CN103364308A - 一种基于压实功等效的风积砂最大干密度确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于压实功等效的风积砂最大干密度确定方法，包括以下步骤：1）根据风积砂含水量确定试样的振动方式；2）采用标准筛分法测定试样各粒组的颗粒重量百分数；3）根据《公路土工试验规程》进行不同的振动试验，并分别计算不同振动试验产生的压实功；4）基于压实功等效原则反算振动时间；5）根据计算的振动时间选用不同的最大干密度试验方法并试验；6）对比试验结果，并对试验结果进行分析；7）将试验结果通过试验路段验证，验证合格后实际路段施工。本发明的有益效果为：试验结果具有可比性；基于压实功等效原则确定的最大干密度试验方法更符合室外施工实际；无需专门加工技术参数可调的仪器；接近于现场振动碾压的实际情况。
Description
技术领域
本发明涉及基础工程和岩土工程路基技术领域，具体涉及一种基于压实功等效的风积砂最大干密度确定方法。
背景技术
风积砂路基填料最大干密度值确定的合理与否，直接影响工程技术人员对其压实效果的判断。若确定的最大干密度值偏小，即利用较小的压实功就能达到要求的压实度标准，则在路基压实度检测时会出现严重的“超百”现象，容易把“不合格”判定为“合格”，最终影响对工程质量的评定；若确定的最大干密度值偏大，即使在压实功足够大的情况下也很难达到规定的压实度标准，则在路基压实度检测时会出现“严重不足”现象，一方面盲目增大压实功会导致施工成本增加，另一方面，所得的压实度表面上偏小，达不到规范规定值，监理人员和建设单位会担心在此压实度条件下，能否保证路基稳定并满足强度和耐久性要求，这给工程验收带来许多不便。
风积砂路基填料最大干密度取值主要由内因和外因决定。内因是指风积砂的工程性质，主要包括级配及含水量；外因是指室内最大干密度值试验方法及与室外施工压实功的匹配，具体包括风积砂最大干密度试验的击实方式、击实时间、击实仪器类型及技术参数、碾压设备吨位、碾压方式及碾压遍数等。不同性质的风积砂，即使采用相同的最大干密度试验方法，得到的最大干密度值也不尽相同；同一性质的风积砂采用不同的最大干密度试验方法，得到的最大干密度值也有差异。因此，针对不同性质的风积砂，合理确定其最大干密度值至关重要。
按照目前交通部颁布的《公路土工试验规程》（JTJ E40-2007），路基土颗粒最大干密度值确定方法主要分为三大类：一，击实试验，此试验方法适用于细粒土。其中，轻型击实试验适用于粒径不大于20mm的土，重型击实试验适用于粒径不大于40mm的土；二、表面振动压实仪法，此方法是测定粗粒土和巨粒土最大干密度的试验方法；三、振动台法，此方法是测定粗粒土和巨粒土最大干密度的比选试验方法。后两种方法均适用于通过0.075mm标准筛的干颗粒质量百分数不大于15%的无粘聚性自由排水粗粒土和巨粒土，两者又具体分为干土法（干振）和湿土法（不同含水量振动及饱水振动）。对于粒径主要集中在0.075mm~1mm的风积砂按土的工程分类属于粗粒土中的砂类土，采用击实试验确定其最大干密度显然不合理。当采用击实法试验时，击实容易振起风积砂，同时将表面振松，当含水量增加时，锤击风积砂四处飞溅，有时还会粘附在击锤上，造成击实功浪费。采用表面振动压实仪法和振动台法确定风积砂最大干密度时，规范规定如下：当采用表面振动压实仪法确定其最大干密度时，振动器的功率为0.75~2.2kW，振动频率为30~50Hz，激振力为10~80kN，振动电机与其上夯板的总重在试样表面产生18kPa以上的静压力。干法和湿法的振动时间均为6min；当采用振动台法确定其最大干密度时，规定振动台的频率20~60Hz可调，双振幅0~2mm可调。设定振动台在振动频率50Hz下的垂直振动双振幅为0.5mm，振动时间为10min，或设定振动频率60Hz下的垂直振动双振幅为0.35mm，振动时间为8min。
《公路土工试验规程》（JTJ E40-2007）对三种土颗粒最大干密度试验方法的适用条件、试验仪器、技术参数、试验步骤及试样要求都进行了较为详细的介绍。但仍存在以下不足：一，未对后两种振动法的优缺点及各自的适用条件做进一步阐述；二、未对粗粒土和巨粒土做进一步划分，没能考虑小于0.075mm粒径颗粒含量对最大干密度值的影响；三、未对干法和湿法的适用条件做进一步论述，没能考虑风积砂含水量对最大干密度值的影响；四、未对两种振动方法产生的击实功大小做详细分析，其产生的振动击实功是否与室外施工压实功等效不得而知；五、振动时间的确定较为笼统，未能根据不同的振动方式、风积砂级配、含水量及仪器参数做详细规定与区分。此外，相关研究表明：对于风积砂而言，在试验方法确定的情况下，随着振动时间的延长其最大干密度值会随之增大但存在过振现象，说明振动时间并非越长越好；六、对于表面振动压实仪法和振动台法，规范只是给出了振动器及振动台技术参数（功率、振动频、率振幅及激振力）取值的大致范围，没能针对不同情况给出确切值，而且规范规定振动台的频率和振幅是可以调节的。这导致在实际操作时试验仪器技术参数取值随意性较大，而且一般试验仪器在出厂时其技术参数已经确定，很难人工调节。除非专门定制技术参数可调的试验仪器，但这样无疑会增加成本。国内外专家学者对风积砂最大干密度的试验方法进行了大量研究。均是采用以上三种方法分别对风积砂进行最大干密度试验，取三者最大值做为最大干密度值以指导路基压实度检测。其存在的问题有：一、对风积砂分别进行不同方法的最大干密度试验，无疑会增大室内试验的工作量；二，将试验结果进行对比时，未针对不同试验方法及仪器参数对其产生的压实功进行分析，振动时间的确定较为随意，因此，得到的试验结果没有可比性；三、未结合室外施工实际进行分析，由此确定的最大干密度值可能远远大于或小于室外干密度值，导致路基压实度难以检测。因此，针对不同性质的风积砂，在规范及原有研究成果的基础上，研究更为合理的风积砂最大干密度试验方法意义深远。
发明内容
本发明的目的是弥补现有技术及规范的不足，针对冲积平原地区风积砂的特点，提出一种风积砂最大干密度的确定方法。本发明结合沙漠地区现有技术所取得的研究成果，风积砂在振动状态下可以获得相对较大的干密度值。采用击实法进行对比试验，同时进行表面振动压实仪法和振动台法试验。通过击实试验，基于击实功等效原则，建立室外施工实际与室内振动压实试验的关系。在相同的压实功作用下对比不同试验方法得到的最大干密度值，同时分析试验条件对试验结果的影响，进而分析室内试验结果与室外施工实际的关系，最后推荐出与工地现场所获试验结果相对应的风积砂最大干密度值确定方法。在此基础上，确定试验条件和试验方法，为进一步研究冲积平原风积砂压实标准和施工工艺创造条件。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种基于压实功等效的风积砂最大干密度确定方法，包括以下步骤：
1）检测风积砂试样的天然含水量，根据含水量确定试样的振动方式；
2）采用标准筛分法测定试样各粒组的颗粒重量百分数；
3）根据《公路土工试验规程》进行不同的振动试验，并分别计算不同振动试验产生的压实功；
4）根据3）中采用仪器的类型及技术参数，基于压实功等效原则反算振动时间；
5）根据计算的振动时间选用不同的最大干密度试验方法并试验，步骤4）中，压实功等效原则是指：通过击实试验原理与室外施工实际的关系，利用击实法、表面振动仪法及振动台法的压实功等效原则，建立表面振动仪法、振动台法与室外施工实际的联系；步骤4）中，所述的振动时间确定方法为：当基于压实功等效原则反算的振动时间大于风积砂过振时间时，风积砂振动试验采用的振动时间取反算时间；当基于压实功等效原则反算的振动时间小于风积砂过振时间时，风积砂振动试验采用的振动时间取过振时间；
6）对比试验结果，并对试验结果进行分析；以及
7）将试验结果通过试验路段验证，验证合格后实际路段施工。
进一步的，步骤1）中，当风积砂试样的天然含水量接近零时，选择干法振动，其余情况选择湿法振动。
进一步的，步骤2）中，测定粒径小于0.075mm试样的颗粒重量百分数。
进一步的，步骤3）中，振动试验方法包括标准重型击实法、标准轻型击实法、干法表面振动法、不同含水量下的表面振动法、饱水表面振动法、干法振动台法、不同含水量下的振动台法及饱水振动台法，其中振动台法在试样表面不加配重块。
进一步的，步骤4）中，所述仪器的类型包括击实仪、表面振动仪及砼振动台；所述技术参数包括击实仪的分层数、每层击数、击实锤锤重及击实锤落差，表面振动仪的激振力、振幅及频率、砼振动台的振幅及频率。
本发明的有益效果为：分析计算不同试验方法产生的压实功，在压实功相等的条件下进行风积砂最大干密度试验，试验结果具有可比性；
根据风积砂的级配及含水量，分析不同试验方法的优缺点和适用条件；基于压实功等效原则确定的最大干密度试验方法更符合室外施工实际；
试验采用常规仪器，可以有效利用生产单位已有的仪器设备，无需专门加工技术参数可调的仪器；
表面振动压实试验，风积砂按三层方式填筑，三层填筑时，风积砂的最大干密度明显大于一层填筑，且更接近于现场振动碾压的实际情况；
以不同含水量时对应的最大干密度作为冲积平原风积砂路基现场压实质量评定标准经济合理。采用不同含水量下的最大干密度来评定风积砂路基质量符合工程实际且较为经济。
附图说明
下面根据附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明实施例所述风积砂重型击实曲线；
图2是本发明实施例所述风积砂不同含水量下的的表面振动压实试验曲线；
图3是本发明实施例所述风积砂不同含水量下的振动台法试验曲线；
图4是本发明实施例所述试验路风积砂重型击实曲线；
图5是本发明实施例所述试验路风积砂不同含水量下的表面振动压实试验曲线；
图6是本发明实施例所述试验路风积砂不同含水量下振动台法试验曲线；
图7是本发明实施例所述基于压实功等效的风积砂最大干密度确定方法的流程图。
具体实施方式
本发明实施例所述的基于压实功等效的风积砂最大干密度确定方法，参照目前交通部颁布的《公路土工试验规程》（JTJ E40-2007）提供的确定路基土颗粒最大干密度方法，如图1-7所示，通过附图对本发明作进一步的详细说明。
确定试样振动状态：根据工程实际，测定风积砂天然含水量。沙漠地区风积砂天然含水量很低几乎为零，且水资源匮乏，建议优先采用干法确定其最大干密度；冲积平面地区风积砂天然含水量较沙漠地区大，建议采用湿法确定其最大干密度。
确定试样各粒组颗粒百分数：对试验进行标准筛分试验，确定各粒组颗粒的百分含量，尤其是粒径小于0.075mm颗粒的质量百分数。
确定最大干密度试验方法：当选择干法时，可采用表面干振压实法或者振动台干振压实法；当采用湿法时，可采用饱水表面振动压实法、饱水振动台法、不同含水量下的表面振动压实法及不同含水量下的振动台法。
不同压实方法的压实功析，击实试验：击实试验按照《公路土工试验规程》（JTJ E40-2007）规定的试验方法进行，试验时将砂样分层放入标准击实筒，采用一定重量的击实锤，利用落差对每层砂样进行若干次击实，作用于砂样的击实功可根据物理学方法计算，其计算公式如下：
单位体积击实功W=击锤重量×击锤落差×击实次数／击实筒体积。
表面振动压实试验：表面振动压实是指将牢固于振动电机上的夯板置于砂样表面，在振动电机激振力的带动下振动，在砂样表面做垂直振动从而对砂样表面形成连续冲击。冲击力在砂颗粒间以振动波的形式自上而下传播，冲击力克服砂粒间的摩擦力，使砂粒互相移动，逐渐靠近，变的密实。
电机激振力在竖直方向的投影为： 
。
风积砂一振动平板振动系统的惯性力：
。
式中：
——风积砂—振动平板振动系统的质量；
——振动系统的加速度。
风积砂材料内摩擦引起的阻力为：
式中：
——振动阻尼系数；
振动平板弹性所引起的恢复力，通常与力作用点离平衡位置的位移成正比例：
式中：
——比例系数。等于为得到单位平板挠度所加的力；
——位移。
假设振动平板不脱离风积砂表面工作，而所有的作用力位于系统的质心上，则简谐振动的运动微分方程为：
，
为求解方程式，引入如下方程式：
，
将运动微分方程乘以
，再将它与引入方程式相加，得：
利用欧拉公式：
，并引入复变量
，则方程式可写成复数形式：
方程右端代表复谐和扰力。寻求具有同样形式的定常复谐和响应，可将
表示为：
，
式中：
为复数振幅，它取决于
的取值。由于复谐和函数求导数有着极为简单的规则，即：，，
将、
及
带入微分方程，可得：
，
即有
，将其分母表示成复指数形式，即写成：
则有：
，
，
将上面两式带入方程式，有：
，
复数振幅
可表示为：
，
将上式带入求解
方程式中，从实部和虚部分别可得：
；
所以表面振动方程的解为：
，其中，
，
由此，在总激振力
作用下，移动距离时所做的微功
为：
将
带入前式，并求微分可得：
将此公式积分可得：
，
其中： 
，
故一个周期内： 
，
因此在一定的振动时间内，压实总功为：
单位体积的压实功为：
；
式中：
为风积砂的体积；
为振动台的振动时间（s）；为振动台的振动频率（Hz）。
振动台法：底部振动采用砼振动台进行。振动台是用电动机加一对相同的偏心轮组成并通过一对吊架联轴器安装在台面(反面)中心位置，振实过程中起着平稳、垂直方向的作用。电机带动载有偏心垫块的从动轴转动，从而产生激振力推动台面形成振动。为了研究方便，假设振动台简谐振动的运动规律。
在底部振动试验过程中，振动台对砂样所做的功在理论计算时，假定风积砂在振动过程中是一个密度均匀的整体，砂样与振动台同频、同幅振动，其运动方程与振动台相同，为：
。利用振动方程式，可推算出振动过程中振动台对砂样自重所做的功：
式中：为砂样的质量（kg）；为振动台的振动时间（s）；
为振幅；为角速度，
。
简谐振动在一个周期内位移受相位的影响，累计位移为零，担实际上振动台对风积砂是做了功的，一个周期内振动台对砂样所做的功可以看作是将风积砂4次从起点位置抬升至振幅高度，不考虑机械转动角度旋转过程，则压实功计算公式可简化为：
，
一个周期单位体积做的功可以按下式计算：
式中：为风积砂的体积。
因此，在一定的振动时间内，单位体积的压实功为：
式中：
为振动台的振动时间（min）；
为振动台的振动频率（Hz）；
为砂样密度。
基于压实功等效原则反算振动时间：路基土压实标准按重型、轻型两种标准击实试验方法确定，重型击实试验方法的压实功能相当于12~15t压路机的碾压效果。轻型击实试验方法的压实功能相当于6~8t压路机的碾压效果。我国《公路路基设计规范》（JTG D30—2004）针对不同情况提出了不同的压实度标准。其压实度均按《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）中重型击实试验法求得的最大干密度值计算。因此，为了与规范相一致，进行风积砂击实试验时采用重型击实试验，根据风积砂的最大粒径，选用重型Ⅱ-1试验方法。即砂样分五层装入击实筒，分5次击实，每层击数为27次，击实锤锤重4.5kg，击实锤落高45cm，击实筒体积为997cm3，根据标准击实功计算可知，重型击实时单位体积击实功为：
当采用表面振动法和振动台法确定风积砂最大干密度时，为了使其获得的最大干密度值与重型击实得到最大干密度值具有可比性并符合室外施工实际，同时为了参照《公路路基设计规范》提供的压实度标准评价路基压实度，振动压实产生的压实功应等于重型击实产生的压实功。即根据压实功等效原则，振动压实试验方法产生的单位体积压实功也应为
。因此，振动台法的振动时间可根据公式
推导得出，计算公式为：
同理，表面振动法的振动时间可根据公式
推导得出，计算公式为：
。 （式2）
根据表面振动仪及砼振动台的技术参数可及计算不同试验方法的振动时间，进而对风积砂进行不同试样方法的最大干密度试验。对于振动台法而言，其振动时间还与风积砂的密度有关。在一定条件下，含水量小，湿密度越小，振动时间越大。为了防止过振现象，风积砂密度取大值。
试验设备及方法：标准击实仪，锤重4.5kg，落差45cm，击实筒体积为997cm3，内径为10cm，高12.7cm。采用重型Ⅱ-1试验方法。
砼振动台：80cm*80cm的砼振动台，振动频率为2860次/min，振幅0.5mm，由功率为1.5千瓦、380V的电机提供动力。击实筒尺寸同标准击实筒大筒尺寸，内径为152mm。根据公式1可知砼振动台振动时间约为4min，未达到其过振时间，故振动时间仍取4min。当采用饱水振动台法时分一次振动击实，当采用不同含水量下的振动台法时，分三次振动击实。试样表面不加配重块。
表面振动压实仪：BZYS-4212型表面振动仪，振动频率30Hz，激振力3KN，振幅为0.5mm，静压力18Kpa以上，击实筒直径152cm，体积2830cm3。 根据公式2可知表面振动时间约为3min，未达到其过振时间，故振动时间仍取3min。风积砂分三层击实。
试验材料：风积砂级配为：小于0.075mm、0.075~0.25mm、0.25~0.5mm、0.5~1.0mm的质量百分含量分别为：6.0%、80.9%、12.1%、1.0%，其天然含水量一般在4%~7%。
根据风积砂的天然含水量大小，当采用干法进行最大干密度试验，须将风积砂烘干至干燥状态，这显然不经济。故采用湿法进行风积砂振动压实试验。
重型击实试验：表1为砂样重型击实试验结果表（单位：g/cm3），以三次平行试验的平均值作为试验结果，绘制击实曲线，得到图1。
表1 重型击实试验结果表
| 试验次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 平均含水量（%） | 2.2 | 4.1 | 5.9 | 8.1 | 9.9 | 11.9 | 14.1 | 15.9 |
| 平均干密度 | 1.679 | 1.662 | 1.668 | 1.675 | 1.678 | 1.684 | 1.684 | 1.679 |
不同含水量下的振动台法：表2为砂样在不同含水量下振动4min的振动台法试验结果表（单位：g/cm3），以三次平行试验的平均值作为试验结果，绘制击实曲线，见图2。
表2 4min不同含水量振动台法试验结果表
| 试验次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 平均含水量（%） | 2.2 | 4.0 | 6.0 | 7.9 | 9.9 | 12.1 | 13.8 | 16.0 |
| 平均干密度 | 1.652 | 1.654 | 1.657 | 1.662 | 1.666 | 1.671 | 1.672 | 1.670 |
饱水振动台法：表3为砂样饱水振动4分钟（min）的振动台法试验结果表（单位：g/cm3），进行多次重复试验直至获得一致的最大干密度值。
表3 4min饱水振动台法试验结果表
| 试验次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 干密度 | 1.837 | 1.836 | 1.836 | 1.836 | 1.836 |
不同含水量下的表面振动压实：表4为砂样在不同含水量下振动3min的表面振动压实试验结果表（单位：g/cm3），以三次平行试验的平均值作为试验结果，绘制振动曲线，见图3。
表4 3min不同含水量下的表面振动压实试验结果表
| 试验次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 平均含水量（%） | 2.2 | 4.1 | 5.9 | 8.1 | 9.9 | 11.9 | 14.1 | 15.9 |
| 平均干密度 | 1.795 | 1.799 | 1.810 | 1.814 | 1.817 | 1.820 | 1.824 | 1.819 |
饱水表面振动压实：表5为砂样饱水振动3min表面振动压实试验结果表（单位：g/cm3），进行多次重复试验直至获得一致的最大干密度值。
表5 3min饱水表面振动压实实验结果表
| 试验次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 干密度 | 1.823 | 1.825 | 1.825 | 1.825 | 1.825 |
试验结果分析：重型击实法得到的干密度偏小是因为：风积砂在含水量较小或完全干燥时呈松散状且粘聚性差，击实容易振起风积砂，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，甚至还会粘附在击锤上，造成击实功的浪费。
不同含水量下的振动台法得到的最大干密度值相比重型击实小。这是因为：振动台法采用底部振动，振动台对风积砂产生的击实功是自下而上传递的，其产生的效果远远小于自上而下振动产生压实效果及重型击实效果。在一定含水量范围内，随着含水量的增大其最大干密度值略有增大但增幅不明显。这是因为含水量较小时，影响风积砂颗粒间移动的阻力较大，随着含水量的增大，阻力逐渐减小，同时颗粒间的粘结力也随之增大，但当含水量增大到一定值时，其值略有减小，即存在一个干密度最大值，其对应的含水量即为最佳含水量。
采用表面振动压实仪法进行风积砂最大干密度时，在振动电机冲击力的作用下，风积砂中的细粒组颗粒会随着振动电机产生的冲击力填充于砂粒组颗粒之间，同时风积砂颗粒间的孔隙率也在冲击力的作用下减小。此外在进行第二层、第三层振动时，第一层及第二层风积砂分别经受了三次、二次冲击，这使得风积砂颗粒能够充分移动，相互挤密，从而达到最大干密度。
在一定的含水量范围内，表面振动得到的风积砂最大干密度值随着含水量的增大而增大。这是因为含水量较小时，影响风积砂颗粒间移动的阻力较大，随着含水量的增大，阻力逐渐减小而颗粒间的粘结力增大。但当含水量增大到一定值时，其值略有减小，即存在一个干密度最大值，其对应的含水量即为最佳含水量。
风积砂主要由砂粒组和少部分细粒组组成，根据压实机理可知：风积砂压实是指风积砂颗粒间的空隙达到最小从而实现最大密实度。因此，要使干密度值增大，可以通过两种途径解决：一是，风积砂的细粒组填充大的砂粒组颗粒空隙中间，二是砂粒组间的孔隙率达到最小。采用饱水振动台法进行风积砂压实时，砂粒组在水中处于自由半悬浮状态，除了承受自身重力、摩擦力外，还受到水浮力和孔隙水压力的作用。水的作用使风积砂颗粒间的摩擦力变得很小，再加上水的粘滞度比空气大得多，其对砂粒组运动的阻尼作用较大，这就削弱了砂粒组间的碰撞能量，促使砂粒组间的孔隙率达到最小从而到最大密实度。风积砂中细粒组含量较少，细粒组填充砂粒组空隙的作用不明显，振动压实主要是通过振动使风积砂砂粒组间孔隙率减小来实现最大密实度。而且在一定程度上，细粒组的存在会对砂粒组振动压实产生一定的抑制作用。因此，风积砂中细粒组含量越少，砂粒组起的主导作用越明显。风积砂饱水振动过程中，随着部分质量较轻的细粒组颗粒的上浮并被振出试筒外，风积砂级配也发生了变化，由此得到的最大干密度值偏大，从而影响试验结果的准确性。
为了与现行规范对应，进行不同表面单位压力下的的振动台法试验，不同表面单位压力通过放置在砂样表面的配重块实现，配重块质量不同产生的表面压力不同，表6为风积砂含水量为4%时，在不同表面单位压力下振动4min得到的干密度值（单位：g/cm3）
表6 含水量为4%振动4min振动台法试验结果表
| 表面单位压力（kPa） | 1.8 | 4.5 | 7.7 | 10.5 | 14.2 |
| 干密度 | 1.652 | 1.653 | 1.652 | 1.657 | 1.663 |
根据表6结果可知：当含水量为4%时，在配重块的作用下，其最大干密度大于未加配重块产生的最大干密度值。这是因为：放置在砂样表面的配重块自重阻碍了部分砂样的无规则跳跃，使其向向颗粒间的空隙填充，配重块产生的表面单位压力克服风积砂颗粒间的内摩阻力，使砂样变得密实。同时由于配重块自重的作用使实际振幅明显小于设定值，导致压实功有所降低。当配重块自重作用引起的压实功增大值等于振幅减小引起的压实功减小值，才能保证压实功等效。当单位表面压力分别为1.8、4.5和7.7 kPa时，最大干密度值变化不明显。这是因为：在单位表面压力较小的情况下，配重块与砂样之间几乎没有相对位移或位移很小，对砂样表面几乎没有形成冲击力或冲击力很小。但当配重块的质量达到一定值时，配重块在砂样表面形成的冲击力阻碍了风积砂颗粒间的无规则跳跃，并克服风积砂的的内摩阻力使使砂样变得密实。因此，随着配重块质量的增加，振动振幅不断减小，由此产生的冲击力不断增大，当冲击力增大引起的压实功增大值等于振幅减小引起的压实功减小值，才能保证压实功等效。综上所述，按此方法确定风积砂最大干密度值时压实功等效较难实现。试验表明其它含水量下的试验结果亦是如此。因此，不同含水量下的不同表面单位压力振动台法试验缺乏可操作性，此试验方法不予考虑。
结论：由表1~5及图1~3可知：当风积砂级配及试验仪器技术参数确定的条件下，压实功相同时，饱水振动台法得到的最大干密度值最大（1.825 g/cm3），其次是表面振动压实法，其中不同含水量下的表面振动与饱水表面振动所得到的最大干密度值较为接近，随之是重型击实法（1.685 g/cm3），不同含水量下的振动台法得到的最大干密度值最小（1.672 g/cm3）。由此得出，该风积砂最大干密度值由表面振动压实法确定。
试验结果进一步验证：为了对试验结论进行验证，选取不同级配的风积砂进行验证试验。风积砂天然含水量约为5%，因此，采用湿法进行振动试验。试验仪器类型、技术参数及振动时间同上。
表7为不同风积砂工程性质特点，其小于0.075mm粒径颗粒含量均小于15%。
表7 风积砂工程性质特点
| 风积砂种类 | 小于0.075mm颗粒的质量百分含量（%） | 0.075~0.25mm颗粒的质量百分含量（%） | 0.25~0.5mm颗粒的质量百分含量（%） | 0.5~1.0mm颗粒的质量百分含量（%） |
| A | 8.2 | 78.9 | 10.2 | 2.7 |
| B | 10.1 | 81.2 | 7 | 1.7 |
| C | 12.3 | 79 | 8.1 | 0.6 |
| D | 14.1 | 77.3 | 7.3 | 1.3 |
表8为不同压实方法的最大干密度试验结果（单位：g/cm3）。
表8 不同压实方法的最大干密度试验结果表
对表8进行分析，可以得到以下结论：
（1）对于不同级配的风积砂，不同试验方法得到的最大干密度值大小为：饱水振动台法得到的最大干密度值最大，其次是表面振动压实法，其中不同含水量下的表面振动与饱水表面振动得到的最大干密度值接近，随之是重型击实，不同含水量下的振动台法得到的最大干密度值最小。
（2）根据击实原理，风积砂中细粒组含量的增大直接导致风积砂中粘聚力增大，其某些性质越接近于粘性土的性质。因此重型击实得到最大干密度随着细粒组含量的增加而增大，但因细粒组含量增幅有限，故重型击实得到的最大干密度值增幅较小；对于振动击实试验来讲，随着风积砂中细粒组含量的增加，虽然更多的小颗粒能够填充风积砂大颗粒的空隙中去，但其填充对风积砂振动密实所起的作用小于砂粒组颗粒对振动密实所起到的作用，尤其对于饱水振动台而言，虽然一部分细粒组会随着水被振出试筒外，但滞留在试筒内的细粒组产生的粘聚力会严重削弱砂粒组在水中振动时对风积砂密实起到的主导作用。因此随着细粒组含量的增大，振动法得到的最大干密度会随之减小直至减小到其天然干密度。
当采用饱水振动台法确定风积砂最大干密度时，风积砂中细粒组含量越少，被水振动的细粒组就越少，试验采用的风积砂就越接近于室外工程实际，由此得出最大干密度值也越大。当风积砂中细粒组含量≤5%时，建议采用饱水振动台法确定其最大干密度。
对于0.075mm粒径颗粒含量小于15%且具有一定含水量的风积砂来说，选用表面振动压实法确定其最大干密度。
试验方法的验证：为了对室内试验结果进行验证，在陕西韦罗高速公路实体工程路段选取具有代表性的风积砂，结合依托工程的实际情况，进行不同方法的最大干密度试验。试验所用风积砂级配如表9。
表9风积砂物理性质试验结果表
试验仪器及方法
重型击实试验：击实采用重型Ⅱ-1试验方法。锤重4.5kg，落差45cm，击实筒体积为997cm3，内径为10cm，高12.7cm。试验时按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）规定的方法进行重型击实试验。以三次平行试验的平均值作为试验结果，绘制击实曲线，见图4。
表10试验路风积砂重型击实试验结果（单位：g/cm3）
表10 试验路风积砂重型击实试验结果表
| 试验次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 平均含水量（%） | 2.1 | 4.1 | 6.0 | 8.2 | 10.1 | 12.1 | 14.0 | 15.9 |
| 平均干密度 | 1.679 | 1.664 | 1.671 | 1.676 | 1.679 | 1.685 | 1.686 | 1.680 |
表面振动压实：实体工程施工时购买了一台市场上已有的表面振动压实仪。采用北京世纪诚达试验仪器制造有限公司生产的型号为BZYS-4212的表面振动击实仪，振幅为0.4mm，振动频率40Hz，激振力3KN，击实筒直径152cm，体积2830cm3。根据含水量情况采用湿法进行最大干密度试验。根据仪器技术参数利用公式2计算振动时间约为3min。
表11试验路风积砂不同含水量下的表面振动试验结果（单位：g/cm3），绘制振动曲线，见图5，表12为试验路饱水表面振动压实试验结果（单位：g/cm3）。
表11 试验路不同含水量下的表面振动压实试验结果表
| 试验次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 平均含水量（%） | 2.1 | 4.2 | 5.9 | 8.0 | 10.1 | 11.9 | 14.1 | 16.0 |
| 平均干密度 | 1.793 | 1.797 | 1.810 | 1.812 | 1.815 | 1.818 | 1.822 | 1.818 |
表12 试验路饱水表面振动压实试验结果表
| 试验次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 干密度 | 1.824 | 1.825 | 1.824 | 1.824 | 1.824 |
振动台法底部振动试验时采用北京康博德科技发展有限公司生产的混凝土振动台，外形尺寸为500×500mm,振动频率为2860次/分，振幅为0.4mm，最大载重75kg，根据含水量情况采用湿法进行最大干密度试验。根据仪器技术参数利用公式1计算振动时间约为4.5min。
表13为试验路风积砂不同含水量下的振动台法试验结果（单位：g/cm3），绘制振动曲线，见图6，表14为试验路饱水振动台法试验结果（单位：g/cm3）。
表13 试验路不同含水量下的振动台法试验结果表
| 试验次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 平均含水量（%） | 2.1 | 4.1 | 6.1 | 7.9 | 10.0 | 12.1 | 13.9 | 16.0 |
| 平均干密度 | 1.648 | 1.652 | 1.657 | 1.663 | 1.665 | 1.668 | 1.670 | 1.668 |
表14 试验路饱水振动台法试验结果表
| 试验次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 干密度 | 1.833 | 1.834 | 1.832 | 1.832 | 1.832 |
试验结果比较
通过对试验路风积砂进行重型击实试验、饱水振动台法压实试验、不同含水量下的振动台法试验、饱水表面振动压实试验及不同含水量下的表面振动压实试验，对试验结果进行小结、归纳，得出以下结论：
（1）重型击实法的到最大干密度值为1.686 g/cm3。（2）不同含水量下表面振动压实法的到的最大干密度为1.822g/cm3，饱水表面振动的到的最大干密度为1.824g/cm3。
（3）饱水振动台法得到的最大干密度值为1.832 g/cm3，不同含水量下的振动台法得到的最大干密度值为1.670 g/cm3 。
（4）工地试验时，也沿线风积砂进行了不同含水量下的重型击实试验、不同含水量下的表面振动压实试验及饱水振动试验。重型击实试验所得到的最大干密度在1.682~1.701 g/cm3之间，其值远远小于工地现场压实的干密度值，饱水振动得到的最大干密度在1.820~1.841 g/cm3之间，远远大于工地现场压实的干密度值。而振动压实法的到的最大干密度值与工地现场现场压实的干密度值接近。当采用水坠法施工时，采用饱水表面振动得到的最大干密度计算压实度，当采用最佳含水量法施工时，采用不同含水量下的表面振动压实法得到的最大干密度计算压实度。
（5）对依托工程沿线的风积砂进行筛分试验，结果表明：其粒径主要分布在0.075~0.25mm范围内，约占80%~90%，风积沙中细粒组含量极少，基本上在5%~15%，其级配和室内试验所用的风积砂接近。含水量约在在4%~7%，采用湿法施工较为合理。
（6）工地试验时，基于压实功等效原则，采用12吨的振动压路机对试验路进行碾压，碾压后经工地压实度验证，采用表面振动试验确定最大干密度是可行的，用其计算压实度较为合理。
本发明不局限于上述不同实施方式，本发明所采用的压实功相当于12~15t压路机的碾压效果，当采用大吨位的压路机时，可通过增加振动时间以使产生的压实功与工地实际情况相匹配。但任何人在本发明的启示下，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之内。
Claims (5)
1.一种基于压实功等效的风积砂最大干密度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）检测风积砂试样的天然含水量，根据含水量确定试样的振动方式；
2）采用标准筛分法测定试样各粒组的颗粒重量百分数；
3）根据《公路土工试验规程》进行不同的振动试验，并分别计算不同振动试验产生的压实功；
4）根据步骤3）中采用仪器的类型及技术参数，基于压实功等效原则反算振动时间，压实功等效原则是指：通过击实试验原理与室外施工实际的关系，利用击实法、表面振动仪法及振动台法的压实功等效原则，建立表面振动仪法、振动台法与室外施工实际的联系，所述的振动时间确定方法为：当基于压实功等效原则反算的振动时间大于风积砂过振时间时，风积砂振动试验采用的振动时间取反算时间；当基于压实功等效原则反算的振动时间小于风积砂过振时间时，风积砂振动试验采用的振动时间取过振时间；
5）根据计算的振动时间选用不同的最大干密度试验方法并试验；
6）对比试验结果，并对试验结果进行分析；以及
7）将试验结果通过试验路段验证，验证合格后实际路段施工。
2.根据权利要求1所述的基于压实功等效的风积砂最大干密度确定方法，其特征在于：步骤1）中，当风积砂试样的天然含水量接近零时，选择干法振动，其余情况选择湿法振动。
3.根据权利要求2所述的基于压实功等效的风积砂最大干密度确定方法，其特征在于：步骤2）中，测定粒径小于0.075mm试样的颗粒重量百分数。
4.根据权利要求3所述的基于压实功等效的风积砂最大干密度确定方法，其特征在于：步骤3）中，振动试验方法包括标准重型击实法、标准轻型击实法、干法表面振动法、不同含水量下的表面振动法、饱水表面振动法、干法振动台法、不同含水量下的振动台法及饱水振动台法，其中振动台法在试样表面不加配重块。
5.根据权利要求4所述的基于压实功等效的风积砂最大干密度确定方法，其特征在于：步骤4）中，所述仪器的类型包括击实仪、表面振动仪及砼振动台；所述技术参数包括击实仪的分层数、每层击数、击实锤锤重及击实锤落差，表面振动仪的激振力、振幅及频率、砼振动台的振幅及频率。
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