CN102621038A - 风积沙最大干密度的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风积沙最大干密度的试验方法，包括以下步骤：1)取沙样经过筛后，将试样烘干后备用；2)将振动台固定于砼基础上；3)将试模固定于振动台上；4)填料；5)振动；6)刮平；7)称重；8)干密度计算；9)绘制振动曲线。本发明操作简便，准确度高，适用于基础工程和岩土工程路基技术领域。

Description

风积沙最大干密度的试验方法

技术领域

本发明属于基础工程和岩土工程路基技术领域，涉及一种风积沙最大干密度的试验方法。此方法确定的风积沙最大干密度值，用于衡量风积沙在天然含水量状态下或洒水状态下机械分层碾压的压实情况。

背景技术

风积沙作为路基填料，其路基的压实与一般粘土路基一样同等重要，最大干密度确定的是否合理对于在相同压实机械、压实遍数压实的风积沙来说，所得压实程度不同，影响工程技术人员对其压实效果的判断。

风积沙最大干密度试验方法不同所得到的风积沙最大干密度值也不同，也较大的影响了压实度的检测结果。若确定的最大干密度值偏大，施工中在一定机械组合情况下压实度难以达到规定的压实标准，一方面造成大量机械台班和人力、物力的浪费，另一方面，所得到的压实度值表面上偏小，达不到规范规定值，监理人员、建设单位管理人员心理不踏实，非常担心在不满足规范规定压实度条件下，能否保证路基稳定，在使用过程中能否保证不出现路基病害，给正常建设管理、工程验收工作带来许多不便；若最大干密度值确定的偏小，利用较小的压实功就可达到要求的压实标准，给工程管理工作也会带来许多麻烦，甚至在道路正常运营过程中出现路基下沉、路面开裂、松散等病害，直接影响到道路的养护质量和服务水平。在路基施工过程中，利用推土机运送和摊平过程中，相当于用推土机进行了稳压，用标准击实法所确定的最大干密度值来衡量压实度，一般可达到90％左右，甚至更高，对于压实标准较低的低等级公路来说已达到规定值，显然，路基并没有压实，这种压实只是表面现象。另一方面，如果利用压路机分层压实，压实度大于100％的点数偏多，也说明压实标准偏低。因而，合理的确定风积沙最大干密度值对于沙漠公路来讲至关重要，也是非常必要的。

按照目前交通部颁布的《公路土工试验规程》提供的确定路基填料最大干密度值的试验方法，可分为标准击实法、振动台法、表面振动仪法等三种试验方法，其中标准击实法较为常用，也较为普遍，具有广泛的实用性，其操作方法具有简单、快速的特点。对于无粘结性材料可用振动台法和表面振动仪确定填料的最大干密度值，但国内还没有较为成熟、性能稳定、符合技术要求的仪器，这给实际施工、科研等造成许多不便。

参照目前《公路土工试验规程》规定的试验方法和试验研究思路，对确定风积沙最大干密度的试验仪器进行了比较和分析，每种试验方法均有各自特点。风积沙在正常情况下呈松散无粘结性，采用标准击实试验在含水量较小或完全干燥时，击实容易震起风积沙，同时将表面振松，有时反而愈击愈松；当含水量较大时，锤击时风积沙四处飞溅，有时还会粘附在击锤上，造成击实功的浪费，因而，采用标准重型击实法确定风积沙最大干密度的准确性有必要深入研究。

发明内容

本发明的目的弥补现有技术的不足，提供一种风积沙最大干密度的试验方法，本方法结合现有技术中在沙漠地区相关课题所取得的研究成果，风积沙在振动状态下可得到相对较大的干密度值，为了更深入了解振动时各个影响因素对干密度值的影响，采用了表面振动压实仪进行对比试验，同时采用可以调幅、调频的振动台进行试验研究，总结其不同振动条件下风积沙密度的变化规律，进而推荐出与工地现场所获试验结果相对应的风积沙最大干密度值室内确定方法，在此基础上，确定了试验仪器和试验方法，为指导和进一步研究压实标准、施工工艺创造了条件。

其技术方案为：

一种风积沙最大干密度的试验方法，包括以下步骤：

1)取沙样经过筛后，筛孔为2mm，将试样在105～110℃下烘干后备用，其烘干时间不少于6h；

2)将振动台固定于砼基础上；

3)将试模固定于振动台上；

4)填料：填料采用三次填料，最后一次填料将风积沙填满试筒并高出试筒约2-3cm；

5)振动：将配重垫块放于沙样上，启动振动台，振动时间分为1、2、3、4、6、8min；

6)刮平：按拟定的不同时间振动结束后，取掉5cm高的活动套筒，采用刮刀、平直尺沿试筒上沿口刮平；

7)称重：用毛刷将试模外缘及底板周围风积沙刷干净，用台称称取试筒风积沙及底板重量，并称取试筒和底板自重计算出风积沙干重；

8)干密度计算：干密度计算时按下列公式

干密度(g/cm³)＝风积沙重量(g)/体积(cm³)

9)绘制振动曲线：以干密度为纵坐标，以振动时间为横坐标绘制出干密度与振动时间关系曲线，曲线上的峰值点为最大干密度和最佳振动时间。

上述试验方法中，步骤2)中所述的振动台外型尺寸50×50cm，振动频率2860次/min，振幅大于0.4mm或振动台的加速度大于4g，最大载重75kg。

上述试验方法中，步骤3)中所述的试模主要包括试筒、套筒、底板，试筒内直径15.2cm，高度17cm，套筒内径与试筒相同，高5cm，套筒与试筒应配套一致，且与试筒紧密固定后内壁成直线连接，底板为标准击实筒所配置的底板。

上述试验方法中，步骤5)中所述配重垫块直径为15.1cm。

上述试验方法中，步骤6)中刮平时刮平刀方向应相互垂直。

上述试验方法中，步骤7)中也可将风积沙倒出后直接称取风积沙重量。

上述试验方法中，步骤9)中如果曲线不能绘出明显的峰值点时应进行补点或重作。

本发明风积沙最大干密度的试验方法，其特征在于，所述试验应以三次平行试验结果的平均值作为风积沙在干振条件下的最大干密度值，若三次平行试验所得最大干密度值相差大于0.03g/cm³，应重做，以便能够保证试验结果的准确性。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

现有《公路土工试验规程》确定路基填料最大干密度的方法主要有标准击实法、振动台法、表面振动法。其中标准击实法主要适用于粒径小于0.074mm颗粒的含量大于75％的填料，且最大粒径不大于25mm；振动台法适用于通过0.074mm标准筛的干颗粒质量分数不大于15％的无粘性自由排水粗颗粒和巨粒土。对于粒径主要集中在0.074～2mm之间的风积沙，采用标准击实法试验时，击实容易震起风积沙，同时将表面振松，当含水量增加时，锤击风积沙四处飞溅，有时还会粘附在击锤上，造成击实功的浪费。采用《公路土工试验规程》中振动台法开展风积沙最大干密度时，国内还没有性能稳定、符合技术要求的仪器，且试验步骤及技术要求不明确，得出的风积沙最大干密度值不稳定。现场路基压实质量评定时，缺乏合理有效的依据。

对于路基压实的控制指标采用压实度，其定义为工地实测干密度与室内标准试验确定的最大干密度之比。因此最大干密度值的大小直接决定着现场的压实质量是否符合施工技术规范的要求。课题组结合以往的研究成果，加工和订购了可以调幅、调频的振动台进行试验研究，开展了振幅、振频、含水量、振动时间、表面压力及填料方式等因素下风积沙振动试验，总结了不同振动条件下风积沙干密度密度的变化规律，进而推荐出与工地现场所获试验结果相对应的风积沙最大干密度值室内确定方法，在此基础上，确定了试验仪器和试验方法，为指导和进一步研究压实标准、施工工艺创造了条件。

本发明所述方法在技术上的改进及其优点如下：

(1)试验通过对不同级配风积沙开展研究，得出了不同级配风积沙最大干密度确定方法。其中粒径小于0.074mm颗粒的含量大于23％时，风积沙的最大干密度应采用标准击实法来确定；粒径小于0.074mm颗粒的含量小于23％时，风积沙的最大干密度应采用底部振动法来确定。

(2)底部振动试验，风积沙填料按三层方式填料。三层填料时，风积沙干密度明显大于一层填料。

(3)以含水量为零时确定的最大干密度作为风积沙路基现场压实质量评定的标准，即干振法确定风积沙最大干密度。风积沙路基一般处于相对比较干旱、炎热地区，路基风积沙路基施工时，含水量比较低，接近于零，因此，用干振法确定出的风积沙最大干密度来评定路基质量比较符合实际。

(4)试筒采用标准击实筒，可以有效利用生产单位已有的仪器设备。

(5)振动过程中配重块产生的表面单位压力为4KPa，低于《公路土工试验规程》中13.8KPa。配重块质量降低后，对振动台的加速度要求相应降低。

(6)根据振幅、频率振动试验结果，建立了振幅、频率与加速度之间的关系，降低了试筒和配重块质量，采用小型振动台即可开展风积沙的最大干密度试验，生产单位普遍已经采购该型号振动台用于混凝土的振动压实，因此无需重新进行购置。

附图说明

图1是不同含水量、振幅0.2mm风积沙振动压实曲线；

图2是不同含水量、振幅0.2mm风积沙振动压实曲线；

图3是干砂在不同表面重量下振动压实结果曲线；

图4是不同填料方式风积沙干密度曲线；

图5是不同表面单位压力振动曲线；

图6风积沙干密度与小于0.074mm颗粒含量的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

根据风积沙无粘结性的特点，在调研基础上，结合我所以前承担交通部“无砂石料地区公路修筑技术研究”课题所得研究成果，研究表明，风积沙在振动情况下也可得到最大干密度值，参照目前交通部颁布的《公路土工试验规程》无粘结性材料最大干密度的确定方法，课题研究时，拟定采用振动法对风积沙在不同试验状态下进行对比试验，总结并分析各种影响因素对干密度的影响规律，试验时分底部振动法，表面振动压实两种振动试验方法分别进行。

采用振动台法确定风积沙干密度时，干密度受到振动台本身机械性能(振幅、频率等)和风积沙级配、含水量的影响，因此影响干密度的因素较多，主要有风积沙的级配、含水量、振动台的振动频率、振幅大小以及振动加速度，同时，表面单位压力、振动时间对振动压实效果也有影响，它们在振动试验过程中所起的作用不同。风积沙沙样级配决定了其内部可供填充空隙的大小；含水量可改变风积沙颗粒间的附着力和粘聚力；振动频率和振幅分别影响了沙样颗粒移动速度和位移的大小，同时也影响振动机械的激振力，进一步改变剪应力的大小；表面单位压力的大小决定了作用于沙样表面的压力；振动时间的长短确定了压实功的大小。因而，沙样级配、含水量、表面单位压力、振动频率、振幅和振动时间都能影响沙样最终的密度。考虑六种影响因素作交叉振动试验，试验量无疑是非常巨大的。所以必须寻找风积沙沙样在各个影响因素下干密度的变化规律，使试验量减少而且分析出风积沙的振动压实特性，为此选择了两台不同配置的振动台和附属设备，试验时将击实筒锁定在振动台台面上，沙样装在击实筒中，沙样表面单位压力由放于其上的铸铁垫块产生，整个装置随振动台面一起振动，沙样逐渐密实。通过改变沙样级配、含水量、表面静压力、振动频率、振幅和振动时间的数值，得出不同情况下风积沙的振动压实规律。

试验仪器

小型振动台振动台振动频率10～50Hz可调，由400W交流电机提供动力。通过电机带动载有偏心垫块的从动轴转动，以此产生激振力，推动台面形成振动。台面与底座之间以四个刚性弹簧连接。附属设备包括直径15cm击实筒(试筒直径15.2cm、高14.3cm、容积2592cm³)一个；直径与击实筒内径相同、能于沙样表面产生1、4、7、13.8KPa表面静压力的铸铁压块一组。

振动台为国营西北机器厂生产的100Kg机械振动台，最大荷载100Kg；频率范围5-60Hz；最大位移值(振幅)空载5mm、满载2.5mm；最大加速度幅值满载10g。设备为机械式振动试验台，激振力是由偏心质量旋转所产生的离心力，最大激振力2330kg，台面由四组激振器推动，通过调整四组激振器的初相位，可使台面在无强迫导向的情况下实现水平和垂直振动。其整个活动系统置于四个连同的空气弹簧上，组成一典型的单自由度振动系统。传动部分是由交流电机经皮带轮升速，由齿轮箱将动力分配给四组激振器。振幅决定于四组激振器的偏心距，偏心距的大小通过液压系统来调整。附属设备同小型振动台。

表面振动仪为BYZ-1型表面振动仪，振动频率47.5～50Hz，激振力3KN，振动加速度3.5g左右。击实筒直径280mm，高230mm。

试验材料

风积沙沙样同重型标准击实试验，即沙样级配为0.3～0.15mm、0.15～0.074mm、小于0.074mm的质量百分含量分别为45.1％、46.79％、9.11％，沙样来源于榆靖沙漠高速公路。

底部振动

在风积沙的底部振动试验过程中，最大干密度试验结果受振幅、频率、含水量、填料方式、表面单位压力等方面的因素影响较大，为此，针对不同的影响因素分别进行试验。

振动时间对干密度的影响

试验时应用小型振动台采用一次填料，单位表面压力1.84KPa，振幅0.2mm，试验结果见表1。

表1干沙在不同频率及不同振动时间下的干密度试验结果表(单位：g/cm³)

应用小型振动台、按一次填料、1.84KPa表面单位压力、增大振幅0.4mm进行振动试验，结果如表2所示。

表2风积沙在不同频率及不同振动时间下的干密度(单位：g/cm³)

在风积沙试样中加入水，观察有一定含水量的风积沙干密度随振动时间的变化情况，试验在小型振动台上进行，振动频率50Hz，三次填料，表面单位压力1.84KPa，两种不同振幅下的试验结果如表3、表4所示。

表3不同含水量下风积沙的干密度试验结果表(单位：g/cm³)(振幅0.2mm)

表4不同含水量下风积沙的干密度(单位：g/cm³)振幅0.4mm

将表3，表4应用小型振动台所得干密度试验结果表明不同振动时间情况下风积沙干密度值明显小于标准重型击实发所得干密度值，主要原因是由于小型振动台的激振力偏小，经检测空载时可达到技术参数标准，放上试样及试模后，振幅明显小于设定值，其试验结果仅可作为在同等条件下分析干密度的变化规律。

为了准确分析频率、振幅对风积沙干密度值的影响，采用调频、调幅振动台进行风积沙的振动试验，绘制成振动曲线，分别得到图1、图2。

通过对上述振动压实试验结果进行分析，可以得到下列结论：

(1)风积沙沙样(不论是干沙还是有一定含水量的沙样)随着振动时间的延长会出现振实-振松-振实现象，因而振动时间并非越长越好。原因是：开始振动时，沙颗粒间互相移动、互相填充，逐渐密实，此时振动仍在继续，填充密实的颗粒之间又产生移动，密实状态被破坏而变得疏松，随着进一步的振动，沙样颗粒重复填充，沙样又被振实，由于沙颗粒在激振力作用下的移动是无规则运动，因此两次密实状态之间的时间间隔不定。

(2)含水量较小时，振动压实到密实状态所需时间较长，随着含水量的增大，所用时间有逐渐缩短的趋势，这是因为含水量较小时，影响沙样颗粒间移动的阻力较大。随着含水量的上升，阻力也逐步变小，这与击实试验的结果是吻合的。沙完全干燥时，粘聚力几乎为零，干沙压实所需时间较长，这是因为：沙样有一定含水量时，随着振动，密度逐步提高，水也增大了沙颗粒间的粘结力，沙样表面因而变得有一定强度，产生静压力的垫块被规律性弹起，落下时对沙样表面形成冲击，加大了压实功；沙样干燥时由于粘结力几乎没有，沙样颗粒跳动较为活跃，表面强度远小于有含水量时。

(3)当振幅固定时在频率较高时，沙样颗粒间的移动较快，达到密实的时间相应较短，干密度值相应较大。因此当振幅受到限制时，振动压实应尽量采用高频。

(4)振幅对干密度的影响较大，相同条件下振幅越大，所得干密度值越大。振幅的增大提高了压实功，因而干密度会明显上升。

(5)用干沙确定风积沙的最大干密度时，由于干沙在振动作用下沙颗粒的移动、跳跃无规律可言，因此达到最大干密度的时间也不尽相同。

表面单位压力对干密度的影响

表面单位压力的大小取决于表面垫块的重量，试验时用不同的垫块组合分别能产生0、1.84KPa、4KPa、7KPa、13.8KPa的表面静压力，在不同振动频率、振幅及不同含水量条件下，采用三次填料方式，对相同级配的风积沙在不同表面单位压力下进行的振动压实试验，结果如表5～表7所示。

表5干风积沙在不同表面单位压力下的干密度(单位：g/cm³)

(振动频率30Hz、振幅0.4mm)

表6干风积沙在不同表面单位压力下的干密度(单位：g/cm³)

(振动频率40Hz、振幅0.4mm)

表7干风积沙在不同表面单位压力下的干密度(单位：g/cm³)

(振动频率50Hz、振幅0.4mm)

将表7所得试验结果绘制成振动时间与干密度的关系曲线，可得到在不同表面单位压力作用下的振动曲线如图3。

对试验结果进行分析，可得出如下结论：

(1)干沙在振动压实过程中有表面静压力存在，干密度会明显增大。这是因为有配重块在沙样表面时，阻碍了部分沙样颗粒的无规则跳跃，使其向颗粒间的空隙填充；配重块的压力，帮助克服沙的内摩阻力，使沙变得更密实。

(2)干沙在4KPa、7KPa、13.8KPa表面压力下干密度变化不明显，甚至出现波动。主要是因为：在振动过程中，配重块与沙之间几乎没有位移或位移很小，对沙样表面几乎没有形成冲击或冲击很小，而且风积沙为干燥状态时，内部粘聚力极小，4KPa的表面压力加上振动台的作用足以克服其内部粘聚力。这说明干沙的振动压实试验无需很高的表面压力。

(3)表面静压力对干密度的影响和振动台的振幅、频率也有关系，在分析加速度对干密度影响时考虑振幅、频率的影响。

含水量、级配和填料方式对干密度的影响

风积沙振动压实的填料方式，即分层将沙样填入试筒中对振动压实的结果也有影响。表8是天然级配的风积沙采用小型振动台在不同振动频率、不同填料方式、不同振动时间下的振动压实试验结果。可以看出，在不同频率、振动时间情况下，分层填料所得干密度值较上一层填料方式所得干密度值大。即分三层填料效果明显好于一层填料所得干密度值，主要是由于分三层填料时相同状态下比一层填料所用振动时间较长，每次填料均能充分移动，相互挤密，干密度值达到较大值。

表8干沙在不同填料方式下干密度试验结果表(单位：g/cm³)

与标准重型击实结果相似，风积沙级配组成也是影响干密度的因素之一。表9是不同级配的风积沙振动试验结果，试验时，频率为50Hz、振幅0.8mm，表面单位压力13.8KPa，振动时间为2分钟。

表9中级配为61∶30∶9试验数据所得的振动曲线如图3-7，进一步比较振动压实时填料方式对干密度的影响。

表9不同级配风积沙的振动压实干密度(单位：g/cm³)

注：A代表颗粒粒径在0.3～0.15mm之间的百分含量；

B代表颗粒粒径在0.15～0.074mm之间的百分含量；

C代表颗粒粒径＜0.074mm的风积沙百分含量。

对表8、表9和图4分析，可得出以下结论：

(1)对于不同级配的风积沙，在不同频率下进行振动试验，三层填料干密度要优于一次填料干密度。这是因为配重块的冲击力在沙样中传播时，会随着沙层的厚度而减弱。三次填料减薄了每一层沙样的厚度，因而使沙颗粒得到的冲击更大，而且，在进行第二次、第三次振动的同时，也给第一层、第二层以冲击，使第一、二层分别经受了三次、二次冲击，因此沙样更加密实。

(2)不同试验条件下，含水量对振动所得最大干密度影响较大。由表9可知，随着含水量的变化，不同级配、振动层数下的振动试验结果均表现为双峰值，从不同级配组成的风积沙沙样的试验结果可以看出，含水量为0％时所得干密度值较大。含水量在2％附近时所得干密度值最小。这是由于含水量大小不同时水分在振动过程中所起的作用不同，低含水量时，水分的存在增强了颗粒间的粘聚力。这一结论与标准击实相吻合。

(3)级配组成的变化直接影响到最大干密度的大小。当细集料(C种集料)含量为0％时，所得干密度为最小。根据颗粒互相填充、挤密的原理，若级配不良，不含细集料时，大颗粒间空隙较大，无法达到空隙率最小的振动效果。

振动频率、振幅对干密度的影响

在表1、表2、表5、表6、表7的试验资料，按振动频率，振幅整理，罗列于表10、11，表10为一次填料，表面单位压力为1.84KPa，振动频率为50Hz情况下，干风积沙不同振幅的试验结果，表11为三层填料方式，表面单位压力为13.8KPa，振幅为0.4mm时干风积沙不同频率下试验结果。表11分析同一频率下振幅对干密度的影响及同一振幅下频率对干密度的影响。

表10频率50Hz下不同振幅的振动试验结果表(单位：g/cm³)

表11同一振幅下不同振动频率振动试验结果表(单位：g/cm³)

由表10、表11可以看出：同一频率下振幅的增大使干密度增大；同一振幅、单位压力作用下，频率的升高同样提高了干密度值。因此振动频率和振幅对干密度都有影响。振动台可在较大的范围内实现调幅、调频，表12是天然级配的风积沙在三次填料、7KPa表面压力下，不同振动频率及振幅下的振动试验结果。

表12不同振动频率和振幅下的干密度振动试验结果(单位：g/cm³)

(三次填料、表面单位压力7KPa)

由以上论述引入加速度的概念，振动机械的加速度是其工作能力的一种体现，能达到的加速度值越高，工作能力越强，反之则相反。

表13是振动台在不同振动频率时不同振动加速度对应的振幅值。试验结果证明真正影响风积沙压实效果的并不是振幅或频率某一单个因素，而是振动设备的加速度。

表13不同振动频率加速度对应的振幅值表(单位：mm)

利用新疆风积沙进行对比试验，同时，选择不同的表面单位压力，分析在加速度和表面单位压力双重作用下，新疆风积沙干密度的变化情况，不同试验条件下所得干密度见表14、表15、表16、表17。

表14加速度为9g风积沙干密度试验结果表

(频率50Hz、振幅0.9mm、振动2min)

表15加速度为7g风积沙干密度试验结果表

(频率50Hz、振幅0.7mm、振动2min)

表16加速度为4g风积沙干密度试验结果表

(频率50Hz、振幅0.4mm、振动2min)

表17加速度为1.5g风积沙干密度试验结果表

(频率50Hz、振幅0.15mm、振动时间2min、表面单位压力13.8KPa)

从上述试验结果可知，讨论这两种因素的影响，应将风积沙分为干沙和湿沙分别讨论：

(1)干沙将表14、15、16、17中含水量为0％时的试验结果进行整理，得到不同加速度情况下风积沙干密度试验结果见表18。

表18干沙在不同振动加速度和表面单位压力下干密度试验结果表(单位：g/cm³)

振动台加速度越大，表面压力越高，风积沙得到的压实功越大，试验时沙样在试筒中翻动的越彻底。但对于干沙，过高的加速度和表面静压力可能会引起风积沙的过振，干密度反而下降。当没有表面压力时，即使加速度很大，干密度值依然很小。增加表面单位压力后，相同条件下，干密度值明显增大。另外，加速度很小时，即使表面压力增大，干密度依然很小，这主要是因为太小的加速度不能将风积沙的颗粒进行重新排列。由此可以得出干沙在振动试验时必须有一定的表面压力方可获得较大的干密度值。随着表面单位压力的增加，在相同振动条件下变化较小，甚至随表面单位压力的增加干密度值反而减小，因而，可以得出，表面单位压力不需过大，在4KPa时可获得相对较大的干密度值。

从表中可以看出，当加速度达到9g时，随着表面单位压力的变化，所得干密度最大值也随之变化，当表面单位压力为13.8KPa时，随着加速度的增大，最大干密度值也随着变化，当加速度为4g可得到较大干密度值。由此可以推断，加速度为4g时可得到较大干密度值。

由前面表面单位压力对干密度影响的试验分析结果可知，在相同条件下，表面单位压力的大小也影响了干密度值，但随着表面压力的增大，干密度值变化很小。因此，推荐在振动加速度为4g，表面单位压力为4KPa时进行振动试验可获得较大干密度值。

(2)湿沙

选择含水量为14％的风积沙在不同加速度和表面单位压力情况下所得最大的干密度值进行比较，经整理得表19结果。

表19湿沙在不同振动加速度下所得干密度试验结果(单位：g/cm³)

从上述试验看出，相同试验条件下，湿沙所得干密度明显均低于干沙振动试验所得干密度值。没有表面静压力条件下，干密度随含水量的增加变化很小，也明显低于其它不同表面压力下在相同含水量试验条件下所得干密度值，在相同含水量条件下，当加速度大于4g时，干密度值随表面单位压力的变化基本不变，出现波动，表面单位压力为4KPa时所得干密度与7KPa、13.8KPa非常接近，由此可得：对于不同含水量的风积沙，振动台加速度大于4g，表面压力为4KPa时，为最佳试验条件。

表面振动压实

表面振动压实是指将能产生一定表面静压力的压块置于沙样表面，在振动电机激振力的带动下振动，对沙表面形成连续冲击，冲击力在沙颗粒间是以振动波的形式传播，振动力的作用克服沙颗粒间的内聚力，使沙颗粒互相移动，逐渐靠近，变得密实。和底部振动压实同理，影响风积沙表面振动压实的因素有风积沙的含水量、振动频率、振幅等。此试验采用的BYZ-1型表面振动仪依靠振动电机及配重压块产生表面压力；振动频率47.5Hz、振幅0.35mm；振动加速度3.5g。表20、21分别为干沙和湿沙的表面振动压实结果。对于干沙采用不同的表面压力、不同的振动时间和不同的填料方式；湿沙填料方式为三层，在不同振动时间、表面压力和含水量条件下进行对比试验。

表20干沙表面振动压实试验结果表(单位：g/cm³)

表3-21湿沙表面振动压实试验结果表(单位：g/cm³)

表面振动仪振动时间为2分钟、一层填料下得到的两组压实结果如表22、表23。

表22表面单位压力7KPa不同含水量下干密度试验结果表

含水量(％)	0	2.40	5.16	6.18	7.69	9.11	12.22	14.15
									干密度	1.609	1.447	1.519	1.540	1.555	1.566	1.593	1.629

表23表面单位压力13.8KPa不同含水量下干密度试验结果表

含水量(％)	0	2.37	4.47	7.00	10.68	11.50	13.75
								干密度	1.562	1.498	1.526	1.526	1.533	1.547	1.578

根据压实数据表22、表23所列数据，得到图5的振动曲线，对上述试验结果进行对比分析，得出以下结论。

(1)风积沙在表面振动作用下，干密度随含水量的增长可以得到一条和重型击实、底部振动结果相似的振动曲线，这是风积沙的特有性质。

(2)表面振动压实同底部振动压实一样，振动时间并非越长越好，随着振动时间的延长会出现振密-振松-振密现象。

(3)表面压力对干密度是有影响的，和底部振动不同的是：表面压力的不同直接影响表面振动压实仪的振幅，从而进一步影响了对被压实风积沙所做压实功。干沙时，表面压力大时所得最大干密度值较大，湿沙时，表面压力为7KPa所得干密度较13.8KPa时所得干密度较大。

(4)不同的填料方式对干密度有影响，三次填料的振动压实效果要明显好于一次填料。

(5)干沙时，对于相同试验条件下，表面压力的大小，直接影响振动所得干密度值的大小，当表面压力增加，干密度值有增大趋势，压力为13.8KPa时在三层填料时所得干密度大于压力为7.0KPa时的试验结果，而一层填料时所得干密度值较为接近。这是由于在一次填料时，沙样受到击实功明显小于三次所受到的振动击实功所致，同时，试验过程中发现干沙在表面压力击振作用下，易产生飞溅，易翻松，沙样一层填料在试筒中厚度较大，表面激振力传递到沙样深度的影响，对下部作用力有所减弱。因而，压力增大时作用不显著。

(6)由上述试验结果的分析可以看出：风积沙与一般性土的压实特性主要区别在于其干沙的压实性质。当风积沙含水量为零时，其内部粘结力几乎为零，在振动条件下表现出其固有的动力压实特性，即适当的振动加速度、表面单位压力和振动时间作用下，干沙可以得到的压实干密度，和在最佳含水量条件下的压实干密度相比几乎相等，甚至超过最佳含水量下的最大干密度。因此可以初步认定风积沙的最大干密度的确定方法可以采用干振法，这一结论与重型标准击实、底部振动结论基本吻合。

试验结果及研究结论

室内试验时，对风积沙最大干密度值的确定分别采用了标准重型击实法、底部振动法、表面振动仪法，其中振动法采用了两种不同型号的振动台进行了多种影响因素的对比试验，对不同试验条件下的试验结果进行了分析，总结出了其影响风积沙干密度的规律，对不同试验方法所得研究结论归纳如下：

(1)标准击实法

风积沙采用击实法确定的最大干密度为1.712g/cm³，最佳含水量为12.11％。

(2)表面振动法

采用不同表面单位压力进行不同含水量情况下的振动试验，获得不同含水量状态下风积沙最大干密度值；当含水量为0％时(干沙)分三层填料，表面单位压力在13.8KPa获得最大干密度值为1.693g/cm³，湿沙时，表面单位压力在7.0KPa时三层填料获得最大干密度值为1.701g/cm³。

(3)底部振动台法

试验时，对风积沙在不同含水量、振动时间、表面单位压力、级配、填料方法及振动台振动频率、振幅等情况下进行了分析，总结出了各因素对干密度值的影响规律，经归纳，关于最大干密度值的确定得出下列结论：

①风积沙在干燥状态下振动试验可获得较标准重型击实大的干密度值，这也与沙漠地区天然含水量偏低相吻合，也符合施工现状；

②振动台加速度建议为4.0g，表面单位压力采用4.0KPa；

③随振动时间的延长风积沙干密度出现振实-振松-振实现象；

④分三层填料振动试验所得干密度值要明显大于一层填料试验结果；

⑤底部振动法(振动台试验结果)在不同试验条件下所得风积沙干密度值变化较大，但由于其影响因素较多，试验条件不同时密度变化范围为1.65～1.84g/cm³之间。

(4)试验方法的比较

由上述可知，不同的试验方法对于同一种风积沙沙样所得的最大干密度值也有差异，对于振动台时由于试验条件的不同所得干密度值也不同。对三种试验方法得到的风积沙最大干密度的试验结果来看，振动法、击实法优于表面振动法。

风积沙最大干密度的确定方法

《公路土工试验规程》规定振动台法适用于通过0.074mm标准筛的质量百分数不大于15％的无粘性自由排水粗粒土和巨粒土，这也说明并非所有的风积沙都适用振动台法。依据重型标准击实法所得试验结果，风积沙的级配对最大干密度影响较为明显，A、B、C三种集料的组成比例不同，所得干密度值差异较大。振动台振动试验可知，细集料含量不同所得干密度值也有差异，当A、B两种集料含量较为接近时，相同试验条件下得到的干密度值较其它比例组成的风积沙所得干密度值大，由此说明级配的变化直接影响着风积沙干密度的变化，应对振动台法确定风积沙的试验级配范围进行研究。为此，对重型标准击实和振动法所得试验结论，进行比较分析，总结出分别适用于重型击实和振动台法的分界点，进而推荐出试验方法和步骤。

风积沙最大干密度确定方法选用原则

振动台法可以利用较小的击实功使风积沙的颗粒重新排列，从理论上说，振动法获得的最大干密度值应始终大于重型击实法获得的最大干密度值；但重型击实的击实功相对较大，因而对于一般的粘性土，重型击实更适用一些。因此，如果风积沙中粒径小于0.074mm含量越大，其某些性质应越接近粘性土的性质。不断改变小于0.074mm粒径的颗粒含量，采用两种试验方法进行对比，振动试验时应用能够调幅、调频的振动台，表面单位压力13.8KPa，振动2分钟，频率为50Hz，振幅0.8mm。所得干密度变化规律详见表24及图6：

表24不同细集料颗粒含量对干密度试验结果表

从上述结果可以看出，当风积沙中粒径小于0.074mm含量在23％时两种试验方法结果相同，小于0.074mm的含量超过23％时，重型击实所得最大干密度要超过底部振动所得最大干密度。因此，可以说，当风积沙中粒径小于0.074mm含量超过23％时，更适用于重型击实。因此可以确定风积沙最大干密度试验方法选用原则：

(1)标准击实法。适合于风积沙中粒径小于0.074mm含量超过23％的风积沙试样。

(2)振动台法。适合于风积沙中粒径小于0.074mm含量低于23％的风积沙试样。

风积沙最大干密度的试验方法的确定

利用击实试验、底部振动试验、表面振动试验的研究结论及振动台法确定风积沙最大干密度的试验条件，风积沙的压实特性及最大干密度确定方法如下：

(1)不论采用重型标准击实还是振动压实，风积沙干密度随含水量的变化可都得到一条双驼峰的压实曲线，峰值分别产生在含水量为零及最佳含水量处，这是风积沙的特有性质。

(2)对风积沙的压实，底部振动要优于重型击实及表面振动。尤其当风积沙含水量为零时，底部振动要明显优于重型击实。底部振动在含水量为零时所得最大干密度与最佳含水量时所得最大干密度相比较为接近，甚至超过最佳含水量时所得最大干密度值。

(3)随着风积沙中粒径＜0.074mm的颗粒质量百分含量的增加，振动压实的最大干密度逐渐减小。因此确定风积沙最大干密度的试验方法可分为重型击实法和底部振动法，可根据0.074mm的颗粒含量选定。

(4)确定风积沙最大干密度的试验仪器分为两类：一是标准击实仪及附属设备。二是底部振动台及击实筒、配重块等附属设备。其中重型标准击实法的试验方法、步骤及试验仪器应严格按照《公路土工试验规程》的规定进行。根据我们对陕西、内蒙、新疆的风积沙原材料试验情况，一般天然级配的风积沙小于0.074mm的颗粒含量不会超过23％。因此，风积沙的最大干密度一般采用干振法确定。

干振法确定风积沙最大干密度的试验方法及仪器

根据风积沙具有的压实特性，特制定确定最大干密度的试验方法和仪器如下：

适用范围

此方法确定的风积沙最大干密度值用于衡量风积沙在天然含水量状态下(或洒水状态下)机械分层碾压的压实情况。

仪器设备

(1)小型振动台。外型尺寸50×50cm，振动频率2860次/min，振幅大于0.4mm(或振动台的加速度大于4g)，最大载重75kg，固定于砼基础上，且具有足够刚度。

(2)试模。试模采用《土工试验规程》中粗粒料标准击实筒。主要包括试筒、套筒、底板等。试筒内直径15.2cm，高度17cm。套筒内径与试筒相同，高5cm，套筒与试筒应配套一致，且与试筒紧密固定后内壁成直线连接，底板为标准击实筒所配置的底板。

(3)配重.由不同重量、直径为15.1cm的铸铁块制成。要求表面光滑，由铁杆穿起，便于提拿。在能于沙体表面配制到规定的单位压力。

(4)其它工具如：秒表、烘箱、天平、台秤、试样盘、毛刷、刮刀、铝盒、平直尺、筛子等试验所用工具。

试验方法的验证

为了验证室内试验所得的规律，在榆靖高速公路试验路段选取实体工程路段施工所用典型风积沙，结合依托工程实际情况，用不同的试验方法进行最大干密度试验。

重型标准击实试验

试验仪器和方法

试验所用风积沙的级配如表25：

表25风积沙物理性质试验结果表

试验时按照《公路土工试验规程》规定的方法进行标准击实试验，按临时加水、临时加水重复使用、预先闷料等不同情况分别进行击实，在振动试验过程中为了取得较为准确的振动密度均采用直径15cm击实筒进行振动试验。在人工击实时同样也采用了直径15cm标准击实筒进行击实试验以便进行对比。直径15cm击实筒采用《土工试验规程》规定的标准击实筒，直径15.2cm，体积2177cm³，人工击实时按《规程》规定采用3层×98次进行击实。

结论

(1)不同直径的击实筒所做标准击实，击实曲线均为两个峰值，在相同的条件下由直径10cm击实筒得到的最大干密度值大于直径15cm击实筒得到的最大干密度值如表26。

(2)建议采用直径10cm击实筒预先闷料击实试验作为风积沙的击实试验方法，这也与《规程》规定方法相一致。

(3)重复使用所得最大干密度值偏大。这是因为风积沙材料在试验过程中重复使用，反复烘干所致。风积沙反复烘干后，沙颗粒变得很脆，在击实锤的冲击力作用下，容易击碎，导致风积沙级配发生变化。

表26试验路风积沙击实试验结果(单位：g/cm³)

击实筒类型	临时加水不重复试用	临时加水重复试用	预先闷料
				直径10cm	1.696	1.714	1.709
直径15cm	1.661	1.661	1.660

底部振动试验

底部振动的试验方法参照室内试验研究结论，在实体工程施工时购置了一台市场上已有的振动台，试验时对风积沙在干燥、不同含水量情况下分别进行振动试验，为适应水坠法施工质量控制的要求，在饱水状态下也进行振动试验。

试验仪器和方法

试验仪器

底部振动试验时采用石家庄长安建筑仪器厂生产的砼振动台，外型尺寸500×500mm，振动频率2860次/分，振幅0.3-0.6mm，最大载重75kg，振动加速度为3.0g。主要试验步骤如下：

试验步骤

(1)备料  按不同的振动方式要求备料。干燥振动时需将集料全部烘干。对不同含水量状况下的振动试验可采取闷料方式或临时加水方式。饱水振动试验时对集料原有含水量不做要求。不同的振动方式所用的试样均是筛过的干净风积沙。

(2)振动试模的选择  振动试验时风积沙在试模不同位置均受到相同的振幅、频率的振动，也可以说振动效果是相同的，另一方面，标准的直径15cm击实筒与直径10cm击实筒高度接近，仅是击实筒直径相差较大。为了更能有效、较为准确地计算不同振动方式下的振动密度，试验时我们采用了标准的粗粒料的击实筒(直径15cm击实筒)。击实时将原先垫块取掉，经测试直径15.23cm，高度17.028cm，体积3101.3cm³。

(3)填料  根据不同的振动方式(干振、加水振动、饱水振动等)采用分层、不分层两种方式加料。

(4)振动时间  不同振动方式的振动时间一般分为0.5分钟、1、2、4、6、8分钟等。

(5)资料整理  按不同的振动方式、振动时间、填料方式分别绘制出不同情况下的振动曲线，确定出最大干密度和对应的最佳含水量。

底部振动试验结果

干振试验

将试验用试样在试验前全部烘干，试验时按试模固定和不固定两种状况分别试验。

(1)固定振动试验

试验时将标准试模固定在振动台上，振动时试模与振动台同步振动，在不同表面单位压力，分层方式的试验结果见表27。

表27固定试模振动试验结果表(单位：g/cm³)

(2)不固定试模振动试验

试验时试模在振动台上不固定，随振动台的振动试模随意移动，试模的振幅、频率与振动台不一致，各种不同情况下振动试验结果见表28。

表28不固定试模振动试验结果表(单位：g/cm³)

从以上试验结果可知：含水量为0％时与室内振动台试验结果基本吻合，对试验结果分析，可得到以下结论：

①在不同的表面单位压力下，随振动时间的延长干密度增大，振动6分钟时增至最大。不加表面压力最大干密度较小，表面单位压力大小对最大干密度影响较小，表面压力为4KPa可得到较大干密度值。

②在同等状况下分3层所得的最大干密度值大于一次填料方式所得干密度。

③对于此振动台，固定试模后相同试验条件下所得干密度值小于不固定试模试验结果。

不同含水量条件下试验

试验时按初步拟定的不同含水量进行备料，根据人工击实试验结果，闷料与临时加水对试验结果影响甚微，可以不予考虑。试验时均采取临时加水配料方式进行试验。

(1)固定试模振动试验

根据干振试验结果，分层状况下所得到的干密度值较大，一般情况下6分钟振动后可得最大干密度值。试验时分为3层、振动6分钟、加载13.8KPa在不同含水量状况下进行振动试验，试验结果如表29。

表29固定试模分3层振动试验结果表

含水量(％)	2.13	3.69	6.05	7.82	10.01	12.26	14.04
								干密度(g/cm3)	1.62	1.65	1.66	1.68	1.73	1.73	1.72

(2)不固定试模振动试验

试验时按不同振动时间、含水量状况分别进行振动试验，依据干振试验结果分3层时所得干密度值较大，因此不同含水量情况下振动试验均按分3层填料进行振动试验，表面单位压力分别采用4.0KPa、13.8KPa两种情况进行试验。

表面单位压力4.0KPa时，振动时间4、6、8、10分钟试验结果分别见表27、28、29、30。

表27  4分钟振动试验结果表

含水量(％)	0	2.10	4.05	6.0	2.95	10.05	11.8	14.05	15.9
										干密度(g/cm3)	1.778	1.637	1.646	1.657	1.668	1.670	1.694	1.702	1.694

表28  6分钟振动试验结果表

含水量(％)	0	2.1	4.1	6.0	8.0	9.8	11.8	13.8	15.6
										干密度(g/cm3)	1.776	1.65	1.657	1.665	1.675	1.686	1.701	1.714	1.711

表29  8分钟振动试验结果表

含水量(％)	0	1.75	4.1	6.05	7.5	9.8	11.85	14.1	15.85
										干密度(g/cm3)	1.783	1.641	1.649	1.659	1.669	1.675	1.702	1.716	1.701

表30  10分钟振动试验结果表

含水量(％)	0	1.75	3.95	6.0	7.9	9.95	14.05	15.85
									干密度(g/cm3)	1.773	1.640	1.650	1.660	1.671	1.677	1.721	1.708

(3)试验结果

通过固定试模和不固定试模情况下不同振动时间、不同表面单位压力试验结果的比较，可得到以下结论：

①同等条件下固定试模所得到的最大干密度值较不固定试模所得的最大干密度值小。

②不固定试模在相同表面单位压力情况下随振动时间的延长所得最大干密度值基本不变，最佳含水量值均为0％，即在干燥状态下分层振动干密度值最大。

③如表31所示，表面单位压力对最大干密度值影响较小。

表31  不同含水量最大干密度试验结果汇总表

④分三层填料情况下固定试模所得最大干密度值较人工击实所得的最大干密度值大。

⑤底部振动的最大干密度确定方法推荐为：不固定试模，分三层，表面单位压力4.0KPa，所得建议最大干密度值1.783g/cm³，最佳含水量为0％。

试验结果的比较

通过不同情况下人工击实试验、底部振动、多种组合条件下的试验，对试验结果进行小结、归纳，得出不同情况下所得最大干密度值和最佳含水量如下：

(1)人工击实

小型标准击实筒所得最佳含水量11.7％，最大干密度1.712g/cm³。由于风积沙中＜0.074mm颗粒含量普遍小于23％，因此标准击实法不适用于风积沙最大干密度的确定。

(2)底部振动

通过对底部振动台不同情况下(干燥状况、加水、饱水、固定试模、不固定试模等)振动试验结果的分析、总结，在不固定试模分三层、表面压力4KPa情况下可得最大干密度值为1.783g/cm³，最佳含水量为0％。在饱水状态下，不固定试模、振动6分钟可得最大干密度值为1.809g/cm³。经工地实际验证，采用振动台法确定风积沙最大干密度值是可行的，可以指导施工。与击实法所确定的最大干密度值相比较，工地施工所计算的压实度较为合理。

(3)工地试验时，也对表面振动进行了不同含水量、饱水、不同填料方式的振动试验，所得干密度值在1.584～1.605g/cm³之间，远远小于工地现场压实的干密度值，因而，该方法不能作为确定风积沙最大干密度的依据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种风积沙最大干密度的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)1)取沙样经过筛后，筛孔为2mm，将试样在105～110℃下烘干后备用，其烘干时间不少于6h；

2)将振动台固定于砼基础上；

3)将试模固定于振动台上；

4)填料：填料采用三次填料，最后一次填料将风积沙填满试筒并高出试筒约2-3cm；

5)振动：将配重垫块放于沙样上，启动振动台，振动时间分为1、2、3、4、6、8min；

6)刮平：按拟定的不同时间振动结束后，取掉5cm高的活动套筒，采用刮刀、平直尺沿试筒上沿口刮平；

7)称重：用毛刷将试模外缘及底板周围风积沙刷干净，用台称称取试筒风积沙及底板重量，并称取试筒和底板自重计算出风积沙干重；

8)干密度计算：干密度计算时按下列公式

干密度(g/cm³)＝风积沙重量(g)/体积(cm³)

9)绘制振动曲线：以干密度为纵坐标，以振动时间为横坐标绘制出干密度与振动时间关系曲线，曲线上的峰值点为最大干密度和最佳振动时间。

2.根据权利要求1所述的风积沙最大干密度的试验方法，其特征在于，步骤2)中所述的振动台外型尺寸50×50cm，振动频率2860次/min，振幅大于0.4mm或振动台的加速度大于4g，最大载重75kg。

3.根据权利要求1所述的风积沙最大干密度的试验方法，其特征在于，步骤3)中所述的试模主要包括试筒、套筒、底板，试筒内直径15.2cm，高度17cm，套筒内径与试筒相同，高5cm，套筒与试筒应配套一致，且与试筒紧密固定后内壁成直线连接，底板为标准击实筒所配置的底板。

4.根据权利要求1所述的风积沙最大干密度的试验方法，其特征在于，步骤5)中所述配重垫块直径为15.1cm。

5.根据权利要求1所述的风积沙最大干密度的试验方法，其特征在于，步骤6)中刮平时刮平刀方向应相互垂直。

6.根据权利要求1所述的风积沙最大干密度的试验方法，其特征在于，步骤7)中也可将风积沙倒出后直接称取风积沙重量。

7.根据权利要求1所述的风积沙最大干密度的试验方法，其特征在于，步骤9)中如果曲线不能绘出明显的峰值点时应进行补点或重作。

8.根据权利要求1-7任一项所述的风积沙最大干密度的试验方法，其特征在于，所述试验应以三次平行试验结果的平均值作为风积沙在干振条件下的最大干密度值，若三次平行试验所得最大干密度值相差大于0.03g/cm³，应重做。

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