論文路基土壓實度檢測技術研究

1、長沙理工大學繼續(xù)教育學院2012屆畢業(yè)設計（論文） 題目：路基土壓實度檢測技術研究助學學校：湖南高速鐵道職業(yè)技術學院考 籍 號：姓 名：陳鑫偉 指導教師：劉曉文 2012 年 3 月目 錄第一章 緒論11. 1問題的提出11. 2振動壓實技術的發(fā)展2振動壓實技術的發(fā)展歷程2壓實機械的發(fā)展趨勢21. 3國內外研究綜述3國外研究綜述3國內研究綜述41.4課題的研究意義與主要內容41.4. 1研究意義4第二章 壓實度評定方法與壓實度連續(xù)檢測理論52. 1土的物理性質及工程分類5土的固體顆粒特征62. 1 .2土粒級配分析方法72. 1 .3土粒級配表示方法82. 1. 4無粘性土的密實度9粘性土的物

2、理特征92. 2路基壓實102. 2. 1壓實度的概念10影響壓實因素101)含水量112)土類和級配113)擊實功能114)振幅、振動頻率對壓實度的影響115)振動壓路機工作速度對壓實效果的影響126)振動壓路機行駛方向對壓實度的影響122. 3傳統(tǒng)壓實度評定方法122. 3. 1破壞性試驗評定方法121)灌砂法132)水袋法133)環(huán)刀法13非破壞性試驗評定方法132. 4傳統(tǒng)壓實度評定方法存在的不足142. 5壓實的基本過程142. 5. 1靜作用壓實15搓揉壓實15振動壓實152. 5. 4夯實和沖擊壓實162. 6振動壓路機的工作原理162. 6. 1振動壓實理論17第三章路基土壓實

3、度檢測試驗及分析173. 1試驗方案173. 2系統(tǒng)標定試驗183. 3灌砂法測壓實度183.4檢測結果分析193.5結論及誤差分析19第四章結論與展望204. 1主要結論20第1章 緒論1. 1問題的提出 隨著我國公路建設的快速發(fā)展，更多的高等級公路正在建設和準備建設中。在公路施工中，壓實是至關重要的一道工序，壓實度是否合格是判定工程質量優(yōu)劣的一條重要標準。無論路基、底基層、基層和面層都需要很好的壓實，以達到一定的密實度，提高道路的承載能力，并防止沉陷，水分滲透等。隨著交通運輸量的迅速擴大，公路建設的進一步發(fā)展，施工部門對壓實機械和壓實工作提出了越來越高的要求。通常，壓實工作占施工項目費用的

4、2%,設備占工程造價的0. 2%,而密實度每提高1%，基礎承載能力就提高10%，特別是瀝青混凝土密實度每提高1%，承載能力和壽命可提高10-15%，壓實工作的重要性顯而易見。 同日寸，公路建設的質量問題也越來越引起人們的重視。路面達不到設計的使用壽命，出現早期破壞的事情時有發(fā)生，而壓實程度不夠是造成路面早期破壞的主要原因之一。公路路面的投資費用往往占工程總投資的30%-50%，特別是高等級公路，其路面的投資比重更大。因此，路面過早破壞在經濟上造成的損失是非常巨大的。除了加強路面工程的管理，在技術上按標準要求控制路基、路面的壓實是保證路面質量最經濟有效的措施之一。 國內外的工程實踐和試驗研究都早

5、已證明，在路基路面結構層施工時，必須采用施工機械進行認真壓實，這樣才能提高路基、路面結構層和路面整體的強度，增加其穩(wěn)定性，以便減少甚至避免路面可能產生的多種早期損壞現象，從而大大提高路面的使用性能和使用壽命。若路基、底基層或面層材料壓實不足，在使用過程中，路面達不到一定的強度，在荷載作用下就會產生剪切破壞，如:轍槽、裂縫、沉陷等?？梢?，進行有效充分的壓實對公路建設有著重要的意義。 壓實作業(yè)是使路基和路面各結構材料獲得足夠密實度的重要環(huán)節(jié)，采用行之有效的壓實度檢測方法是對其實行監(jiān)控的重要手段。由于壓過程控制不當，在施工中經常出現下列問題:壓實遍數不夠，達不到規(guī)定的壓實度，因而要重新壓實，影響工期

6、;壓實遍數過多，既不經濟又可能導致壓實度降低，同時也是對人力、物力的浪費。傳統(tǒng)的檢測方法有灌砂法、環(huán)刀法及核子密實度儀法等。采用傳統(tǒng)方法檢測，在壓實過程中不能測量和評估壓實狀態(tài)，只能在壓實結束后采取少量的試樣材料進行試驗，代表性差，描述粗糙;而且試驗過程中有時需要做大量的工作，費用昂貴，時間較長。此外，上述傳統(tǒng)方法均屬于抽樣檢測方法，很難反映道路上每一點的壓實情況。在具體施工中，可能在部分區(qū)段，由于材料級配不合理，或材料1內水分的含量過高或過低而產生材料壓實度的“薄弱點”。采用這些傳統(tǒng)的檢測方法往往會造成“薄弱點”漏檢現象，形成道路質量的內在隱患。 可見，為了對壓實過程實時控制，保證每個施工段

7、以最少的碾壓遍數達到施工要求的標準，讓工程施工人員和監(jiān)理人員及時掌握施工現狀，開發(fā)研究路基土壓實度連續(xù)檢測技術是很有必要的。而在現代化路基路面施工中，壓實機械又是壓實度最直接的控制者。因此，對壓實機械的壓實度進行連續(xù)檢測的技術是評價壓實效果的重中之重。1. 2振動壓實技術的發(fā)展振動壓實技術的發(fā)展歷程壓實機械的應用起源十我國。早在1000多年以前的隋唐時期就出現了壓路機的最早雛形一一使用了人力或畜力拖動的石硫壓實地面。但是最先把振動方法應用于土體基礎的壓實是德國的勞中豪森(Losenhousen)公司1930年研制出的振動平板壓實機。隨后歐美一些國家相繼推出了拖式振動壓路機、自行式振動壓路機、雙

8、鋼輪振動壓路機等機型。新的壓路機不僅壓實厚度深，效果好，而且速度快，生產效率高，使振動壓實技術有了很大進步。 到了20世紀60年代，國外大中型振動壓路機已經采用了液壓技術，全液壓化使得壓路機結構簡單、布置方便、操作省力。隨著液壓傳動和液壓控制技術的發(fā)展，出現了調頻調幅式振動壓路機，為壓實工作參數的優(yōu)化調節(jié)奠定了基礎。 計算機技術、微電子技術、傳感技術、測試技術的迅速發(fā)展，推動了壓路機機電一體化的進程。這些新技術的應用提高了機器性能和生產率，保證了壓實質量。到目前為止，振動壓路機以無可比擬的優(yōu)勢，占據全球壓路機市場銷售總額的85%。壓實機械的發(fā)展趨勢 隨著現代新技術革命的興起，特別是微電子技術、

9、計算機技術和自動控制技術等的迅速發(fā)展，引導著壓實機械向著自動化、智能化的方向發(fā)展。 1)壓實過程監(jiān)測技術 由于傳統(tǒng)的壓實監(jiān)測方法存在很大的缺點，早在20世紀60年代初就有人提出了利用振動部件與基礎之間相互作用的動力特性來判斷壓實進程的設想。這種方法的原理是建立在當地面在振動部件的作用下逐步壓實時，地面與機器系統(tǒng)的動力特性也在變化，這種變化將指示出地面承壓能力變化的相對數值，從而也反映了地面被壓實的程度。將這一思想變?yōu)楝F實并成功用十壓路機上的一種壓實度監(jiān)測裝置是德國的BTM壓實計。其BTMOS型計算機壓實控制測量系統(tǒng)，可以進行連續(xù)和實時測量并處理壓實過程中壓實度的變化情況，可顯示或打印出壓實層剖

10、面各點的壓實質量。在此基礎上又開發(fā)出可與微機相連的離線處理系統(tǒng)BCM03, 數據經處理后可繪制出整個壓實地區(qū)的壓實質量圖。 2)壓實機械的智能化技術 在壓實過程和機器工作狀態(tài)實時監(jiān)測的基礎上，壓實機械進一步向智能化方向發(fā)展。將自適應和自學習技術引入壓實控制中，并在此基礎上實現壓實作業(yè)的最優(yōu)控制。通過一段時間的壓實實踐，壓路機會自動對壓實作業(yè)的各項參數(頻率、振幅、速度和壓實遍數)進行不同組合，并判斷壓實效果，從而決定最優(yōu)控制方案。當被壓材料的性質發(fā)生變化時，它會不斷的改變自身的參數，自動適應現場狀況的變化，使壓實作業(yè)始終在良好的條件下進行。 另外，電腦將普遍應用在壓實機械上，用以對工作過程的監(jiān)

11、測、機器技術狀態(tài)的診斷、報警和故障分析。人工智能的引入將大大改善機器的維修保養(yǎng)工作，并加速它們的現代化進程。 3)壓實過程的自動控制技術 在自動控制方面，壓路機主要用于根據土質條件自動進行振幅和壓實能量的輸出。由于地面接觸力隨著壓實強度的變化而變化，鋼輪的振動方向根據系統(tǒng)內的加速度傳感器連續(xù)測試鋼輪的動態(tài)特性，并通過記錄評估這些數據，進而使振動方向在水平和垂直方向之間自動進行調整。 壓路機上自動控制技術的另一個應用是自動滑轉控制系統(tǒng)，簡稱ASC (AntiSlip Control)。該系統(tǒng)通過監(jiān)測振動輪和膠輪之間的滑轉，借助于液壓驅動系統(tǒng)的流量，來提供最佳的牽引條件，避免設備停頓或下滑，安裝該

12、系統(tǒng)的壓路機爬坡能力高達68%。 4)壓實過程全球定位系統(tǒng) 全球定位系統(tǒng)，簡稱MSGPS(Measuring System Global Positioning System)。系統(tǒng)由微機、觸摸屏和專門開發(fā)的CAD軟件所組成。通過此系統(tǒng)，壓路機的位置可以被精確的記錄下來，并能確定壓實的位置和保證壓實質量。通過精確無誤的跟蹤壓路機所處的位置，特別是當壓路機偏離出壓實區(qū)域的范圍時，通過清晰地反映在顯示器上的測定結果，可以及時幫助駕駛員在保持壓路機行進狀態(tài)下糾正錯誤，從而使壓實位置和壓實質量得到保證。 5)壓實機械輔助選擇技術 該技術可以根據壓實過程的工作量、現場條件、材料特性、葡氏壓實曲線以及所要

13、求的壓實度來選擇壓實機械的配置方案，對每種方案均可提供各種使用參數的選用建議，包括壓輪類型、振幅和振頻、攤鋪厚度和鋪層數、每層壓實帶的安排、碾壓速度和遍數以及壓實生產率和壓實時間的確定。 6)壓實過程的計算機仿真技術 在壓實理論和技術的研究中，實驗研究與計算機仿真技術的結合將成為更加重要的研究手段。瑞典Geodynamik技術咨詢公司開發(fā)的一種振動壓實過程的計算機仿真軟件，建立了一種土壤動力學模型，將土壤最基本的物理力學特性:土壤的密度、彈性模量、泊松比、內摩擦系數作為計算機仿真模型的輸入參數，通過不同的土壤條件和不同的機械參數下模擬滾輪與土壤相互作用的動力學特性，對現有振動壓路機的壓實性能進

14、行評價和對設計的新機型進行性能預測。1. 3國內外研究綜述國外研究綜述早在20世紀七十年代，瑞典、德國等國家就針對上述問題，開始研究利用振動輪振動加速度在壓實過程中的變化規(guī)律，尋求探索檢測路面壓實的各種方法。八十年代中期，瑞典DYNAPAC公司和德國BOMAG公司開始研制壓實度儀，并做了大量的試驗研究，產品按原理大致有兩種: 一種是德國BOMAG研制出BTM動態(tài)土壤壓實度儀系列產品。它的工作原理是通過檢測振動輪上的振動加速度信號，得出壓實土壤的阻抗值，從而反映土壤的壓實狀態(tài)。大體上，對于相同的材料，壓實越好，阻抗值越高。當大到一定程度，阻抗值增量趨近于零時，表示壓實過程結束。這套系統(tǒng)主要由加速

15、度傳感器，微處理器，儀表招盤和打印機等構成。 其二是瑞典DYNAPAC公司與Geodynamik公司共同開發(fā)的壓實度儀。它的工作原理是通過安裝在振動壓路機上的加速度傳感器，檢取系統(tǒng)在振動激勵下的響應信號，通過濾波器和信號的傅立葉變換，得出振動信號的基波和二次諧波分量，然后用二次諧波與基波的比值來反映壓實的程度。土壤壓實程度越好，諧波的畸變程度越嚴重，諧波分量也越大，其比值也越大。當這個比值與事先標定值接近到一定程度時，說明壓實過程可以結束。在壓實過程中可將記錄信息進行分析，并能夠將其作為結果在屏幕上顯示出來。壓實程度低于預設值范圍的區(qū)域以紅色顯示出來，個別壓實過程可以用曲線的形式表示出來，并與

16、不同的壓實過程相比較。國內研究綜述 九十年代初，國內某些廠家對隨車壓實度檢測方法進行了探索研究，并研制出了幾種壓實度儀。徐州工程機械廠與寶應四明有限公司研制的SMC-960A密實度測量儀，由傳感器、測量分析儀、數據采集器和打印機等四部分組成。通過加速度傳感器檢取壓路機振動輪上的振動加速度信號，轉換為電信號，經放大電路放大后送入濾波電路。兩個濾波器分別將信號基波和二次諧波分量選出，并且各自經過線性變換和壓頻轉換，再經過除法電路算出諧波分量與基波分量的比值，最后在顯示器上顯示出土壤的密實度。 水利水電科學研究院研制的YS-1壓實度儀工作原理與上述一樣，即利用諧波與基波的比值反映土壤密實度的大小。它

17、在進行數據處理時，采用取平均值的方法。同時，根據振動壓路機振動頻率的工作范圍，設計了頻率選擇開關，以滿足不同振動頻率的工作要求。蘇州市交通研究所研制開發(fā)了MSY-100型壓實度比較儀，它是從力平衡角度分析振動壓路機對土壤壓實的工作原理。在土壤顆粒性質、直徑、級配、含水量等一定的條件下，土壤顆粒比較松軟時，土壤強度比較低，其彈性模量比較小，對振動輪的反力也較小;反之，對振動輪的反力就比較大，加速度與振動輪反力有線性關系，而反力與土壤密實度有良好的相關關系，所以加速度的變化正是反映了土壤的壓實程度。這些研究開發(fā)對國外測量原理進行了驗證，但由于受到多方面因素的制約，到目前為止，國內還沒有完全適合壓路

18、機隨車檢測用的理想檢測儀。因此，如何將壓實度儀應用在各種不同的振動壓路機上，適應于各種不同的土壤條件，提高測量的精確性，仍需要作新的嘗試和研究。1.4課題的研究意義與主要內容1.4. 1研究意義 在西部大開發(fā)過程中，交通基礎建設是各地的先行舉措，我國規(guī)劃在西部地區(qū)修筑的公路里程達到了35萬公里。公路行業(yè)對填土路基的壓實標準規(guī)定較為全面，對高速公路規(guī)定，路基頂面以下80cm以內壓實度要達到95% , 80cm以下150cm以上要達到93%。目前公路路基的壓實度檢驗仍主要采用灌砂法、環(huán)刀法等方法，這些傳統(tǒng)的檢測手段效率低，且會對路面結構層造成破壞，核子密度儀法因放射性防護問題而使用不便。壓實度連續(xù)

19、檢測技術作為一種公路質量無損檢測的新技術，可以使工作人員在壓實過程中實時檢測壓實狀況、控制壓實質量，從而保證路基路面在最少碾壓遍數下得到充分壓實，避免壓實不足或過分壓實等現象。這樣，既能節(jié)省人力、縮短工期，又可以在保證施工質量的基礎上加快施工進度，具有明顯的社會效益和經濟效益。同時，此技術的基本理論涉及土動力學、彈性動力學、機械理論、數字電路、模擬電路、數字信號處理等學科，內容豐富，具有相當的理論研究價值。主要內容 本課題的主要研究內容有: 1)分析研究土壤含水量及振動壓路機振動頻率、行駛速度對壓實度值測量的影響;分析傳統(tǒng)壓實度檢測方法存在的不足，提出應用隨車壓實度連續(xù)檢測方法來實現對土壤壓實

20、度的控制。 2)分析研究振動壓路機振動加速度信號與土壤壓實度之間的相互關系，從而得到壓實度連續(xù)檢測的方法。 3)建立起“振動壓路機一土壤”系統(tǒng)動力學模型，并基于Matlab/Simulink對動力學模型進行了仿真研究。 4)分析研究激振信號的處理方法;分析激振信號的噪聲及其對信號的影響，確定振動壓路機施工工況下激振信號的采樣頻率、濾波器的類型、頻譜變換的算法、FFT變換塊的大小及窗函數的類型。 5)通過實驗室和現場試驗，用壓實度檢測系統(tǒng)對信號進行采集、分析，確定加速度傳感器最佳安裝位置，確定壓實度值的信號反映方法，提出切實可用的壓實度標定回歸公式，為壓實度連續(xù)檢測技術的產品化鋪平道路。第2章

21、壓實度評定方法與壓實度連續(xù)檢測理論 通過對路基路面的充分壓實，可以提高公路建設的質量，延長公路的使用壽命，對公路建設有著重要意義，而采用行之有效的壓實度檢測方法則是對其實行監(jiān)控的重要手段。本章從路基土壤的結構特征入手給出了路基路面壓實的相關概念，分析了土壤壓實的機理、壓實的幾種基本方法、影響壓實的幾個因素及傳統(tǒng)的壓實度檢測方法，分析了傳統(tǒng)壓實度檢測方法存在的不足;由此提出了壓實度連續(xù)檢測技術的方法，并且分析了振動壓路機的工作原理及壓實機理，建立了振動輪-土壤系統(tǒng)動力學模型和系統(tǒng)動力學方程，由此提出了振動輪加速度與壓實度之間的相關關系是壓實度連續(xù)檢測技術的最根本的理論基礎。2. 1土的物理性質及

22、工程分類 土是由連續(xù)、堅固的巖石在風化作用下形成的大小懸殊的顆粒，經過不同的搬運方式，在各種自然環(huán)境中生成的沒有粘結或弱粘結的沉積物。土經歷壓縮固結、膠結硬化，也可再生成巖石(指沉積巖類)。在漫長的地質年代中，由于種內力和外力地質作用形成了許多類型的巖石和土?；鶐r經歷風化、剝蝕、搬運、沉積生成各類覆蓋土。所謂基巖是指原位的各類巖石，其在水平和豎直兩個方向延伸很大;所謂覆蓋土是指巖石風化產物覆蓋于基巖之上的各類土的總稱。在自然界中，土直觀上呈一種松散狀的顆粒堆積物。土由固體顆粒、水和氣體二部分組成的二相體系。固體部分即固體顆粒，一般有礦物質所組成，有時含有有機質。這一部分構成土的骨架，稱為土骨架

23、。土骨架間布滿相互貫通的孔隙，這些空隙有時完全被水充滿，稱為飽和土;有時一部分被水占據，另一部分被氣體占據，稱為非飽和土;有時也可能完全充滿氣體，稱為干土。水和溶于的物質構成土的液體部分，空氣及其他一些氣體構成土的氣體部分。這二部分本身的性質以及他們之間的比例關系和相互作用決定了土的物理力學性質。土的固體顆粒特征固體顆粒構成的土骨架對土的物理性質起決定性作用。天然土是由大小不同的顆粒組成的，土粒的粒徑由粗到細逐漸變化時，土的性質相應地發(fā)生變化。土粒的大小稱為粒度，通常以粒徑來表示。土顆粒的大小相差懸殊，有大于幾十厘米的漂石也有小于幾微米的膠粒，同時由十土粒的形狀往往是不規(guī)則的，很難直接測量土粒

24、的大小，故只能用間接的方法來定量地描述土粒的大小及各種顆粒的相對含量。常用的方法有兩種，對粒徑大于0. 075mm的土粒常用篩分析的方法，且對小于0. 075mm的土粒則用沉降分析的方法。工程上常用不同粒徑顆粒的相對含量來描述土的顆粒組成情況，這種指標稱為粒度成分。 天然土的粒徑一般是連續(xù)變化的，為了描述方便常把大小相近的顆粒合并為組，稱為粒組。各個粒組隨著分界尺寸的不同，而呈現出一定質的變化。劃分粒組的分界尺寸稱為界限粒徑。土的粒組劃分方法各行業(yè)部門并不完全一致，建筑地基基礎設計規(guī)范CGBJ7-89)和巖土工程勘察規(guī)范CGB50021-94）將砂粒粒組與粉粒粒組的界限從0. 05mm改為0.

25、 075mm。我國上述規(guī)范采用的粒組劃分標準見表2. l o土的工程分類標準(GBJ145-90)和公路土工試驗規(guī)程(JTJ051-93)在砂粒粒組與粉粒粒組的界限上取與上述規(guī)范相同的標準，但將卵石粒組與礫石粒組界限改為60mm，其粒組劃分標準見表2. 2 0表2. 1粒組劃分標準(GB50021-94)Tab 2.1 Grains of standards(GB50021-94) 表2. 2粒組劃分標準Tab 2.2 Grains of standards土粒的大小及其組成情況，通常以土中各個粒組的相對含量(是指土樣各粒組的質量占土?？傎|量的百分數)來表示，稱為土的顆粒級配或粒度成分。2.

26、1 .2土粒級配分析方法 粒度成分分析的目的在于確定土中各粒組顆粒的相對含量。土的顆粒級配是通過土的顆粒分析試驗確定的，對于粒徑大于0. 075mm、小十等于60mm的粗粒組，可采用篩分法;而對于粒徑小于0. 075的細粒組，則必須采用沉降分析法。當土中兼含大于0. 075的土粒時，兩類分析方法可聯合使用。沉降分析法有密度計法(比重計法)、移液管法等。 篩分法試驗是將風干、分散的代表性土樣通過一套自上而下孔徑由大到小的標準篩，稱出留在各個篩子上的干土重，即可求得各個粒組的相對含量。通過計算可得到小于篩孔直徑土粒的累積質量和累積百分含量。 沉降分析法的理論基礎是土粒在水中的沉降原理，根據土粒在懸

27、液中沉降速度與粒徑的平方成正比的stokes公式來確定各粒組相對含量的方法。但實際上，土粒并不是球形顆粒，因此用上述公式計算的并不是實際土粒的尺寸，而是與實際土粒有相同沉降速度的理想球體的直徑，稱為水力直徑。 用沉降分析法測定粒度成分時，將一定質量(ms)的干土制成一定體積(v的懸液，在攪拌均勻并停止攪拌時開始計時，經一定時間（ti）在液面下某個深度（Li）測定該深度處懸液的密度(i)。則根據stokes公式，在此深度處的最大粒徑（di）及小于等于此粒徑的土粒質量（msi）可由下式求得 則懸液中粒徑小十等于di(mm)的土粒質量msi占土?？傎|量ms的累積百分比(%)為: 沉降分析時測定懸液密

28、度的方法有比重計法和移液管法兩種，在不同的時間間隔測定懸液的密度，即可得到不同的粒徑及其對應的累積百分含量。2. 1 .3土粒級配表示方法根據土粒級配分析結果，常采用累計曲線法表示土的顆粒級配。該法是比較全面和通用的一種圖解法，適用十幾種土級配好壞的相對比較。累計曲線法通常用半對數紙繪制，橫坐標為粒徑，縱坐標表示小于某一粒徑的土粒的百分含量。由累計曲線圖的坡度可以大致判斷土粒的均勻程度或級配是否良好。如曲線較陡，表示粒徑大小相差不多，土粒較均勻，級配不良;反之，曲線平緩，則表示粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻，級配良好。 根據描述級配的累積曲線，可以簡單的確定土粒級配的兩個定量指標，即:不均勻系數

29、Cu和曲率系數Cc，定義如下:式中，d60, d30, d10-分別相當十小十某粒徑土質量累計百分含量為60%, 30%,10%對應的粒徑，分別稱為限制粒徑、中值粒徑和有效粒徑。不均勻系數Cu反映大小不同粒組的分布情況，即土粒大小的均勻程度。Cu越大表示粒度的分布范圍越大，土粒越不均勻，其級配越良好。曲率系數Cc描寫的是累計曲線分布的整體形態(tài)，表示某粒組是否缺失的情況，反映了限制粒徑d60。與有效粒徑d10。之間各粒組含量的分布情況。工程上把Cu10的土，屬級配良好。對十級配連續(xù)的土，采用單一的指標Cu，即可達到比較滿意的判別結果。但缺乏中間粒徑的土，即級配不連續(xù)，累計曲線上呈現臺階狀，再采用

30、單一指標Cu則難以有效判定土的級配好壞。當同時滿足Cu5和Cc=13兩個指標時，土為級配良好土，易獲得較高的密實度，具有較小的壓縮性和較高的強度，工程性質良好;如不能同時滿足，則為級配不良土，不易獲得較高的密實度，工程性質不良。為進一步研究土的松緊和軟硬，下面分為兩大類土進行描述。2. 1. 4無粘性土的密實度無粘性土一般是指粗粒土(砂類土和礫類土)。粗粒土中一般粘粒含量甚少，不具有可塑性，呈單粒結構，其物理性質主要決定于土的密實程度。 砂礫類土密實度在一定程度上可根據天然孔隙比e的大小來評定。但對十級配相差較大的不同類土，則天然孔隙比e難以有效判定密實度的相對高低。例如就某一確定的天然孔隙比

31、，級配不良的土，根據該孔隙比可判定為密實狀態(tài);而對十級配良好的土，同樣具有這一孔隙比，則可能判為中密或稍密狀態(tài)。因此，為了合理判定砂類土的密實度狀態(tài)，在工程上提出了相對密實度Dr的概念。Dr定義為:式中e一現場無粘性土的天然孔隙比; emax,3x一土的最大孔隙比; emin，一土的最小孔隙比。 當Dr=0，表示砂土處于最松散狀態(tài);當Dr=1，表示砂土處于最密實狀態(tài)。砂礫類土密實度的劃分標準如表2-3所示。粘性土的物理特征 粘性土的顆粒很細，粘粒粒徑d0. 005mm，細土粒周圍形成電場，電分子力吸引水分子定向排列，形成粘結水膜。土粒與土中水相互作用很顯著。同一種粘性土隨其含水量的不同，而分別

32、處十固態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)及流動狀態(tài)，其界限含水量分別為縮限(Ws)、塑限(Wp)和液限(WL)。所謂可塑狀態(tài)，就是當粘性土在其含水量范圍類，可用外力塑成任何形狀而不發(fā)生裂紋，并當外力移去后仍能保持既得的形狀，土的這種性能叫可塑性。 塑性指數工。定義為: 工P= WL-Wp ( 2. 7 ) 塑性指數越大，土從液限到塑限含水量的變化范圍越大，土能吸附結合水多，土的可塑性越好。液性指數工。定義為: 液性指數又稱相對稠度，反映土的軟硬不同。當土的天然含水量、:時，工,wL:時，工L0，土處十流動狀態(tài);當、在wL與wp之間時，即工L在0到1之間，則土處十可塑狀態(tài)。因此可用液性指數工L表示粘性土所處的

33、軟硬狀態(tài)。工。值越大，土質越軟;反之，土質越硬。巖土工程勘察規(guī)范(GB50021-94)的劃分標準如下:2. 2路基壓實2. 2. 1壓實度的概念 壓實度是指土或路面材料壓實后的干密度與該土或材料的標準干密度之比，常用百分數表示。壓實度值是反映施工質量的一個重要指標，通過對顆粒的壓實，確保道路的使用壽命，使之發(fā)揮最大的經濟效益。如設壓實度為8、實際干密度為/1、標準干密度為/z，則影響壓實因素 振動壓路機對被壓材料的壓實過程是個很復雜的隨機過程，由于被壓材料的物理特性具有很大的隨機性，即使是同一種材料，在被壓時的初始狀態(tài)、環(huán)境溫度和濕度不同，其壓實度也有很大的區(qū)別，影響壓實度的因素很多，主要有

34、以下幾種:含水量、土類和級配、擊實功、振動壓路機的振幅、頻率、工作速度和行駛方向。 1)含水量 土的含水量是指土在100105下烘至恒重時所失去的水分重量與達到恒重時干土重量的比值。土中含水量對壓實效果的影響比較顯著。當含水量較小時，由于顆粒間引力(可能還包括毛細管引力)使土保持著比較疏松的狀態(tài)或凝聚結構，土中孔隙大都互相連通，水少而氣多，在一定的外部壓力作用下，雖然土孔隙中氣體易被排出，密度可以增大，但由于水膜潤滑作用不明顯以及外部功能不足以克服顆粒間引力，土粒相對移動不容易，導致壓實效果比較差;含水量逐漸增大時，水膜變厚，引力縮小，水膜又起著潤滑作用，外部壓力比較容易使土粒移動，壓實效果漸

35、佳;土中含水量過大時，孔隙中出現了自由水，壓力不可能使氣體排出，壓力的一部分被自由水所抵消，減小了有效壓力，壓實效果反而降低;可見，只有在最佳含水量的情況下壓實效果最好。由重型擊實試驗可得到土樣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據，最大干密度則是現場壓實度的標準。 2)土類和級配 在相同擊實功條件下，不同土類及級配的壓實性是不一樣的。級配良好的土易于壓實，反之，則不易壓實，這是因為級配良好的土有足夠的細粒去填充粗粒形成的空隙，因而獲得較高的干密度，而級配不良的土則正好相反，較粗土粒形成的空隙缺少足夠的細土粒去填充，所以其干密度較小。 不同土類的壓實性也是不一樣的，試驗表明，

36、同樣含水率的情況下，粘性土的粘粒含量越高或塑性指數越大，越難以壓實。對于無粘性土，含水率的影響沒有粘性土那樣敏感，但在含水率較大時能得到較大的干密度，因此在實際工程中，通常需要不斷灑水使其在較高含水率下壓實 3)擊實功能 對于同一種土，加大擊實功能，能克服較大的粒間阻力，會使土的最大干密度增加，而最佳含水量減小，但靠增大擊實功能來提高土的最大干密度是有一定限度的，當含水率較低時擊數次數的多少影響較顯著，當含水率較高時，含水率與干密度關系曲線趨近十飽和線，也就是說，這時提高擊實功能是無效的;同時，含水率過低和過高都是不利的，都會影響到路基的穩(wěn)定性。 4)振幅、振動頻率對壓實度的影響 振動壓路機的

37、振動頻率是影響材料顆粒運動狀態(tài)的重要參數，它反映了單位時間內振動輪對被壓材料的沖擊次數。當振動頻率選擇在合適的范圍內時，隨著振動輪的振動，被壓材料的顆粒運動加速度增大，其內摩擦阻力急劇下降，顆粒之間的相互填充作用加強，這時振動輪受到的材料的抗剪作用也急劇減小，非常有利于壓實。在實際中，不同的被壓實材料，其適合于壓實的振動頻率范圍相差較大，這就要求振動壓路機具有較大的振動頻率范圍，以適應不同壓實材料的要求，一般振動壓路機的振動頻率在3050Hz的范圍內。 振動壓路機的振幅反映振動輪對被壓實材料的沖擊能量的大小。振幅越大，被壓實材料顆粒運動的位移越大，參加振動的材料顆粒越多。振動輪對材料的沖擊能越

38、大，振動沖擊波在材料中傳播的距離越遠，從而增加壓實深度或壓實厚度，壓實效果越好，壓實度值也越大。但是振幅也有一個合適的范圍，過大的振幅會使振動輪脫離地面，也就是一般所說的“跳振”，使表層受到嚴重不規(guī)則沖擊、揉搓和過度碾壓，這樣多余的能量不僅不會被碾壓層的土或材料吸收，反而會使己壓實表面層產生松散現象，從而引起壓實度降低，這是施工中應該避免的問題。 5)振動壓路機工作速度對壓實效果的影響 工作速度是指振動壓路機在進行壓實作業(yè)時的行走速度，主要影響被壓材料單位面積上吸收的振動能量，它對被壓材料所能達到的壓實度和平整度也有著顯著的影響。試驗表明。在相同碾壓遍數下，工作速度越高，壓實度越小，反之，工作

39、速度降低，壓實效果增強;但工作速度的降低意味著生產率的降低，因而要達到規(guī)定的壓實度，又要保持較高的生產率，就必須合理選擇工作速度和碾壓遍數。 6)振動壓路機行駛方向對壓實度的影響 振動壓路機工作時振動輪是向前向后往復連續(xù)滾壓的，由十運行方向的改變，對壓實度也有著顯著的影響。實踐表明，為了得到較好的壓實效果，即得到大一點的壓實度，振動壓路機的偏心塊旋轉方向最好保持與壓路機運行方向保持一致，這一點在最后一節(jié)做了詳細分析。2. 3傳統(tǒng)壓實度評定方法 傳統(tǒng)的壓實度評定方法可以大致分為破壞性試驗評定方法和非破壞性試驗評定方法。2. 3. 1破壞性試驗評定方法 所謂破壞性試驗，是指在測量土層或材料層的密實

40、度和含水量之前，需要對被測量層進行一定程度的破壞，以采取樣品。常用的破壞性試驗主要有二種一一灌砂法、水袋法、環(huán)刀法，下面將對這二種方法進行簡單介紹。 1)灌砂法 先在擬測量密實度的地點挖掘一個圓形試洞，洞深通常應等十碾壓層的厚度。在挖洞過程中，應使洞壁盡可能垂直，避免洞徑上大下小。仔細收集洞中挖出的全部土或材料，勿使丟失，并采取措施保護其含水量不受損失。及時稱取洞中挖出的全部土或材料的質量，并取部分有代表性的樣品做含水量試驗用。剩下的重要一步是測量試洞容積，確定所挖出的全部土或材料的體積。 灌砂法即用均勻顆粒(或單一顆粒)的砂，由一定高度下落到規(guī)定容積的筒或洞內，根據其單位質量不變的原理，來測

41、量試洞的容積。用試洞的容積代表洞中取出材料的體積。 2)水袋法 先在擬測量密實度的位置挖掘一個圓形試洞，對洞深的要求以及對稱量洞中挖出的土或材料和取樣品測量含水量的要求，均與上述灌砂法相同。測量試洞的容積時，將水袋法中使用的薄橡皮袋放入試洞內，在規(guī)定壓力下將水壓入橡皮袋中，使橡皮袋擴張到與試洞底和試洞壁相接觸，根據所用水量確定試洞體積。 3)環(huán)刀法 采用環(huán)刀法測試前，先清除干凈試驗地點表面未壓實土層，并將壓實土層鏟平一部分;根據土質干濕和緊密程度的不同，采用直接壓入法、落錘打入法或手錘打入法將環(huán)刀壓入或打入到土中;然后將環(huán)刀及土樣挖出，稱量環(huán)刀與濕土重、環(huán)刀重，自環(huán)刀中取出具有代表性的試樣測定

42、其密實度。 環(huán)刀法是較簡單和較快捷的一種試驗方法，但它的破壞性較灌砂法和水袋法大得多。此外，環(huán)刀法只能用十測定不含礫石或碎石的細粒土的現場密實度，測量結果的準確度和精確度受較多的因素影響。 用上述二種方法測得的密度，都是某一深度范圍內的平均密度。用前兩種方法測得的密度是試洞深度范圍內的平均密度，通常試洞的深度等于碾壓層的厚度。國內使用的環(huán)刀高度通常約50mm，環(huán)刀法所得密度僅是它所取土樣所在高度范圍內土的平均密度，不能代表整個碾壓層的平均密度。由于碾壓后，土層的密實度是從上到下減小的，而且頂部與底部的密實度相差很大。因此，用環(huán)刀法測定土的密實度，如環(huán)刀是從頂面往下取土的，則所得密度將偏大;如環(huán)

43、刀取的是底部的土，則所得的密度或計算的壓實度將明顯偏小。非破壞性試驗評定方法 非破壞性試驗使用的儀器是各種核子儀。它利用放射性兀素(通常是Y射線)測量路基土或路面結構層材料的密度，利用中子來測量它們的含水量。放射性射線穿過物質時要發(fā)生衰減，其衰減量的大小與物質的密度成正比，這樣通過測量放射性射線的衰減量可以反推物質的密度，故又稱Y射線法。 核子法的特點是:測量速度快，需要的人員少;方便，操作人員不必費力挖坑取大塊試樣稱重;無損，不破壞土的結構，一些無規(guī)律的測定值可被立即發(fā)現并對其進行檢驗;可用于測量各種土(包括凍土)和路面材料的密度以及它們的含水量。核子法適用于現場用核子密度儀以散射法或直接透

44、射法測定路基或路面材料的密度和含水量，并計算施工壓實度。適用于施工質量的現場快速評定，可用作仲裁試驗或評定驗收試驗. 按照職業(yè)健康管理體系(GB/T28001-2001標準)要求對操作人員應進行防護，避免長期使用對人體造成的輻射傷害。 雖然核子法比上述二種方法的優(yōu)點多，特別是在連續(xù)進行控制施工質量的工作中。但該方法價格高，使用環(huán)境條件要求高，此外超標的放射性物質對人體有害，一旦發(fā)生問題還會對環(huán)境造成污染;而且使用插入式核子儀同樣也會破壞土層的結構。2. 4傳統(tǒng)壓實度評定方法存在的不足 通過上面對各種傳統(tǒng)壓實度檢測方法的簡要分析，可知用傳統(tǒng)的方法檢測壓實度存在著以下問題: 1)破壞性試驗評定方法

45、采取樣品時，需要熟練的手工操作如挖坑、稱重等，同日寸也破壞了土層結構; 2)非破壞性試驗評定方法一一核子儀測定會對工作人員的身體造成一定的損害，一旦發(fā)生問題還會造成嚴重的環(huán)境污染; 3)用傳統(tǒng)測定方法在壓實過程中不能測量和評估壓實狀態(tài)，只能在碾壓結束后進行檢測，對壓實不足的路段很難及時發(fā)現，從而引起返工、拖延工期，當壓實遍數過多時，則白白浪費施工進度，甚至會振松已壓實的材料; 4)傳統(tǒng)測定方法只取少量的試樣材料，由于采樣量有限，通常只占被壓實材料1很少的一部分，缺乏代表性，因此不可能提供壓實質量的全面信息，而公路筑路材料復雜，這樣就極容易出現低質量路段漏檢; 5)傳統(tǒng)測定方法對壓實結果的描繪比

46、較粗糙; 6)用傳統(tǒng)測定方法做試驗時需要做大量的工作，費用昂貴，時間較長。 針對以上問題，為了能對壓實作業(yè)進行實時連續(xù)控制，保證每個施工工段以最少的碾壓遍數達到施工要求的標準，開發(fā)研制一種能連續(xù)檢測土壤壓實程度的壓實度測量系統(tǒng)很有必要。2. 5壓實的基本過程 壓實是通過施加外力使被壓材料提高壓實度的過程。在壓實過程中，土顆粒產生運動并重新組合，強迫排出積在顆粒間的空氣，粗顆粒土中的水被排出。有效的壓實，使得被壓材料的壓縮系數大大降低，支承能力提高，沉陷減小。在提高土的壓實度的同時獲得較高的剪切強度。壓實后，土的剪切強度大約能提高40%,因而大大提高了被壓材料的承載能力，降低了滲水性。 為了追求

47、好的壓實效果和高的壓實效率，人們一直在孜孜不倦地探索新的壓實方法和壓實技術。到目前為止，現代壓實技術所采用的壓實方法可以歸納為以下四種:靜作用壓實、搓揉壓實、振動壓實、夯實和沖擊壓實。2. 5. 1靜作用壓實 將重物置于被壓材料的表面，利用重物的重力，對被壓材料施加垂直壓力作用，使被壓材料內部產生相應的法向應力和剪切應力，當剪切應力達到材料的抗剪強度時，材料的顆粒之間就會發(fā)生相對滑移，重新排列而且變得更加密實。光輪壓路機和輪胎壓路機，靠自身重量壓實土壤，都屬于靜作用壓實。 為了獲得較高的壓實度，必須促使土顆粒位移或運動，以達到土的結構緊密的目的。但是，僅依靠靜載荷(自重)壓實土壤，顆粒之間的摩

48、擦力阻止顆粒進行大范圍的移動。隨著靜載荷的增加，顆粒間的摩擦力也增加。因此，靜作用壓實，有一個極限的壓實效果和影響深度，無限地增加靜載荷，也不能得到相應的壓實效果，反而會破壞了表層土的結構。搓揉壓實 在搓揉壓實中，搓是利用對被壓材料表層施以水平方向的反復交變的作用力，使被壓材料表層顆粒產生相對滑移，重新排列而變得致密;揉是一種壓入作用，它依靠對被壓材料局部施加很大的垂直壓力，使壓頭直接剪切側面材料，破壞壓頭下方局部材料與被作用材料整體之間的聯系，使之受到很大壓縮而且變得密實?？偟膩碚f，這種搓揉作用力的作用深度較淺，僅在表層某一范圍內傳遞，但其可獲得較高的表面壓實度和表面平整度。振動壓實 振動壓

49、實采用快速、連續(xù)地反復沖擊土的方式工作。壓力波從土的表面向深處傳播，土顆粒處于振動狀態(tài)，顆粒間的摩擦力實際上被消除，在這種狀態(tài)下，小的土顆粒充填到大顆粒土的孔隙中，土處于容積盡量小的狀態(tài)。 振動壓路機在作業(yè)時，由十振動輪的振動使其對地面作用一個往復沖擊力。振動輪每對地面沖擊一次，被壓實的材料中就產生一個沖擊波。同時，這個沖擊波在被壓的材料內沿著縱深方向擴散和傳播。隨著振動輪不斷振動，沖擊波也將不斷產生和持續(xù)擴散。被壓材料的顆粒在沖擊波的作用下，由靜止的狀態(tài)變?yōu)檫\動狀態(tài)。被壓實材料顆粒之間的摩擦力也由初始的靜摩擦狀態(tài)逐漸進入到動摩擦狀態(tài)。同時，由于材料中水分的離析作用，使材料顆粒的外圍包圍一層水

50、膜。形成顆粒運動的潤滑劑。顆粒間的摩擦阻力將大幅度下降，為顆粒的運動創(chuàng)造了十分有利的條件。被壓實材料在沖擊波的作用下產生運動，帶來了顆粒間的初始位置的變化，并由此而產生互相填充間隙的現象，顆粒之間的間隙減小。較大顆粒之間的間隙由較小的顆粒所填充，被壓實材料的密實度提高，從而壓實度也提高了。同時，顆粒之間的緊密接觸也增大了被壓材料的內摩擦阻力，使基礎的承載能力也隨之提高。 如果以表示土的壓實度，則與振動壓路機的振動參數和工作參數有下列函數關系: 式中:PL一一振動壓路機振動輪的線載荷(N/cm); A一一振動壓路機工作振幅(mm); 一一振動壓路機工作頻率(角頻率); 一一振動壓路機的工作速度(

51、m/s) 為克服土顆粒之間的粘聚力和吸附力，振動壓路機必須有足夠大的線載荷幾和振幅A。載荷越大，作用在被壓實的土表面上的正壓力也越大，從而越容易破壞由土顆粒之間的粘聚力和吸附力形成的抗剪切強度。振動輪振幅越大，土顆粒運動的位移越大，土顆粒間的粘聚力越容易被破壞，土就容易被壓實。 振動壓路機的工作頻率是影響土顆粒運動狀態(tài)的重要參數。當工作頻率靠近“壓路機一土”的振動系統(tǒng)的固有頻率時，土的顆粒運動加速度增大，其內摩擦阻力急劇下降，土的顆粒之間的相互填充作用加強。這時土仿佛處于流動狀態(tài)。為了便于理解，將這種內摩擦阻力急劇下降，仿佛處于流動狀態(tài)下土的狀態(tài)稱為“土的液化”現象。土處于“液化”狀態(tài)時，有些

52、物料，例如純干性水泥、干砂、水飽和砂等其內部摩擦阻力幾乎為零。2. 5. 4夯實和沖擊壓實 夯實和沖擊在原理上都是利用動能轉化為沖擊能來壓實土壤，只是在沖程和頻率上有所不同。夯實的沖程約為50-30mm，頻率約為8-20Hz，沖擊的沖程可高達數米，而頻率則極低，為單個的脈沖。沖擊壓實的特征是巨大的動能在很短時間內轉化為沖量，而形成瞬時作用的巨大沖擊力，它可在土壤中產生很大剪切應力和法向應力，從而有效地克服勃性土壤的內聚力，壓縮土體并排出土中的空氣和水分。沖擊能量所形成的沖擊波可傳至很深的深度，因而在壓實深度上有很大的優(yōu)勢。此外，由于沖擊作用的時間很短，往往在被壓材料還來不及發(fā)生“流動”之前，沖

53、擊已經結束，因而可減少由土壤“流動”而導致的不穩(wěn)定，可有效地用于對較高含水量的勃土和干砂的壓實。由于沖擊壓力波較振動壓力波能傳至更深的層面，所以，沖擊壓實能獲得最大的壓實深度。2. 6振動壓路機的工作原理 振動壓路機是依靠自重和振動的聯合作用來壓實路基和路面材料，使被壓實的材料具有足夠的密實度。壓實可以充分發(fā)揮路基和路面材料的強度，可以減少路基、路面在行車荷載下產生的變形，還可以增加路基和路面材料的透水性和強度穩(wěn)定性?，F在全世界的建筑工程都要求對土壤進行有效地壓實，以便承受新建的高速公路、機場、海港、堤壩、鐵路和建筑基礎更大的負荷。由于振動壓路機壓實效果好，影響深度大，生產率高，而且適用于各種

54、土壤的壓實。因此振動壓路機逐漸成為許多壓實工作的標準設備和首選設備。2. 6. 1振動壓實理論 振動技術已被廣泛應用與壓實作業(yè)，其基礎理論研究尚有不同的學派。對土壤振動壓實從理論上來闡述，可以歸納為以下的幾種學說: 1)內部摩擦減小學說 內部摩擦減小學說可概括為:由于振動作用，使鋪筑材料的內部摩擦急劇減少，剪切強度降低，抗壓阻力變得很小，因而在重力作用下易于壓實。 2)共振學說 振動壓路機在工作時，當激振力頻率與被壓材料的固有頻率一致時，振動壓實最為有效。實踐證明，共振效果是顯著的，說明這一理論的正確性。然而，由于材料的固有頻率在變化，要求激振器的頻率作相應的變化是很困難的，但利用共振現象來進

55、行壓實就比較容易。 3)反復載荷學說 振動壓路機在工作時，由于振動所產生的周期性壓縮運動的作用，而達到振動壓實的效果。在低頻率范圍內，它具有一定的現實性，而在高頻率范圍內，并無充足的理論根據。實驗表明，在高頻率范圍內，振動作用的效果遠遠超過反復荷載作用的效果。 4)土壤液化學說 在振動波的作用下，被壓實材料的顆粒呈現高頻受迫振動狀態(tài)，其內部粘聚力和摩擦力急劇下降，使之仿佛處于流動狀態(tài)，此即稱之為“液化”現象。這種液化現象的出現，使材料顆粒之間的相互充填作用加強，并且由十受自重力的作用而向著低位能的方向流動，這就為壓實創(chuàng)造了條件。第3章 路基土壓實度檢測試驗及分析3. 1試驗方案 為了驗證壓實度

56、檢測系統(tǒng)在運行中的穩(wěn)定性、可靠性、準確性，以及技術方案的可行性，這里通過一系列的室內試驗和現場試驗對系統(tǒng)進行測試。 首先，在實驗室內對系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性、準確性進行驗證;其次，通過振動臺試驗驗證儀器的數據采集功能是否完善;然后，去施工現場進行振動壓路機加速度信號采集以及土壤壓實試驗;最后，再回到實驗室做擊實試驗和利用數據分析處理軟件對現場采集數據進行各種分析處理，進一步驗證技術方案的可行性。 1)實驗室試驗 通過實驗室試驗對儀器本身進行檢驗和標定，其中包括靜態(tài)標定和波形顯示試驗，通過靜態(tài)標定試驗來觀察儀器采集靜態(tài)輸入信號的準確性及經過標定后所能夠達到的精度;通過波形顯示試驗來驗證儀器采集的標準信號及信號在屏幕上的顯示是否一致。試驗過程中主要用到信號發(fā)生器、示波器及萬用表等試驗儀器。同時，現場試驗做完以后，還要回到實驗室做擊實等試驗。 2)振動