CN112067500A - 一种铁路粗粒土填料振动压实实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁路粗粒土填料振动压实实验装置及实验方法，根据施工现场的填料类型制备粗粒土填料试样；进行振动实验，记录填料干密度随振动时间的变化情况，采集振动压实过程中加速度随振动时间的变化情况；获取试样加速度幅值以及频谱特性，建立填料干密度的变化与加速度频谱谐波之间的对应关系；在实际压路机施工过程中，根据对应关系，由测量获得的加速度频谱变化获得填料压实度变化。本发明采用连续测距的方式，分析振动压实参数下填料的密度连续变化；采用振动加速度采集的方式，分析振动压实参数下填料的加速度幅值、频谱分析，为填料最优压实参数提供依据；联合密度变化、加速度变化的数据快速实时分析，为现场施工提供依据。

Description

一种铁路粗粒土填料振动压实实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及路基试验技术领域，尤其涉及一种铁路粗粒土填料振动压实实验装置及实验方法。

背景技术

截止到2019年底，我国高速铁路运营里程突破3.5万公里，其中路基超过1.0万公里。高等级的交通线路对路基变形控制严格，也对路基填筑压实施工与控制提出了新的挑战。目前国内外高等级线路路基填筑一般采用物理力学性能良好的粗粒土填料，通过振动压路机振动碾压成型，填筑前需通过填料击实(或压实)试验确定填料的最大干密度。

目前，振动压实试验装置主要有表面振动压实仪、振动成型仪以及振动台3类：

(1)振动成型仪

振动压实成型机(公路)是基于半刚性基层材料(沥青)压实特性研制，在实验室内针对无机结合料稳定集料或半刚性改良土石类材料，通过上部电机带动偏心块施加激振力，激振力自上而下传递将半刚性基层材料压密成型。振动压实参数为静压力1900N、激振力6800N-6900N、振动频率为28HZ-30HZ。

(2)表面振动压实仪

表面振动压实仪基于水利大坝巨粒土压实特性进行研制，试验筒直径为30cm，与振动成型仪不同，表面振动压实仪采用振动电机施加激振力。振动频率30～50Hz，激振力50～80kN，静压力18kPa。通过调节频率方式调节激振力。

(3)振动台

通过击实筒下部平台的振动使得填料逐步密实。在击实筒土样上部加配重块，通过底部加重底板振动台施加上下振幅，使得填料逐步密实。50HZ振动频率0.5mm，60HZ振动频率，振幅0.35mm。

路基服役性能与振动压实质量密切相关，但目前标准中人工或机械重锤击的击实试验方法与现场填料振动压实方式机理不同，常常出现击实试验结果最大干密度小于现场振动碾压密度现象，现有击实试验方法及仪器不能满足粗粒土填料控制填筑的需求，具体存在以下缺陷：

1.试验对象不同

振动成型仪主要针对公路路面无机结合料(沥青等路面材料)研制，表面振动压实针对水利大坝堆石料特性进行研制，振动台法的优势也是针对于粒径较大(最大粒径可达600mm)的巨粒土填料。铁路粗粒土填料最大粒径为40mm，具有自身严格的级配特点，填料压实后物理力学性能与水利大坝巨粒土、公路路面半刚性材料以及巨粒土填料有极大的不同。

2.振动参数不适用

试验对象不同导致填料的动力性能不同，适宜振动频率、激振力、振动时间均不同，初步试验铁路粗粒土填料适宜振动频率20-30HZ，激振力1000N～3000N，最优激振时间为3min。与现有振动压实仪器参数设定区别较大。

3.参数调节范围有限

现有振动压实仪器参数，只能通过改变电机激振频率对振动进行调节，激振力随着振动频率变动。

不能单独调节激振力、静压力大小。

4.无参数测试手段

目前振动击实试验测试不同试样干密度时，只能通过压实完成后手动对填料体积进行测量，得到完成时土体的密度。而压实过程中土体密度变化以及其它性质的变化不可知，无法测试压实过程中的密度变化、动力响应、模量等参数，欠缺填料压实实验科学研究手段。

发明内容

为了准确分析粗粒土填料密度和加速度频谱的变化规律，本发明提供一种铁路粗粒土填料振动压实实验装置及实验方法，获取振动压实参数下填料的密度连续变化以及加速度频谱的变化，建立密度变化与加速度频谱变化的关系，为现场施工提供依据。

为达到上述目的，本发明提供了一种铁路粗粒土填料振动压实实验装置，包括支撑框架、升降装置、振动单元、振实压头以及底座试模；

所述振动单元能够沿所述支撑框架内部移动，并产生竖向激振力由振实压头传递至粗粒土填料试样；

所述升降装置能够带动所述振动单元向上移动以拆装粗粒土填料试样，并在所述振动单元向下降过程中不对所述振动单元进行竖直方向限位；

所述底座试模放置在所述振实压头下方，用于所述装载粗粒土填料试样。

进一步地，所述振动单元包括控制单元、振动电机和两个对称设置在所述振动电机驱动下部的偏心块，所述振动电机驱动两个偏心块同步反向旋转，产生垂直分力加载至所述振实压头，所述控制单元改变激振力和激振频率，实验不同激振力和频率下的土体振动压实特性。

进一步地，支撑框架底座上设置位移传感器，监测压实过程中所述振实压头的下降距离△s。

进一步地，还包括位移测试单元，所述位移测试接收所述位移传感器采集的下降距离△s，并连续计算压实过程中的粗粒土填料密度ρ的数值：

ρ＝m₀/[(h-h_d-△s)*1/2πr²]

其中h_d为开始压实前粗粒土填料试样初始的高度，h为底座试模的高度，r为圆筒形底座试模的底面半径，m₀为粗粒土填料试样的总质量。

进一步地，通过调整两个偏心块的质量和/或振动电机的激振频率以调整竖向激振力P的大小，竖向激振力P满足：

P＝W+Fsinωt

F＝mω²e

ω＝2πf

其中W为振动压实仪激振部自重，F为离心激振力幅值，m表示两个偏心块的总质量，ω为振动电机的角速度，f为振动电机的激振频率，e为偏心块的偏心距。

进一步地，振动压头上设置加速度传感器；采集加速度并发送给所述控制单元，试验结束后根据所述控制单元内存储的加速度获取加速度频谱，根据加速度频谱随压实过程的变化获取压实不同阶段的加速度频谱特征。

本发明另一方面提供一种利用所述的铁路粗粒土填料振动压实实验装置进行压实实验方法，包括：

根据施工现场的填料类型制备粗粒土填料试样；进行振动压实实验，记录填料干密度随振动时间的变化情况以及底座试模内不同高度的加速度随振动时间的变化情况；

获取加速度频谱、加速度幅值，建立填料干密度的变化与加速度频谱谐波、加速度幅值之间的对应关系；

在实际压路机路基填筑施工过程中，监测压路机滚轮振动轴上加速度，获得加速度频谱和幅值；根据所述填料振动压实试验获得的干密度的变化与加速度频谱谐波之间的关系和加速度幅值与填料干密度的变化的对应关系，判断现场填料压实度的变化。

进一步地，所述对应关系包括记录出现的各次谐波次数、谐波幅值、谐波频率特征对应干密度值；在实际压路机施工过程中，根据加速度频谱中谐波特征判断填料压实度。

进一步地，进行振动实验前还包括通过调整两个偏心块的质量和振动电机的激振频率调整竖向激振力P的大小获得最大干密度，记录获得最大干密度的速度最快时的两个偏心块的质量作为最佳偏心块质量，振动电机的激振频率作为最优振动频率；以最佳偏心块质量和最优振动频率设置所述振动单元；竖向激振力P满足：

P＝W+Fsinωt

F＝mω²e

ω＝2πf

其中W为振动压实仪激振部自重，F为离心激振力幅值，m表示两个偏心块的总质量，ω为振动电机的角速度，f为振动电机的激振频率，e为偏心块的偏心距。

进一步地，进行连续测试，建立压实时间和干密度变化关系，得到该粗粒土填料振动压实过程中达到最大干密度的总时间，根据所述总时间设置实际压路机碾压遍数和碾压速度；根据实验测得最优振动频率和最佳偏心块质量设置实际压路机的频率和激振振幅。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)本发明采用连续测距的方式，分析振动压实参数下填料的密度连续变化；采用振动加速度采集的方式，分析振动压实参数下填料的动力反馈，加速度幅值、频谱分析，为填料最优压实参数提供依据；联合密度变化、加速度变化的数据快速实时分析，为现场施工提供依据。

(2)本发明的振动压实实验装置振动频率、激振力单独调节，激振频率0～50Hz，激振力2200N～14500N，能够实现密度变化和加速度变化的连续监测。

(3)在实际施工过程中，利用获得的填料干密度的变化与加速度频谱谐波之间的对应关系，采用加速度频谱变化获得填料干密度的变化，监测方法简单有效。

附图说明

图1是实验装置结构示意图；

图2为加速度测量原理示意图；

图3(a)为干密度连续变化图；(b)为加速度与干密度关系曲线；

图4为偏心块结构示意图；

图5为加速度随频率变化曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明铁路路基填料振动压实试验系统适用于细颗粒含量(小于0.075mm)不大于15％的粗粒土填料，级配较好(Cu＞10)。

1.实验装置构成

试验系统由振动压实系统以及测试采集系统两部分组成变频变幅的振动压实试验装置。结合图1，振动压实系统主要包括支撑框架、升降装置、振动单元、振实压头以及底座试模；

振动单元能够沿所述支撑框架内部移动，并产生竖向激振力由振实压头传递至粗粒土填料试样；振动单元包括振动电机和两个对称设置在所述振动电机驱动下部的偏心块，振动电机驱动两个偏心块同步反向旋转，产生垂直分力加载至所述振实压头；支撑框架底座上设置位移传感器，监测压实过程中所述振实压头的下降距离△s。振动单元整体为钢性连接结构，包括两个配重块设置在间隔板上，调整静重质量。振动单元包括拉杆，拉杆插入间隔板，拉杆下端具有限位端头，升降装置能够驱动拉杆上下移动，当所述限位端头与所述间隔板接触后，即可拉动所述振动单元向上移动。而在振动试验过程中，限位端头不接触所述间隔板，不影响振实压头下落过程。

升降装置能够带动所述振动单元向上移动，并在所述振动单元向下降过程中不对所述振动单元进行竖直方向限位；

底座试模放置在所述振实压头下方，为圆柱形击实筒，用于所述装载粗粒土填料试样。

实验装置主要通过电机带动两个偏心块同步反向旋转，产生垂直分力，使得整个振动单元产生竖向激振力，通过振实压头传递至试样模具中的土体，使得填料逐步压密密实。

进一步地，实验装置还包括控制单元，所述控制单元接收所述位移传感器采集的下降距离△s，并连续计算压实过程中的粗粒土填料密度ρ的数值：

ρ＝m₀/[(h-h_d-△s)*1/2πr²]

干密度：ρ_d＝ρ/w

其中h_d为开始压实前粗粒土填料试样初始的高度，h为底座试模的高度，r为圆筒形底座试模的底面半径，m₀为粗粒土填料试样的总质量。W为含水率。

进一步地，实验装置还包括若干分布在振动压头上的加速度传感器；采集加速度并发送给所述控制单元，试验结束后根据所述控制单元内存储的加速度获取加速度频谱，根据加速度频谱随压实过程的变化获取压实不同阶段的加速度频谱特征。

2.压实参数调节

根据工程振动理论,利用上表面振动器振动压实时,其理论振动作用力：

P＝W+Fsinωt

式中：P为作用于土体上的竖向力，N；W为振动压实仪激振部自重，N；F为离心激振力幅值，kN；ω为角频率，rad·s；t为时间，s.

F＝mω²e

ω＝2πf

其中，m表示两个偏心块质量(kg)，ω为振动电机的角速度(r/min)，e为两个偏心块的偏心距(m)，f为振动电机的的激振频率(Hz)。

通过调节不同大小偏心块以及偏心块角度，激振频率可以通过振动单元电机频率直接调节0～50Hz，通过静力配重块调节振动单元整体质量210kg～330kg。

本仪器设置偏心块为0.7kg、1.0kg两种，为普通铸铁材料，表面作防腐处理。结合图4，偏心块其大小参数为：

偏心距＝转动中心距+质心距

转动中心距＝转动轴中心到偏心块形心的距离

质心距为到偏心块形心与质心的距离，具体的偏心块参数参见表1。

表1

类型	偏心块半径	转动轴距	外边缘距	转动中心	质心	偏心距
							0.7kg偏心块	94.5	35	12.5	17.25	2.75	20
1.0kg偏心块	110	35	12	25.5	2.8	28.3

单位：mm

如图1，每处偏心块可以采用放置1-2个偏心块实现。安装两个偏心块时，可在通过卡槽实现两偏心块角度偏移0°和60°，则两类偏心块质量组合参见表2。

表2

偏心块	夹角	左侧	右侧	总计
					0.7kg	0	0.7kg	0.7kg	1.4kg
0.7kg*2	0	1.4kg	1.4kg	2.8kg
					0.7kg*2	60	1.21kg	1.21kg	2.4kg
1.0kg	0	1.0kg	1.0kg	2.0kg
					1.0kg*2	0	2.0kg	2.0kg	4.0kg
1.0kg*2	60	1.73kg	1.73kg	3.4kg

通过以上方式可实现6类偏心块质量的调节。

在此基础上，激振频率调节0～50Hz，激振力可在2200N～14500N范围调节。

3.物理性质测试

传统试样方法，密度测试通过测量击实后土样距击实筒顶的实际深度h_d换算求得：

r为击实筒内径，h为击实筒总高度。

考虑振实压头在工作过程中与填料紧密接触，振实压头的位移即为土样在振动压实过程中的位移。又振动单元为一整体刚体，通过高精度激光测距仪安装在底座板一侧(采集频率10Hz)，测试振动压实仪在工作过程中的下降距离△s，即可得到土体在压实过程中的变形量，进而计算压实过程中体积变化。压实过程中筒内土体质量保持不变，则可计算的压实过程中土体密度变化。

初始密度为：ρ₀＝m/[(h-hd)*1/2πr2]

压实过程中密度：ρ＝m/[(h-hd-△s)*1/2πr2]，此时hd为开始试验前试样初始的高度。

4.动力性质测试

动态采集系统由DH5922D动态应力应变测试仪和三向加速度传感器组成。结合图2，加速度传感器分别布设在击振头以及上层填料(距筒底10cm处)和下层填料(距筒底5cm处)，可在压实过程中实时获取击振仪和填料的加速度响应。采集频率5000Hz。

测点一：

选取干密度增长率最大的时间段(0-10s)，分析不同压实工艺下填料的加速度响应。在不同压实工艺参数下填料的加速度响应不同，且各测点的加速度峰值越大，填料所能达到的干密度越大。此外，随着振动频率的增大，击实仪与填料间加速度峰值的差值逐渐增大。进一步分析填料干密度与加速度峰值之间的联系，对两者相关关系进行拟合。不同压实工艺下填料的干密度与加速度峰值间近似成指数分布，填料上部的相关性系数R2为0.963，下部的相关性R2为0.932，均具有严格的指数相关关系，结合图3。

在振动压路机压实过程中，填料的压实度与加速度信号的频谱特性有关。因此，使用快速傅立叶变换(FFT)分析偏心块质量为2.0kg不同振动频率下各测点的垂向加速度信号在频域上的分布特性。不同振动频率下加速度信号的频谱成分不同，在15-25Hz范围内，加速度信号的出现基波和多次谐波，多次谐波。当振动频率增大至30Hz时，加速度信号出现1/2次谐波，结合图5。随着频率的增大，激振力增大，填料干密度越大对应谐波次数也增多。

测点二、三：

分析振动波在室内振动压实试验中自上而下的振动传递规律，分析振动加速度在土层中的衰减系数，对现场压路机碾压摊铺厚度提供参考。分析振动加速度反馈至压实头上的加速度基频与谐波，掌握谐波与基频的比值谐波比与填料压实度的关系，可以研究以谐波比为基础的连续检测特性。

本发明另一方面提供一种利用铁路粗粒土填料振动压实实验装置进行压实实验方法，包括以下步骤：

(1)根据施工现场的填料类型制备多组粗粒土填料试样。选择与施工现场填料类型一致的试验，进行试验，事先获取填料的特性，使得施工过程速度加快且压实质量提高。

(2)通过调整两个偏心块的质量和振动电机的激振频率调整竖向激振力P的大小使得压实获得最大干密度的速度最快，记录获得最大干密度的速度最快时的两个偏心块的质量作为最佳偏心块质量，振动电机的激振频率作为最优振动频率；以最佳偏心块质量和最优振动频率设置所述振动单元；竖向激振力P满足：

P＝W+Fsinωt

F＝mω²e

ω＝2πf

其中W为振动压实仪激振部自重，F为离心激振力幅值，m表示两个偏心块的总质量，ω为振动电机的角速度，f为振动电机的激振频率，e为偏心块的偏心距。

(3)进行振动实验，记录填料干密度随振动时间的变化情况以及底座试模内不同高度的加速度随振动时间的变化情况；获取不同高度的加速度频谱，建立填料干密度的变化与加速度频谱谐波之间的对应关系以及加速度幅值与填料干密度的变化的对应关系。填料干密度的变化与加速度频谱谐波之间的对应关系包括记录出现的各次谐波时对应干密度值；在实际压路机施工过程中，根据加速度频谱中出现的谐波次数判断压实度变化。

(4)在实际压路机施工过程中，根据所述对应关系，由测量获得的加速度频谱变化获得填料压实度的变化K＝目前干密度/最大干密度；监测压路机滚轮振动轴上加速度，获得加速度频谱和幅值；根据所述填料振动压实试验获得的干密度的变化与加速度频谱谐波之间的关系与加速度幅值与填料干密度的变化的对应关系，判断现场填料压实度的变化。根据填料干密度随振动时间的变化情况获取压实总时间，确定实际压路机的压实遍数和走行时间，总时间越长，压实遍数越多、走行速度越快。

进一步地，对应关系包括记录出现的各次谐波次数、谐波幅值、谐波频率特征对应干密度值；在实际压路机施工过程中，根据加速度频谱中谐波特征判断填料压实度。

根据最优振动频率和最佳偏心块质量设置实际压路机的频率和偏心块质量。

分析不同振动压实参数下填料干密度随时间的连续变化规律(0.25s间隔)，分析振动压实速率、振动压实稳定时间与振动压实参数关系，得到填料的振动压实特性，为填料现场压实时的压路机走行速率与压实遍数提供参考，即压实速率越快、稳定时间越短，填料越易压实压路机速度调节越快、压实遍数越少。

综上所述，本发明涉及一种铁路粗粒土填料振动压实实验装置及实验方法，根据施工现场的填料类型制备粗粒土填料试样；进行振动实验，记录填料干密度随振动时间的变化情况以及底座试模内不同高度的加速度随振动时间的变化情况；获取不同高度的加速度频谱，建立填料干密度的变化与加速度频谱谐波之间的对应关系；在实际压路机施工过程中，根据对应关系，由测量获得的加速度频谱变化获得填料干密度的变化。本发明采用连续测距的方式，分析振动压实参数下填料的密度连续变化；采用振动加速度采集的方式，分析振动压实参数下填料的动力反馈，加速度幅值、频谱分析，为填料最优压实参数提供依据；联合密度变化、加速度变化的数据快速实时分析，为现场施工提供依据。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种铁路粗粒土填料振动压实实验装置，其特征在于，包括支撑框架、升降装置、振动单元、振实压头以及底座试模；

所述振动单元能够沿所述支撑框架内部移动，并产生竖向激振力由振实压头传递至粗粒土填料试样；

所述升降装置能够带动所述振动单元向上移动以拆装粗粒土填料试样，并在所述振动单元向下降过程中不对所述振动单元进行竖直方向限位；

所述底座试模放置在所述振实压头下方，用于所述装载粗粒土填料试样。

2.根据权利要求1所述的铁路粗粒土填料振动压实实验装置，其特征在于，所述振动单元包括控制单元、振动电机和两个对称设置在所述振动电机驱动下部的偏心块，所述振动电机驱动两个偏心块同步反向旋转，产生垂直分力加载至所述振实压头，所述控制单元改变激振力和激振频率，实验不同激振力和频率下的土体振动压实特性。

3.根据权利要求1或2所述的铁路粗粒土填料振动压实实验装置，其特征在于，支撑框架底座上设置位移传感器，监测压实过程中所述振实压头的下降距离△s。

4.根据权利要求3所述的铁路粗粒土填料振动压实实验装置，其特征在于，还包括位移测试单元，所述位移测试接收所述位移传感器采集的下降距离△s，并连续计算压实过程中的粗粒土填料密度ρ的数值：

ρ＝m₀/[(h-h_d-△s)*1/2πr²]

其中h_d为开始压实前粗粒土填料试样初始的高度，h为底座试模的高度，r为圆筒形底座试模的底面半径，m₀为粗粒土填料试样的总质量。

5.根据权利要求4所述的铁路粗粒土填料振动压实实验装置，其特征在于，通过调整两个偏心块的质量和/或振动电机的激振频率以调整竖向激振力P的大小，竖向激振力P满足：

P＝W+Fsinωt

F＝mω²e

ω＝2πf

其中W为振动压实仪激振部自重，F为离心激振力幅值，m表示两个偏心块的总质量，ω为振动电机的角速度，f为振动电机的激振频率，e为偏心块的偏心距。

6.根据权利要求4所述的铁路粗粒土填料振动压实实验装置，其特征在于，振动压头上设置加速度传感器；采集加速度并发送给所述控制单元，试验结束后根据所述控制单元内存储的加速度获取加速度频谱，根据加速度频谱随压实过程的变化获取压实不同阶段的加速度频谱特征。

7.一种利用权利要求2-6之一所述的铁路粗粒土填料振动压实实验装置进行压实实验方法，其特征在于，包括：

根据施工现场的填料类型制备粗粒土填料试样；进行振动压实实验，记录填料干密度随振动时间的变化情况以及底座试模内不同高度的加速度随振动时间的变化情况；

获取加速度频谱、加速度幅值，建立填料干密度的变化与加速度频谱谐波、加速度幅值之间的对应关系；

在实际压路机路基填筑施工过程中，监测压路机滚轮振动轴上加速度，获得加速度频谱和幅值；根据所述填料振动压实试验获得的干密度的变化与加速度频谱谐波之间的关系和加速度幅值与填料干密度的变化的对应关系，判断现场填料压实度的变化。

8.根据权利要求7所述的进行压实实验方法，其特征在于，所述对应关系包括记录出现的各次谐波次数、谐波幅值、谐波频率特征对应干密度值；在实际压路机施工过程中，根据加速度频谱中谐波特征判断填料压实度。

9.根据权利要求7所述的进行压实实验方法，其特征在于，进行振动实验前还包括通过调整两个偏心块的质量和振动电机的激振频率调整竖向激振力P的大小获得最大干密度，记录获得最大干密度的速度最快时的两个偏心块的质量作为最佳偏心块质量，振动电机的激振频率作为最优振动频率；以最佳偏心块质量和最优振动频率设置所述振动单元；竖向激振力P满足：

P＝W+Fsinωt

F＝mω²e

ω＝2πf

其中W为振动压实仪激振部自重，F为离心激振力幅值，m表示两个偏心块的总质量，ω为振动电机的角速度，f为振动电机的激振频率，e为偏心块的偏心距。

10.根据权利要求6所述的进行压实实验方法，其特征在于，进行连续测试，建立压实时间和干密度变化关系，得到该粗粒土填料振动压实过程中达到最大干密度的总时间，根据所述总时间设置实际压路机碾压遍数和碾压速度；根据实验测得最优振动频率和最佳偏心块质量设置实际压路机的频率和激振振幅。

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