壓實方法對粗粒料最大干密度的影響研究

曹 敏

(1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；2.浙江省水利防災減災重點實驗室，浙江杭州310020)

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壓實方法對粗粒料最大干密度的影響研究

曹 敏1，2

(1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；2.浙江省水利防災減災重點實驗室，浙江杭州310020)

壓實方法是影響粗粒料最大干密度的主要因素之一，采用二維顆粒流程序?qū)φ駝优_法、表面振動器法及現(xiàn)場振動碾壓實法3種壓實方法進行了數(shù)值模擬，研究壓實方法對最大干密度的影響。結(jié)果表明，壓實方法對粗粒料最大干密度的影響不容忽視。振動臺法和表面振動器法最大干密度不同的主要原因是振動加速度和附加蓋重作用機理不同；而表面振動器法和現(xiàn)場振動碾壓實法最大干密度不同的主要原因是碾壓速度和試樣尺寸不一致。當利用室內(nèi)極值干密度試驗結(jié)果評價現(xiàn)場壓實效果時，應注意以上因素的影響。

粗粒料；最大干密度；壓實方法；顆粒流

0 引 言

密實度是影響粗粒料縮尺效應的一個主要因素，受到許多研究者的關(guān)注。影響粗粒料最小和最大干密度的因素主要有顆粒級配、顆粒形狀及壓實方式等。史彥文[1，2]、郭慶國等[3]、朱崇輝等[4]通過試驗證實了密實度縮尺效應的存在；朱俊高等[5]則從縮尺方法的角度進行了研究；T.L.Youd[6]、E. A. Dickin[7]研究了顆粒形狀對密度的影響；馮冠慶等[8]、傅華等[9]研究了壓實方法及壓實參數(shù)對密度的影響；朱晟等[10]采用數(shù)值方法研究了密實度縮尺效應的細觀機理。然而，目前尚無研究者對現(xiàn)場振動碾壓實與室內(nèi)壓實方法進行對比研究，不同壓實方法下最大干密度產(chǎn)生差異的原因也沒有十分明確。本文采用數(shù)值試驗的方法，對振動臺法、表面振動器法和現(xiàn)場振動碾壓實3種壓實方法進行了模擬，重點研究壓實方法對粗粒料最大干密度的影響。

1 試驗方法和過程

1.1 試驗方法和基本假定

采用基于離散單元法(DEM)原理的二維顆粒流程序(PFC2D)來模擬粗粒料的最大干密度試驗。PFC2D在巖土工程中的有效性已經(jīng)被多數(shù)研究者驗證[11]，其在模擬散粒體材料方面具有獨特的優(yōu)勢，已經(jīng)成為研究粗粒料縮尺效應的有效工具。

假定粗粒料顆粒形狀為圓形，且在壓實過程中不產(chǎn)生顆粒破碎。本文僅研究壓實方法這一個因素的影響，暫不考慮顆粒形狀、顆粒破碎等因素的影響。另外，粗粒料中含水量對最大干密度影響很小，實際碾壓時，添加水的主要目的是提高顆粒間潤滑性，盡快達到壓實效果，故數(shù)值模擬時不考慮水的作用。

1.2 試驗級配和參數(shù)

試驗級配采用Talbot曲線，級配指數(shù)0.6，最大粒徑dmax=60 mm，最小粒徑dmin=1 mm。參數(shù)取值見表1。

表1 試驗參數(shù)取值

對象法向剛度kn/109N·m剛度比kn/ks顆粒密度ρs/g·cm-3顆粒間摩擦系數(shù)μp顆粒52.632.700.6側(cè)墻0.51.00—0.0加載板501.00—0.0

1.3 數(shù)值試驗過程

采用PFC2D模擬振動臺法、表面振動器法及現(xiàn)場碾壓法3種壓實方式，重點研究不同壓實方式下試樣的壓實效果。試驗方案見表2。為了排除儀器尺寸影響，表面振動器法和振動臺法儀器尺寸一致，與規(guī)范建議值稍有出入。

表2 壓實方法數(shù)值模擬試驗方案

壓實方式儀器尺寸/cm壓實參數(shù)直徑高度頻率/Hz振幅/mm激振力/N附加荷重/kPa最大粒徑/mm振動臺法3034401—1460表面振動器法303440—53961460現(xiàn)場碾壓法60940—53961460

(1)振動臺法。給底部“墻體”指定的頻率和振幅，通過位移正弦或余弦函數(shù)實現(xiàn)振動效果，頂部藍色顆粒簇為指定壓強的附加荷重。

(2)表面振動器法。頂部和兩側(cè)“墻體”保持固定，頂部藍色顆粒簇除了具有指定重量的附加荷重的作用外，同時給予其具有指定頻率的正弦或余弦激振力函數(shù)，激振力幅值采取規(guī)范值。

(3)現(xiàn)場碾壓法。現(xiàn)場碾壓試驗場地長度與顆粒最大粒徑比值為10，厚度與顆粒最大粒徑比值取1.5，碾輪直徑與顆粒最大粒徑比值為2.0。數(shù)值試驗尺寸采用上述相同比值，當顆粒最大粒徑為60 mm時，長度為600 mm，厚度為90 mm，碾輪直徑為120 mm。碾壓速度根據(jù)同一應變率取值，現(xiàn)場碾壓速度在2.0～5.0km/h之間，如果取3.6 km/h，則本文應取0.36 km/h(本文場地與現(xiàn)場場地尺寸比為1/10)，即0.1 m/s。現(xiàn)場碾壓時，碾壓部分前后均有較多粗粒料堆放，一定程度上限制了顆粒變形，故在數(shù)值模擬中采用兩個“墻”來反映?，F(xiàn)場振動碾壓實法的實現(xiàn)過程為：碾壓場地尺寸、顆粒最大粒徑及碾輪直徑均與實際尺寸保持幾何相似，振動碾重量通過控制藍色大顆粒密度實現(xiàn)，前進速度通過給予藍色大顆粒水平速度實現(xiàn)，激振力的實現(xiàn)方式與表面振動器法一致。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

采用3種壓實方法壓實前、后的試樣如圖1所示。將最大干密度轉(zhuǎn)化為孔隙率后，振動臺法試樣最小孔隙率為0.098，表面振動器法為0.113，現(xiàn)場碾壓法為0.127。以表面振動器法試樣為參考標準，則振動臺法孔隙率小13%左右，而現(xiàn)場碾壓法則大10%左右，可見不同壓實方法得到的最小孔隙率差別是比較明顯的。

圖1 壓實前、后試樣示意

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 表面振動器法和振動臺法

圖2是壓實過程中，配位數(shù)(每個顆粒與周圍顆粒的平均接觸數(shù))與壓實時間的關(guān)系曲線。由圖2可見：①整個壓實過程中，振動臺法配位數(shù)均高于表面振動器法；②與表面振動器法相比，振動臺法中配位數(shù)更早趨于收斂。配位數(shù)是表征試樣密實程度的一個有效指標(已經(jīng)被研究者證實[10])。同一試樣配位數(shù)越高，則試樣越密實，故配位數(shù)的變化反映了試樣密實程度的變化過程?？梢?，無論從最終的最大干密度(或最小孔隙率)，還是達到最大干密度的時間，振動臺法的壓實效果均優(yōu)于表面振動器法。

圖2 配位數(shù)與壓實時間關(guān)系

經(jīng)計算，振動臺法的最大振動加速度為63.16 m/s2(即6.44g)；表面振動器法的最大振動加速度為12.54 m/s2(即1.28g)。可見，二者的最大振動加速度差別非常大。振動加速度對最大干密度的影響已經(jīng)被研究者[12]證實。將振動臺法的振動加速度取值與表面振動器法一致，即1.28g，則振動臺的振幅為0.2 mm。補充進行了頻率40 Hz、振幅0.2 mm的振動臺法最大干密度試驗，得到的最小孔隙率為0.104，與表面振動器相差8%，與之前的13%相比，差異減小。說明除振動加速度外，仍有其他因素影響試樣的最大干密度。

導致振動臺法和表面振動器法干密度不同的另一個因素是附加荷重。振動臺法中，振動加速度僅為頻率和振幅的函數(shù)，與附加荷重無關(guān)。附加荷重僅起到靜壓作用，這有利于試樣壓實。附加荷重越大，試樣干密度就越大，此結(jié)論在文獻[8]中得到證實。而表面振動器法中，附加荷重與振動加速度成反比，附加荷重越大，振動加速度越小。此時，試樣最大干密度與附加荷重之間不再是單調(diào)的遞增關(guān)系，而是存在一個最佳附加荷重，此時對應的試樣最大干密度最大，大于或小于此最佳附加荷重時，試樣最大干密度均變小。另外，從附加荷重對試樣的靜壓效果來看，由于附加荷重會隨著振動器一起振動，因此，在一個周期內(nèi)，有一半時間，附加荷重會產(chǎn)生豎直向上的運動，此時對試樣的靜壓效果會大打折扣，甚至沒有靜壓作用。從這個角度講，表面振動器法測得的最大干密度應比振動臺法小。

2.2.2 表面振動器法和現(xiàn)場碾壓法

表面振動器法和現(xiàn)場碾壓法的壓實機理是一致的，即壓實能量從試樣表面向下部傳播，因此，認為表面振動器法更能真實反映現(xiàn)場密度。但根據(jù)本文計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使二者采用相同的級配和最大粒徑以及相同的振動頻率、激振力、附加荷重，得到的最小孔隙率也有差別，在10%左右。分析可知這兩種方法的區(qū)別為：①試樣尺寸。表面振動器法試樣徑徑比(試樣筒直徑/顆粒最大粒徑)為5.0，高寬比為1.13；而現(xiàn)場碾壓法試樣徑徑比為10，高寬比為0.15。②碾壓速度。表面振動器法無論在什么時刻，均是全表面受到壓實，碾壓速度相當于0；而現(xiàn)場碾壓法在某一時刻，僅在碾輪作用范圍內(nèi)的顆粒受到壓實，為部分表面受到壓實，因此，碾壓速度是影響試樣干密度的一個重要因素。

為了進一步研究碾壓速度對干密度影響，進行了碾壓速度分別為0.4、0.8、1.0、1.2、1.5 m/s，共5組現(xiàn)場碾壓試驗。試驗結(jié)果見圖3。由圖3可知，最小孔隙率與碾壓速度關(guān)系密切，且近似符合線性關(guān)系。當碾壓速度為0時，孔隙率為0.117。此時，最小孔隙率基本接近表面振動器法的0.113，差值僅3.5%。可知，碾壓速度是現(xiàn)場碾壓法和表面振動器法最大干密度(或最小孔隙率)產(chǎn)生差異的主要因素，因此，當采用表面振動器法得到的干密度評價現(xiàn)場壓實效果時，應考慮碾壓速度的影響。

圖3 最小孔隙率與碾壓速度關(guān)系

3 結(jié) 論

本文利用PFC2D分別模擬了振動臺法、表面振動器法及現(xiàn)場振動碾壓實法3種壓實方法，進一步研究了壓實方法對粗粒料最大干密度的影響，得到了以下結(jié)論：

(1)即使粗粒料的級配和最大粒徑一致，不同壓實方法得到的最大干密度也不同。

(2)振動臺法和表面振動器法最大干密度不同的主要因素是振動加速度和附加蓋重。

(3)表面振動器法和現(xiàn)場振動碾壓實法最大干密度不同的主要因素是碾壓速度和試樣尺寸。

[1]史彥文. 大粒徑砂卵石最大密度的研究[J]. 土木工程學報， 1981 (2)： 53- 58．

[2]史彥文. 大粒徑粗粒壩料填筑標準的確定及施工控制[J]. 巖土工程學報， 1982 (4)： 78- 93．

[3]郭慶國， 劉貞草. 確定大徑粗粒土最大密度的近似方法[J]. 西北水資源與水工程， 1992， 3(1)： 12- 21．

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[5]朱俊高， 翁厚洋， 吳曉銘， 等. 粗粒料級配縮尺后壓實密度試驗研究[J]. 巖土力學， 2010， 31 (8)： 2394- 2398．

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[11]王永明， 任金明， 武利強， 等. PFC模擬筑壩粗粒料力學特性的有效性分析[J]. 水電能源科學， 2012， 30(10)： 72- 75．

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(責任編輯 王 琪)

Study of the Influence of Compaction Methods on Maximum Dry Density of Coarse-Grained Material

CAO Min1,2

(1. Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary, Hangzhou 310020, Zhejiang, China;2. Zhejiang Key Laboratory of Hydraulics Disaster Prevention and Mitigation, Hangzhou 310020, Zhejiang, China)

The compaction method is one of important factors which affect maximum dry density of coarse-grained material. Three compaction methods of vibrating table method, surface vibrator method and field-compaction method are simulated by using 2-D Particle Flow Code to study the influences of compaction method on maximum dry density of coarse-grained material. The results indicate that the influence cannot be ignored. The main reason of different maximum dry density between vibrating table method and surface vibrator method is different act mechanism between vibration acceleration and additional weight, and the reason between surface vibrator method and field-compaction method is different rolling velocity and sample dimensions. So, above influence should be considered when determining field-compaction effect according to the results of indoor dry density tests．

coarse-grained material; maximum dry density; compaction method; particle flow

2015- 11- 22

水利部公益性行業(yè)科研專項項目(200901065)；浙江省屬科研院所專項(2013F10050)

曹敏(1978—)，女，浙江湖州人，高級工程師，從事水利工程質(zhì)量檢測與科學研究工作．

TV4

A

0559- 9342(2016)06- 0039- 03