a的值，并将各个试样的干密度、含水量、土石比等代入公式（3.35）得到土石复合介质横波波速的理论值，见图5.11。不同土石比的体积系数、浑圆度表 表5.3土石比体积系数VC浑圆度H形状a8：20.491.3227：30.551.3526：40.621.3325：50.351.4834：60.261.5933：70.291.623 图5.11 横波波速的理论值与测试值的比较5.4.2横波波速理论值与波动测试值的比较将波动测试得到的波速值与理论值进行比较，如图5.11，可以发现：在不同干密度下测得的土石复合介质横波波速值与理论值有一定差距，有的甚至达到40。横波波速的理论值取决于形状参数、干密度、土石比、含水量及深度等参数，而土石混料的干密度、形状参数、含水量等参数的试验精度较低，误差较大，那么参数的变化对横波波速的理论值会造成何种程度的影响？为此下面就上述参数对横波波速理论值的影响程度进行分析。1）干密度的影响：从表5.4、表5.5可以看到，当干密度变化率为5.5时，横波波速理论值的变化率就已经达到37；当干密度变化率为22.26时，横波波速理论值的变化率居然达到333，由此表明：干密度对横波波速影响大，干密度的较小变化会引起横波波速的较大变化，且横波波速的变化率与干密度的变化率呈非线性增长的关系。干密度与横波波速的变化比较表 表5.4a=2干密度(g/cm3)1.8731.9772.0822.1862.29横波波速(m/s)83114156209276土石比（8：2）干密度的变化率(%)5.511.216.7122.26横波波速的变化率(%)3788252333干密度与横波波速的变化比较表 表5.5a=3干密度(g/cm3)1.9442.0522.1602.2682.376横波波速(m/s)4269110171260土石比（8：2）干密度的变化率(%)5.5611.116.7022.22横波波速的变化率(%)64.32624076192）含水量的影响：从表5.6、表5.7可以看到，当含水量变化率为6.0时，横波波速的变化率仅仅只有1.125；即使含水量变化率达到33.33时，横波波速的变化率也仅仅只有8.125，因此含水量对横波波速的影响较小。含水量与横波波速变化比较表 表5.6a=2含水量(%)5.8056.1536.4507.0957.740横波波速(m/s)160158156151147土石比（8：2）含水量的变化率(%)6.011.122.2233.33横波波速的变化率(%)-1.125-2.50-5.63-8.125含水量与横波波速变化比较表 表5.7a=3含水量(%)3.663.844.0264.3924.758横波波速(m/s)171169167162158土石比（8：2）含水量的变化率(%)4.9210.020.030.0横波波速的变化率(%)-1.17-2.34-5.263-7.603）土石比的影响：从表5.8、表5.9可以看到，当土石比的变化率为6.0时，相应的横波波速变化率仅仅只有0.641；即使土石比的变化率达到300时，横波波速的变化率也只有7.6，因此土石比对横波波速的影响小。土石比与横波波速变化比较表 表5.8a=2土石比3.763.5343.3843.1962.256横波波速(m/s)156155154154150土石比的变化率(%)6.010.015.040.0横波波速的变化率(%)0.6411.281.28-3.85土石比与横波波速变化比较表 表5.9a=3土石比0.60.91.21.82.4横波波速(m/s)171174177181184土石比的变化率(%)50100200300横波波速的变化率(%)1.753.515.857.604）深度的影响：从表5.10、表5.11可以看到，当深度的变化率为6时，相应的横波波速的变化率仅仅只有0.64；即使土石比的变化率达到400时，横波波速的变化率也仅仅只有30.76，表明深度对横波波速的影响较小。深度与横波波速变化比较表 表5.10a=2深度(m)0.10.1060.30.40.5横波波速(m/s)156157187196204土石比（8：2）深度的变化率(%)6200300400横波波速的变化率(%)0.6419.8725.6430.76深度与横波波速变化比较表 表5.11a=3深度(m)0.10.20.30.40.5横波波速(m/s)171192205215224土石比（4:6）深度的变化率(%)100200300400横波波速的变化率(%)12.2819.8825.7330.995）形状参数a的影响：从表5.12可以看到，当a从15取不同值时，相应横波波速的变化率较大，最低也达到9.6，最高则达到127，这表明形状参数a对横波波速的影响较大。 形状参数a与横波波速变化比较表 表5.12土石比（4:6）形状参数a12345横波波速(m/s)504422385236104通过上述分析认为：干密度、形状参数对横波波速的影响较大，含水量、土石比、深度对横波波速影响相对较小。干密度、形状参数的较小变化会引起横波波速理论值的较大变化，因此土石混料干密度、形状参数的试验误差就不能忽略。而土石混料干密度的试验误差往往较大，特别地，对于孔隙较大的土石混料，一般也可达到5（相应的横波波速变化率为3040），并且干密度的变化率与横波波速的变化率呈非线性增长的关系；对形状参数而言，则与统计分析的颗粒数量有关，统计的颗粒数量越多，其值越准确，所以对横波波速的影响虽然较大，但可通过大量的统计分析来保证形状参数取值准确。综上所述可以认为干密度的试验不准确是引起横波波速理论值与测试值的误差的主要因素，并且引起的误差是不可忽略的，这也是不用此公式对横波波速进行计算，而是通过瑞利波反演横波波速的原因之一。5.5 土石复合路堤压实度的波动法测试结果5.5.1简化剥层法反演各层横波波速利用简化剥层法将波动测试得到不同土石比和碾压遍数下的瑞利波波速反演各层的横波波速，见表5.13、514。模型：不同土石比、碾压遍数各区域的横波波速 表5.13 横波波速(m/s)碾压遍数（次）土石比（8：2）土石比（7：3）土石比（4：6）土石比（5：5）土石比（4：6）土石比（3：7）250507163635647073907071747959610495801071010715516012812811314146166171150140134模型：不同土石比、碾压遍数各区域的横波波速 表5.14粒径(cm)8121822横波波速(m/s)碾压遍数（次）土石比（6：4）土石比（5：5）土石比（4：6）土石比（7：3）土石比（5：5）土石比（4：6）26056751001009541048080107101101711310411611611810111116110119120125105171281131311251571225.5.2最密实状态下的横波波速和含水量 1） 最密实状态下的土石复合介质横波波速（1）小粒径模型试验（模型）根据模型试验颗粒的体积系数VC0.40和浑圆度H1.52，取3。通过室内重型击实试验确定土样的最大干密度和最佳含水量：2153kg/cm3；10.22土和石颗粒的密度为：2650kg/cm3；2660kg/cm3将上述土石复合介质参数带入公式（3.39）：可以得到深度为0.3m时，最密实状态下不同土石比的土石复合介质横波波速，见表5.15。（2）大粒径模型试验（模型）根据模型试验颗粒的体积系数VC0.35和浑圆度H1.63，则取3。通过室内重型击实试验确定土样的最大干密度和最佳含水量：2153kg/cm3；10.22土和石颗粒的密度为：2520kg/cm3；2680kg/cm3将各参数带入公式（3.39）得到可以得到深度为0.25m时，最密实状态下不同土石比的土石复合介质的横波波速，见表5.16。2） 最密实状态下不同深度土石复合介质的含水量：根据公式（3.38） 计算得到模型、模型在不同土石比下，最密实状态土石复合介质的含水量。见表5.15、5.16。模型：最密实状态下土石路堤的横波波速和对应含水量 表5.15土石比(重量)8：27：34：65：54：63：7波速(m/s)254298301419499592含水量(%)7.7096.7656.7164.8583.9102.967模型：最密实状态下土石路堤的横波波速和对应含水量 表5.16土石比(重量)6：45：54：67：35：54：6波速(m/s)336397474365397474含水量(%)6.0925.1544.1866.5775.1544.186模型：土石路堤现场含水量 表5.17土石比8：27：34：65：54：63：7含水量（）7.486.335.663.874.843.59模型：土石路堤现场含水量 表5.18土石比6：45：54：67：35：54：6含水量（）34.893.92.822.862.935.5.3压实度的波速计算根据压实度的波速计算公式（3.40）：将5.4.1和5.4.2的结果和各参数表5.17、5.18等分别带入上式得到模型、模型在不同土石比下土石复合路堤的波动法压实度，见表5.19、5.20。模型：不同土石比、碾压遍数各区域的压实度（波动法） 表5.19 压实度（%）碾压遍数（次）土石比（8：2）土石比（7：3）土石比（4：6）土石比（5：5）土石比（4：6）土石比（3：7）2828285817977487868782817979088898582831091929388868414939394898685模型：不同土石比、碾压遍数各区域的压实度（波动法） 表5.20粒径(cm)8121822 压实度（%）碾压遍数（次）土石比（6：4）土石比（5：5）土石比（4：6）土石比（7：3）土石比（5：5）土石比（4：6）28380818786844888482888684