一种铁路路基填料振动压实试验方法

摘要

本发明涉及一种铁路路基填料振动压实试验方法，制备覆盖各典型含水率的土样；测试针对当前土样压实最快的最优振动频率；测试针对当前土样压实最快的最佳静重质量和偏心块质量组合；以最优振动频率、最佳静重质量和偏心块质量组合设置振动压实仪器，分析土样的振动压实参数，与现场压实参数进行比对，选定振动参数，对所有含水率的土样进行压实试验，测试干密度，获取土样干密度最大的土样对应的含水率为最优含水率；输出最优振动参数，最佳静重质量和偏心块质量组合，最优含水率以及最大干密度。本发明所提出的振动压实方法可匹配现场振动压实参数，对填料振动与现场一致压实参数下的干密度，指导现场施工。

说明书

技术领域

本发明涉及铁路路基技术领域，尤其涉及一种铁路路基填料振动压实试验方法。

背景技术

截止到2018年底，我国高速铁路运营里程突破2.9万公里。路基工程是高速铁路基础设施重要组成部分，线路长度占比较大，路基工程建设质量对于高速铁路运行具有重要影响。目前国内外路基主要填筑方式是通过压路机振动碾压成型，路基服役性能与振动压实质量密切相关。路基压实过程中的压实度需要通过填料击实（或压实）试验确定填料的最大干密度。

目前铁路现场施工填筑通过振动压路机采用振动压实的方式进行路基填筑，但是室内试验一般采用重锤击实或振动压实实验的方式，室内填料击实试验结果影响现场施工振动压实的施工质量。

（1）重锤击实

重锤击实是通过重锤从一定高度下落，通过多次锤击使填料逐渐密实。《铁路工程土工试验规程》（TB 10102-2010） 以及《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)中均规定了重锤击实试验方法。

高速铁路路基填料主要为粗粒土填料，压实后多为骨架密实状态，针对于高速铁路粗颗粒等较难压实的填料，室内试验击实填料密度常常小于现场振动压实填料密度，从而导致压实度K＞1的不正常现象。

其次，传统击实仪重锤从一定高度下落，目前试验规范中规定，击实试验需分5层，每层击实27次。重型击实频次过高，多次部分面积锤击，锤击集中于中心或周边，导致填料击实面不均匀，影响击实试验结果。击实试验需分层，分出击实导致粗颗粒破碎，且纵向分层界面差异明显。

（2）振动压实

振动压实通过对填料施加激振力，使得土体颗粒发生相对运动重新排列，从而使路基填料逐渐达到密实状态。相对于传统人工重锤击实试验方法，振动压实试验具有快速、稳定、高效的优势。《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）、《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005) 、《公路土工试验规程》 (JTCE40-2007)等规范中已经规定了振动压实试验方法。

目前市面上的振动压实仪为表面振动压实或振动成型仪，一般针对于公路路面无机结合料（沥青等路面材料），振动压实参数为静压力 1900N、 激振力 6800N-6900N、振动频率为 20-30HZ ；然而如何设置这些参数进而获得准确的试验结果，尚无成熟的室内振动压实试验方案。

发明内容

针对目前铁路现场施工填筑通过振动压路机振动压实的现状，本发明提供一种铁路路基填料振动压实试验方法，可针对不同性质填料开展试验的出最优振动压实参数作为现场施工的参考，实现铁路路基粗粒土填料的室内试验振动压实，准确高效地确定填料的最大干密度。

为达到上述目的，本发明提供了一种铁路路基填料振动压实试验方法，包括：

制备覆盖各典型含水率的土样；

测试针对当前土样压实最快的最优振动频率；

测试针对当前土样压实最快的最佳静重质量和偏心块质量组合；

以最优振动频率、最佳静重质量和偏心块质量组合设置振动压实仪器，对所有含水率的土样进行压实试验，测试干密度，获取土样干密度最大的土样对应的含水率为最优含水率；

输出最优振动频率，最佳静重质量和偏心块质量组合，最优含水率以及最大干密度。

进一步的，制备覆盖各典型含水率的土样包括配置含水率在3%～7%的土样，取样间隔为0.5%。

进一步的，测试针对当前土样压实最快的最优振动频率包括：

称取某一含水量的土样，倒入击实筒内，并安装护筒；设置振动压实仪器振动频率为20Hz；

开启振动压实仪器进行试验，监测土样干密度；

将振动频率增大2Hz，更换同一含水率的土样，开启振动压实仪进行试验，监测获得土样干密度；直至振动频率达到30Hz；

绘制各含水率土样干密度值随时间变化的曲线，比较到达最大干密度值前曲线的斜率变化，选取斜率变化最大的频率值作为最优振动频率；如果存在斜率相同的频率值则选取其中频率较低的频率值作为最优振动频率。

进一步的，监测获得土样干密度的方法包括：

采用激光测距装置监测土样距护筒顶的距离，计算土样密度：

计算土样干密度：

其中h为击实筒和护筒的总高度，为土样距护筒顶的距离，r为击实筒的半径，ω为土样含水率，m为土样质量。

进一步的，采用激光测距装置监测获得土样干密度，激光测距装置的测距模块测量激光测距装置监测土样距护筒顶的距离，测量土样表面五点的距离护筒顶的距离取均值；激光测距装置计算部件通过距离取均值计算土样干密度并输出显示。

进一步的，测试针对当前土样压实最快的最佳静重质量和偏心块质量组合包括：

设置若干组静重质量和偏心块质量；称取某一含水量的土样，倒入击实筒内，并安装护筒；设置振动压实仪器的振动频率为最优振动频率；

开启振动压实仪器进行试验，监测土样干密度；

更换下一组静重质量和偏心块质量，更换同一含水率的土样，开启振动压实仪进行试验，监测获得土样干密度；完成所有组的静重质量和偏心块质量的试验；

绘制各含水率土样干密度值随时间变化的曲线，比较到达最大干密度值前曲线的斜率变化，选取斜率变化最大的一组静重质量和偏心块质量作为最佳静重质量和偏心块质量组合。

进一步的，对所有含水率的土样进行压实试验，测试干密度，获取土样干密度最大的土样对应的含水率为最优含水率包括：

称取预定重量的某一含水量土样；设置振动压实仪器振动频率为最优振动频率，按照最佳静重质量和偏心块质量组合设置静重质量和偏心块质量；

开启振动压实仪器进行试验，完成试验后采用激光测距装置监测土样距护筒顶的距离，计算土样干密度；

称取下一含水量的土样，开启振动压实仪器进行试验，完成试验后采用激光测距装置监测土样距护筒顶的距离，计算土样干密度，直至完成各个含水量土样的测试；

比较获得的土样干密度，获取土样干密度最大的土样对应的含水率为最优含水率。

输出的最优振动频率，最佳静重质量和偏心块质量组合，可作为压路机振动压实施工工艺参考。

进一步的，设置振动压实仪器还包括：

根据现场压路机压实参数设置振动压实仪器的频率、静重质量和偏心块质量的参数组合。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

（1）本发明铁路路基填料振动压实试验方法，填料压实方式与现场施工一致，相对于传统人工重锤击实试验方法，振动压实由于较大的击实能量和较小的振幅，激振头与土样基本设置同一大小，振动压实试验系统具有快速、稳定、高效的优势。

（2）本发明可针对不同性质填料开展试验的出最优振动压实参数、最佳静重质量和偏心块质量组合，实现铁路路基粗粒土填料的室内试验振动压实的参数最优化。

（3）本发明通过试验过程中数字化识别振动压实过程物理力学性质演化规律，可快速判断最优振动压实参数，指导填料振动压实填筑。

（4）本发明在试验过程中 振动压实机理与现场压实一致，振动参数与现场填料振动压实施工相匹配，得到相应填料压实最大干密度与最优含水率，并提供压力机的参数设置参考值，提高路基填料施工的精细化程度。

（5）本发明显著提高铁路填料室内试验压实效率，减少试验人员的人力支出，节省试验时间成本，可在土工试验室广泛推广，提高实验室装备的技术水平。

附图说明

图1是干密度与振动压实频率关系曲线；

图2铁路粗粒土填料振动压实实验示意图；

图3为振动压实试验流程图。

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。

本发明提供一种铁路路基填料振动压实试验方法，结合图2、3，具体步骤如下：

S1，制备不同含水率的土样

取土样20～50kg，配置含水量再3%～7%的土样，取样间隔例如为0.5%，或是选取典型的含水率值。击实筒（φ152mm）最大试验粒径不超过40mm，若填料级配中有大于40mm的颗粒，则采用剔除法和等量法确定试验级配后开展试验。配制含水率需称取土样平铺于搪瓷盘内，将水均匀喷洒于土样上，充分拌匀后装入盛土容器内盖紧，润湿一昼夜。土样应覆盖各种典型含水率。

S2，测试最优振动频率

S21 取某一含水量土样若干。安装好护筒，在击实筒内壁均匀涂一薄层润滑油，并铺设一层塑料薄膜。

S22称取质量为m的土样，倒入击实筒内，并安装护筒。整平土样，并测量土样距护筒顶的距离。m取5000g,设置振动压实仪振动时间设置为3min；设置振动频率为20Hz，设置静重质量为330kg，偏心块质量为4kg。

S23开启振动压实仪进行击实试验，采用激光测距装置监测土样距护筒顶的距离，换算求得土样密度：

土样干密度：

其中h为击实筒和护筒的总高度，r为击实筒的半径，ω为土样含水率，m为土样质量，（h-h_d）为土样的高度，土样干密度的单位为g/cm³。在一个实施例中m取5000g。

进一步地，可通过激光测距装置设置计算部件，测量土样表面五点的距离护筒顶的距离取均值，输入土样的含水率，计算部件通过对距离取均值计算土样干密度并输出。操作人员直接读取土样干密度。

S24将振动频率增大2Hz，重复步骤S23，直至振动频率达到30Hz；

S25根据监测的土样干密度值，绘制土样干密度值随时间变化的曲线，比较到达最大干密度值前（例如10s内）曲线的斜率变化，选取斜率变化最大的频率值作为最优振动频率；如果存在斜率相同的频率值则选取其中频率较低的频率值作为最优振动频率。

如图1所示，其中25Hz和30Hz的土样干密度值变化率最大，选择25Hz作为最优振动频率。

设定振动频率间隔为2Hz，获取振动频率为20Hz到30Hz的干密度值随时间变化的曲线，以最快到达最大干密度值的频率作为最优振动频率。

S3，测试最佳静重质量和偏心块质量组合

S31 取某一含水量土样若干。安装好护筒，在击实筒内壁均匀涂一薄层润滑油，并铺设一层塑料薄膜。设置若干组静重质量和偏心块质量。采用第一组静重质量和偏心块质量。

S32称取质量为m的土样，倒入击实筒内，并安装护筒。整平土样并测量土样距护筒顶的距离。设置振动压实仪振动时间设置为3min；设置振动频率为最优振动频率。

S33开启振动压实仪器进行击实试验，采用激光测距装置监测土样距护筒顶的距离，换算求得土样干密度。

S34更换下一组静重质量和偏心块质量，返回步骤S22，直至完成所有组的静重质量和偏心块质量的测试。

S35根据监测的土样干密度值，绘制土样干密度值随时间变化的曲线，比较到达最大干密度值前（例如10s内）曲线的斜率变化，选取斜率变化最大的一组静重质量和偏心块质量作为最佳静重质量和偏心块质量组合。

在一个实施例中，采用两组配重，一组为静重质量为330kg，偏心块质量为4kg；另一组为静重质量为210kg，偏心块质量为2.8kg。

若振动压实过程中跳振较大，则逐步减小偏心块质量和相匹配的静重质量。

S4进行不同含水率的压实试验

S41称取质量为m的某一含水量土样。安装好护筒，在击实筒内壁均匀涂一薄层润滑油，并铺设一层塑料薄膜，倒入击实筒内，并安装护筒。整平土样，并测量土样距护筒顶的距离h_d。设置振动压实仪振动时间设置为3min；设置振动频率为最优振动频率，按照最佳静重质量和偏心块质量组合设置静重质量和偏心块质量。还可以根据现场压路机压实参数设定振动压实仪器除频率、静重质量和偏心块质量以外的其他参数。

S42开启振动压实仪进行击实试验，完成试验后采用激光测距装置监测土样距护筒顶的距离，换算求得土样干密度。

S43称取质量为m的下一含水量土样，重新返回步骤S42，直至完成各个含水量土样的测试。

S44比较获得的土样干密度，获取土样干密度最大的土样对应的含水率为最优含水率。

S5，输出最优振动频率，最佳静重质量和偏心块质量组合，最优含水率以及最大干密度，可指导现场路基填筑施工。

最优振动频率作为压路机频率设置的参考，最佳静重质量和偏心块质量组合作为压路机配重设置参考。

进一步的，振动压实仪器采用变频变幅调整振动压实仪器，通过无级变频电机实现0-35Hz频率无级可调；调整偏心块质量和角度实现多级激振力可调；通过配重块调整自重；控制振动压实时间自动记录。

本发明针对典型铁路路基填料，开展调频调幅振动压实试验，采集不同振动参数下振动压实物理力学演化规律，建立填料振动参数与物理力学性质关系，分析铁路粗粒土填料振动压实最优参数。基于最有参数开展试验。

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0.5mm）不大于30%、含水率不超过8%的铁路级配碎石、AB组填料粗粒土填料。

综上所述，本发明涉及一种铁路路基填料振动压实试验方法，制备覆盖各典型含水率的土样；测试针对当前土样压实最快的最优振动频率；测试针对当前土样压实最快的最佳静重质量和偏心块质量组合；以最优振动频率、最佳静重质量和偏心块质量组合设置振动压实仪器，分析土样的振动压实参数，与现场压实参数进行比对，选定振动参数，对所有含水率的土样进行压实试验，测试干密度，获取土样干密度最大的土样对应的含水率为最优含水率；输出最优振动频率，最佳静重质量和偏心块质量组合，最优含水率以及最大干密度。本发明所提出的振动压实方法可匹配现场振动压实参数，对填料的振动采用与现场压实参数一致，进而指导现场施工。

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。