振动击实法与重型击实法的优劣

浅谈重型击实法与振动击实法的优劣比较重型击实法源于土工试验，用以确定土壤的最大干密度和最佳含水量，以计算天然土体密实度。重型击实法应用时间长，规范成熟，积累了大量的试验数据和实践经验。在确定细粒土（或者说土颗粒最大粒径远远小于击实筒直径时）的最大干密度和最佳含水量时，重型击实法得到的试验结果还是比较准确的，与实际工程也较为符合。可一旦粒径超过一定限度，重型击实法就不再适用，在击实过程中，土颗粒尤其是粗颗粒的初始位置状态、自身形状将极大的影响最终试验结果。重型击实对装料的均匀性也较为敏感，这就意味着不同的试验人员操作同一批试验，最终得到的试验数据可能相差甚远。此外，重型击实还容易造成粗集料的破碎，从而改变了原土样的级配重型击实法之所以存在这样的问题，根本原因在于土颗粒或者碎石颗粒在外力作用下达到密实不仅需要一个能使其相互靠拢的合外压力，还需要一个使土颗粒尤其是粗颗粒发生转动的合外力，土体颗粒发生转动，从而不断改变自身在土体中的位置状态，从不稳定的高能状态转动位置到稳定的低能状态，而这一过程就是土体颗粒在外力作用下不断趋于靠拢而密实的过程。重型击实法恰恰缺乏这样一个使土体颗粒发生转动的力，或者说这个力的效果不明显。要知道，土体颗粒越粗，需要的这样一个力就越大。适量的水的存在可以改善土体的密实程度，减少土体颗粒转动密实时需要的外力，适量的水的存在可以起到润滑作用，从而缩短土体颗粒相互靠拢密实的时间。但是，过量的水却恰好相反，过量的水使得包裹土颗粒的水膜变厚，甚至出现自由水。过厚的水膜和自由水的存在会在土体中形成“弹簧效应”，使得土体无法达到最佳密实状态。通过以上分析，我们初步了解了土体密实过程以及影响土体密实主要因素，包括试验方法，土体颗粒大小，含水量。此外，土质也会对击实造成影响。实际工程中，一般材料确定之后，土质的影响就是一定的，可不作为影响因素考虑。由于重型击实法固有的一些缺点，导致其在进行水泥稳定碎石混合料配合比设计时遇到问题。实践表明，重型击实法得到的最大干密度偏小，随着大吨位压路机的使用和对路面结构层压实度的高要求，采用重型击实法得到的最大干密度来计算路面压实度往往会发现压实度很容易就满足规范的要求，甚至远远超过了规范的要求，达到100以上。这说明在当前路面施工的实际情况下，对于重载交通道路而言，采用重型击实法得到的最大干密度偏小，用它计算的路面压实度来进行施工质量的控制已无法满足实际要求。此外，重型击实法的成型过程与路面实际的碾压过程不一致，这也导致了重型击实法得到的试验数据与施工实际不匹配。基于以上问题，长安大学开展了水泥稳定碎石混合料配合比设计及试验成型方法的研究并率先研制开发了水泥稳定碎石混合料振动成型试验机。在此基础上开展了大量的试验研究工作，取得了一些关键性的研究成果，如关于水泥稳定碎石级配的优化、最佳水泥剂量和最佳含水量的确定、振动成型方法的标准化（振动频率、时间、振幅、击振力）等。江苏省交通科学研究院在此基础上开展了抗裂型水泥稳定碎石基层的研究，提出采用骨架密实型级配和低剂量水泥，获得强度和耐久性均满足要求的水泥稳定碎石混合料，做到了水泥稳定碎石基层不开裂，从而大大减少了半刚性基层沥青路面的反射裂缝，提高了半刚性基层沥青路面的使用寿命。振动成型试验机的最初设计思想也是来源于Superpave的旋转压实，如果将传统马歇尔试验比作重型击实试验，那振动成型试验就好比SHRP的旋转剪切试验，前者增加了振动效应，模拟了水泥稳定碎石在钢轮压路机振动碾压的过程，后者增加了旋转搓揉，模拟了沥青混合料在轮胎压路机搓揉碾压的过程。大量的试验结果表明，在进行水泥稳定碎石混合料配合比设计时，振动成型法得到的最佳水泥剂量较重型击实减小，最佳含水量减小，最大干密度增大。振动成型法由于在击实过程中增加了振动外力，使得土体颗粒获得了转动能量，土颗粒重排率大大增加，大量的土颗粒由不稳定状态变为相对稳定状态，颗粒之间缝隙趋于最小，土体变得更加密实。对于骨架密实型级配，粗集料在振动外力作用下，不断转动实现重排，最终形成稳定的骨架。因此，采用振动成型法进行水泥稳定碎石混合料配合比设计时，最大干密度较重型击实法增大，且由于振动外力作用，粗集料不断改变自身位置以适应击振外力的作用，不至于出现压碎现象，混合料原有级配不会遭到破坏。由于振动外力作用，土颗粒获得了转动能量，可以减少其对水的依赖，从而减少水用量。此外，由于粗集料的骨架效应，混合料成型后强度主要依靠粗集料相互嵌挤形成的骨架，而不是依靠水泥胶浆的强度，因此，振动成型的试件强度大幅提高，而水泥剂量则相比大幅下降。水泥剂量的减少，也使得用水量的大幅减少。最终水稳混合料的干缩和温缩得以减少，困扰广大道路工作者的半刚性基层开裂问题得以解决。采用振动成型法进行水稳碎石混合料配合比设计需注意的问题。振动成型法较重型击实法有许多改进的地方。但是，在实际工程应用时，还必须注意以下几点：首先，振动成型法虽然能够在一定程度上模拟水泥稳定碎石混合料在钢轮压路机下的振动碾压过程，但必须注意到二者还是存在很大差异。室内振动成型仪中的土体实际上是在四周完全约束的条件下完成振动密实过程的，而这种振动是三维立体式的振动，振动频率，振幅和击振力都与施工现场有明显差异。现场压路机的振动通常只是施加一个自上而下的竖向击振力，而室内振动成型仪施加给土体的不仅有竖向击振力，还有水平向的击振力，是一个三维的立体式的振动效应。这种三维立体式的振动将更有利于土体颗粒的重排密实，因此，室内振动成型得到的混合料骨架要好于施工现场，强度自然也要高于施工现场。如果仅仅根据振动成型法得到的强度来确定混合料最佳水泥剂量，将会出现水泥剂量较过去大幅减少的情形。就目前水泥稳定碎石振动成型法尚未大规模使用之前，对于振动成型强度只能够作为参考，在确定最佳水泥剂量时还是要以重型击实法得到的强度为主要参考对象，综合振动成型法得到的强度之后确定最后的最佳水泥剂量。对于最佳含水量的确定，由于现在多采用大吨位的压路机，压实功较比以往有大幅提高，实际施工时，可以采用振动成型法得到的最佳含水量。最大干密度则应该采用振动成型法得到的最大干密度，这样有利于施工质量的控制，提高路面压实度，保证路面有足够的强度和稳定性，以适应日益严峻的交通形势（重载交通）其次，采用振动成型法进行水泥稳定碎石混合料设计时，要根据原材料的实际情况，级配情况来选择合理的振动参数，包括频率、时间、振幅、击振力等。在试验过程中注意装料的均匀性，避免装料造成的离析。以下例出重型击实仪法和振动击实仪法的试验结果与操作图片:振动击实法成型试验数据：重型击实仪法成型试验数据：振动击实仪法成型照片：重型击实仪法成型照片：振动击实仪法成型照片：重型击实仪法成型照片：