陳志遠(yuǎn) 王振振 陳軍琪

（葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，湖北 宜昌443002）

關(guān)于振動(dòng)法測(cè)試碾壓混凝土填筑密實(shí)程度的研究

陳志遠(yuǎn) 王振振 陳軍琪

（葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，湖北 宜昌443002）

文章介紹了一種用振動(dòng)法測(cè)試碾壓混凝土填筑密實(shí)程度的研究過程和成果，提出了用土體振動(dòng)參數(shù)表征密實(shí)程度的觀點(diǎn)，對(duì)土體振動(dòng)傳播速度、主振頻率、振動(dòng)幅度多種參數(shù)與密實(shí)度的關(guān)系進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)了振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度與土體密實(shí)程度之間存在的規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)形成了一種新的碾壓混凝土密度程度測(cè)試方法，有望在業(yè)內(nèi)得以應(yīng)用。

振動(dòng)法；密實(shí)度；主振頻率；振動(dòng)能量；碾壓混凝土

1 背景

當(dāng)今，碾壓混凝土正在得到廣泛應(yīng)用，其大面積通倉薄層攤鋪，振動(dòng)碾壓密實(shí)的施工工藝，非常適合大規(guī)模機(jī)械化作業(yè)，從而很大程度上提高了混凝土的施工速度。這種快速施工的混凝土，其施工質(zhì)量通常需要靠測(cè)試密實(shí)度予以控制和評(píng)價(jià)。

密實(shí)度是評(píng)價(jià)碾壓混凝土密實(shí)程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)，密實(shí)度大，混凝土的密實(shí)程度就高，硬化后的混凝土性能就更優(yōu)，比如強(qiáng)度高，層間結(jié)合好，抗?jié)B透性能好等，所以，能夠快速測(cè)試出碾壓混凝土的密實(shí)度，可以及時(shí)指導(dǎo)碾壓施工，很有意義。

密實(shí)度是土體實(shí)測(cè)密度與預(yù)定最大密度的百分比。工程上常用測(cè)量土體密度的方法主要有質(zhì)量體積測(cè)量法、置換法、核子密度儀測(cè)試法三種。其中質(zhì)量體積測(cè)量法一般需要一固定體積的容器，并使試樣充滿容器后稱重，只適用于試驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試，很難在大規(guī)模生產(chǎn)中應(yīng)用；置換法測(cè)密度又分為有灌砂、灌水兩種方式，置換法由于需要在測(cè)試部位挖坑、灌砂（水）、稱量，步驟繁瑣，耗時(shí)較長，不易操作，多用于土石料密度測(cè)試，在碾壓混凝土鋪筑質(zhì)量檢測(cè)中較少使用。

當(dāng)前普遍使用核子密度儀進(jìn)行碾壓混凝土密實(shí)度測(cè)試。其原理是儀器中的同位素放射出γ射線，一部分γ射線被土體材料吸收，一部分穿透土體被儀器測(cè)點(diǎn)接收，通過γ射線損耗換算出材料的密度。由于其內(nèi)置1個(gè)或2個(gè)核源，對(duì)操作人員健康和環(huán)境有一定程度的不利影響，操作人員須定期培訓(xùn)、體檢。另外，為了加強(qiáng)放射物品管理，核子儀中的每個(gè)核源都必須在政府管控下使用，核子儀的運(yùn)輸需要環(huán)保部門審批，存儲(chǔ)需要專用的庫房，報(bào)廢需要通過專業(yè)機(jī)構(gòu)，這些因素給利用核子密度儀進(jìn)行碾壓混凝土密實(shí)度檢測(cè)工作帶來諸多不便。

綜上所述，碾壓混凝土工程施工中急需一種無核化的、快捷的密實(shí)度測(cè)試方法。振動(dòng)法測(cè)試碾壓混凝土密實(shí)程度研究就是在這種背景下開展起來的。

2 技術(shù)路徑

密實(shí)度測(cè)試方法的提出以無核化、安全快捷為出發(fā)點(diǎn)，不考慮傳統(tǒng)的灌水、灌砂的費(fèi)力費(fèi)時(shí)的方法，且測(cè)試儀器和過程都力求使測(cè)試簡捷和快速。為達(dá)此目的，筆者想到了振動(dòng)法。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和振動(dòng)學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在人們已經(jīng)能夠?qū)ξ矬w的振動(dòng)進(jìn)行快速的采集和分析，從而透過振動(dòng)參數(shù)了解物體的物理力學(xué)特性，這是進(jìn)行振動(dòng)法測(cè)試的基礎(chǔ)。而碾壓混凝土在從攤鋪后的松散狀態(tài)到碾壓密實(shí)的過程中，可以抽象地看成一個(gè)剛度不斷變化的彈性體。假設(shè)通過一剛性墊板對(duì)土體實(shí)施瞬態(tài)激振，墊板下土體的彈性系數(shù)為k，參與振動(dòng)的質(zhì)量為m，則該振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率f的計(jì)算見式（1）：

從式中可以看出，振動(dòng)頻率與土體的彈性系數(shù)就有密切的關(guān)系。而土體彈性系數(shù)的大小會(huì)隨著土體壓實(shí)程度的變化有相應(yīng)的變化。所以，對(duì)該彈性體進(jìn)行瞬態(tài)激振，采集振動(dòng)波并進(jìn)行分析，從理論上說，會(huì)得到土體密實(shí)程度隨振動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律，若能建立密實(shí)度隨振動(dòng)參數(shù)變化的關(guān)系曲線，則在實(shí)際測(cè)試時(shí)只需對(duì)碾壓混凝土瞬態(tài)激振即可進(jìn)一步得出對(duì)應(yīng)的密實(shí)度。

而事實(shí)上，振動(dòng)參數(shù)不止是頻率，激振方式也不止是瞬態(tài)激振，采集振動(dòng)的方式也多種多樣，從中找出合適的方式和振動(dòng)信號(hào)特征值參數(shù)組合，使測(cè)值準(zhǔn)確、操作方便，是此項(xiàng)研究的關(guān)鍵。

3 研究內(nèi)容

找到與密實(shí)度相關(guān)性明顯的振動(dòng)參數(shù)是本研究的核心，筆者用瞬態(tài)激振的方法激發(fā)土體的振動(dòng)，分別對(duì)振動(dòng)傳播速度、主振頻率、振動(dòng)幅度幾種參數(shù)與密實(shí)度的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

3.1 振動(dòng)傳播速度研究

在土體表面施加一個(gè)瞬態(tài)激振，振動(dòng)會(huì)在土體中傳播開去，有資料表明，土體越密實(shí)，其傳播振動(dòng)的速度會(huì)越高，如果這個(gè)結(jié)論能通過驗(yàn)證，則可以用以進(jìn)行土體密實(shí)度的測(cè)試。按照這個(gè)思路，筆者進(jìn)行了振動(dòng)傳播速度與密實(shí)度的關(guān)系研究。振動(dòng)傳播速度的測(cè)定采用2個(gè)垂直檢波器和1臺(tái)2通道測(cè)振儀進(jìn)行。

測(cè)速時(shí)設(shè)定 2個(gè)垂直檢波器和激錘在同一條直線上，分別相隔一定距離，且激錘在檢波器的同一側(cè)。當(dāng)激錘在被測(cè)土體上激發(fā)振動(dòng)，2個(gè)檢波器任意一個(gè)受到觸發(fā)，2個(gè)檢波器則同時(shí)開始采集并持續(xù)一定時(shí)間，得到 2個(gè)振動(dòng)波數(shù)列。利用這兩個(gè)數(shù)列計(jì)算振動(dòng)波傳播到兩個(gè)傳感器所在位置的時(shí)間差，再通過測(cè)得的兩個(gè)傳感器之間的距離便可計(jì)算出振動(dòng)傳播速度。

筆者在試驗(yàn)基地制作了不同密實(shí)度的試墩，進(jìn)行了多次測(cè)試，并在四川內(nèi)江到遂寧的高速公路工程的水泥穩(wěn)定層施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試。

研究結(jié)果表明，利用這種方法測(cè)試振動(dòng)傳播速度，結(jié)果重復(fù)性差，與密實(shí)度之間無規(guī)律可循。此外，測(cè)試需要布置2個(gè)傳感器，1個(gè)激振裝置，傳感器和測(cè)振儀之間需要連接數(shù)據(jù)線，測(cè)試裝置分散，整體性差，傳感器要靠長尾錐固定在土體中，而土體中的石子常常使傳感器固定不穩(wěn)，這些因素致使測(cè)試耗時(shí)長，結(jié)果不穩(wěn)定，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求。因此，利用振動(dòng)傳播速度測(cè)試密實(shí)度的方案未能繼續(xù)。

3.2 土體主振頻率研究

前期的研究讓筆者意識(shí)到，找到一個(gè)重復(fù)性好的振動(dòng)參數(shù)是振動(dòng)法測(cè)試密實(shí)度的前提，測(cè)試過程簡單才能滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試快捷的要求，接著，筆者開始了土體振動(dòng)頻率的研究。

土體的主振頻率：在土體上施加瞬態(tài)激振，測(cè)試到的振動(dòng)波包含不同頻率的振動(dòng)，而最有代表性的是能量最高的頻率成分，把這種成分分離出來，其對(duì)應(yīng)的頻率筆者稱之為主振頻率。為了分析主振頻率，筆者利用了一種數(shù)學(xué)手段，即快速傅里葉變換。

快速傅里葉變換：人們稱之為數(shù)學(xué)三棱鏡，象三棱鏡能把白色光折射成七色光譜一樣，快速傅里葉變換能把包含不同頻率的振動(dòng)波轉(zhuǎn)化為許多單一頻率振動(dòng)波的組合，并且這種轉(zhuǎn)化很適合于通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，其基本原理見公式（2）。

其中X(t)為采集到的時(shí)域波形。

土體主振頻率的研究大部分在試驗(yàn)室進(jìn)行，筆者制作了不同式樣的試墩開展試驗(yàn)。除了在基地進(jìn)行的試驗(yàn)外，筆者到南水北調(diào)工程禹長段的渠道施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)粘土材料進(jìn)行了壓實(shí)程度的振動(dòng)法測(cè)試，到大渡河猴子巖電站，對(duì)反濾土料進(jìn)行了壓實(shí)程度的振動(dòng)法測(cè)試，又到觀音巖水電工程的大壩施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)碾壓混凝土進(jìn)行了測(cè)試。

土體主振頻率的研究結(jié)果表明，對(duì)于不同顆粒組成的土料，在其碾壓密實(shí)過程中呈現(xiàn)出的密實(shí)程度和主振頻率的關(guān)系不一樣：

對(duì)于粘性較大的土料，比如粘土和瀝青混凝土，其密實(shí)程度和主振頻率未表現(xiàn)出相關(guān)性；

對(duì)于粘性稍小的土料，比如碾壓混凝土，其密實(shí)程度和主振頻率表現(xiàn)出了不同斜率的分段線性相關(guān)現(xiàn)象。即在碾壓的起始階段，密實(shí)程度增大，主振頻率增大，之后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，密實(shí)程度繼續(xù)增大，主振頻率則開始變??；

對(duì)于無粘性土，比如土石壩上的過渡料、反濾料，其密實(shí)程度和主振頻率表現(xiàn)出了正線性相關(guān)現(xiàn)象。即密實(shí)程度增大，主振頻率增大。

3.3 土體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度研究

在進(jìn)行土體振動(dòng)測(cè)試時(shí)，傳感器為振動(dòng)速度傳感器，那么其采集到的就是土體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度，除了進(jìn)行主振頻率的研究，同時(shí)我們也對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和密實(shí)度的關(guān)系進(jìn)行了研究。

研究采用上述測(cè)試中采集到的波形數(shù)據(jù)，對(duì)波形圖中起始段振動(dòng)明顯的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，得出一個(gè)來自質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的指標(biāo)，這里稱之為振動(dòng)能量，分析振動(dòng)能量和土體密實(shí)程度的關(guān)系，從中尋找相關(guān)性。

分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)于無粘性土，比如土壩過渡料、反濾料，對(duì)于粘性土，比如粘土，土體的振動(dòng)能量和密實(shí)程度未呈現(xiàn)出相關(guān)性；而對(duì)于粘性稍小的碾壓混凝土料，在碾壓起始階段，其振動(dòng)能量隨密實(shí)程度的增加而稍有增加，之后，則增加幅度變大，在振動(dòng)能量和密度的關(guān)系圖中呈現(xiàn)出二條斜率不同的直線。

這一規(guī)律可以用于對(duì)碾壓混凝土壓實(shí)質(zhì)量的測(cè)試，即對(duì)于某一材料組成的新拌碾壓混凝土料，在接近碾壓密實(shí)的狀態(tài)下，其振動(dòng)能量和密實(shí)度成正線性相關(guān)，測(cè)試其振動(dòng)能量，可以間接反映出其密實(shí)度。

4 研究成果

經(jīng)過上述的研究過程，振動(dòng)法測(cè)試碾壓混凝土密實(shí)度的項(xiàng)目取得的成果已不僅局限于測(cè)試碾壓混凝土，還拓展到了其它壓實(shí)土料的密實(shí)程度測(cè)試。通過此項(xiàng)研究，提出了土密實(shí)度測(cè)試方法，振動(dòng)能量法和振動(dòng)頻率法。

4.1 土密實(shí)度測(cè)試方法——振動(dòng)能量法

振動(dòng)能量法：在被測(cè)土體上用規(guī)定激振器產(chǎn)生振動(dòng)，按規(guī)定采樣頻率和采樣時(shí)間采集該振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度數(shù)列，對(duì)該數(shù)列按規(guī)定方法進(jìn)行計(jì)算得出振動(dòng)能量，則對(duì)應(yīng)于某類土體其振動(dòng)能量與密實(shí)度之間存在相關(guān)性。預(yù)先通過碾壓試驗(yàn)建立振動(dòng)能量與土密實(shí)度之間的關(guān)系方程，測(cè)試時(shí)只需得到振動(dòng)能量即可根據(jù)方程計(jì)算出密實(shí)度。

設(shè)，采集到的振動(dòng)速度數(shù)列即振動(dòng)波形為：

{Xn}= X1，X2，．．．，Xn；

數(shù)列中各項(xiàng)的平均值為：E({Xn})；

數(shù)列中各項(xiàng)的極差為：Range({Xn})；

那么，振動(dòng)能量計(jì)算見公式（3）：

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)能量法適合于對(duì)碾壓混凝土密實(shí)度的測(cè)試。

振動(dòng)能量和密度測(cè)試結(jié)果，見表1。表中Ev為振動(dòng)能量，ρ為密度。按表1中的數(shù)據(jù)繪制振動(dòng)能量與密度的關(guān)系曲線，見圖.1。如圖中所示，振動(dòng)能量和密度的線性相關(guān)系數(shù)分別為：0.9629、0.9585、0.9956和0.9652，均大于臨界值，表示相關(guān)性顯著。

表1 振動(dòng)能量和密度測(cè)試結(jié)果

那么，碾壓混凝土料在壓實(shí)過程中為什么表現(xiàn)出振動(dòng)能量和密度線性相關(guān)的現(xiàn)象呢？這要從碾壓混凝土的材料組成入手來分析，碾壓混凝土由粗骨料和砂漿組成，砂漿內(nèi)的水泥和粉煤灰等膠凝材料的粒徑大都在0.08mm以下，因這些細(xì)小顆粒的比表面積相對(duì)較大，與水混合后，對(duì)水具有一定的束縛作用，使砂漿具有一定的保水性。砂漿是用來充填粗骨料之間的空隙的，在碾壓初始階段下，混凝土材料處于松散架空狀態(tài)，砂漿的充填率比較低，粗骨料之間由砂漿引起的潤滑效應(yīng)較弱，混凝土表現(xiàn)出一定的剛度，隨著碾壓作用的增加，砂漿的充填率越來越高，密實(shí)度逐漸增大，土體剛度略有增大，而到碾壓后期，粗骨料的空隙完全被砂漿充填，且砂漿體積略大于粗骨料的空隙體積，這樣，粗骨料逐漸在砂漿中懸浮起來，同時(shí)碾壓作用又使砂漿中的部分水游離出來，使砂漿的流動(dòng)性增大，混凝土就表現(xiàn)出剛度的逐漸減小。原來僵硬的混凝土被變軟了。這樣，相同的激振力下，在混凝土表面產(chǎn)生的振動(dòng)速度隨著密實(shí)度的增加也逐漸增加了，振動(dòng)能量也相應(yīng)增大了，振動(dòng)能量也相應(yīng)增大了。

圖1 振動(dòng)能量和密度關(guān)系曲線

4.2 土密實(shí)度測(cè)試方法——振動(dòng)頻率法

振動(dòng)頻率法：在被測(cè)土體上用規(guī)定激振器產(chǎn)生振動(dòng)，采集到土體的振動(dòng)數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行分析得到土體的主振頻率，則對(duì)應(yīng)于某類土體其主振頻率與密實(shí)度之間存在相關(guān)性。預(yù)先通過碾壓試驗(yàn)建立主振頻率與土密實(shí)度之間的關(guān)系方程，測(cè)試時(shí)只需得到主振頻率即可依據(jù)方程計(jì)算出密實(shí)度。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用振動(dòng)頻率法進(jìn)行密實(shí)度測(cè)試更適合于無粘性土，以下是測(cè)試結(jié)果。主振頻率和密度測(cè)試結(jié)果，見表2。表中F為主振頻率，ρ為密度。按表2中的數(shù)據(jù)繪制主振頻率與密度的關(guān)系曲線，見圖2。如圖中所示，主振頻率和密度的線性相關(guān)系數(shù)分別為：0.9378和 0.8520，均大于臨界值，表示相關(guān)性顯著。

那么，無粘性土料在壓實(shí)過程中為什么表現(xiàn)出主振頻率和密度線性相關(guān)的現(xiàn)象呢？從無粘性土的材料組成入手進(jìn)行分析后認(rèn)為，這種土料中粘粒含量低，保水能力差，在碾壓和振動(dòng)作用下，土顆粒之間相互填充，土體的空隙率逐漸減低，密實(shí)度逐漸增加，卻由于水分容易流失，漿體含量少，致使土顆粒之間漿體的懸浮、潤滑作用無法表現(xiàn)出來，則土體呈現(xiàn)出密實(shí)度越高，剛度越大的現(xiàn)象，而主振頻率的增大正是剛度增大的反應(yīng)。類似土壩中的過渡料、反濾料等材料，正是這種無粘性土料。

能量法和頻率法兩種方法究竟使用哪一種，可通過正式施工前進(jìn)行的碾壓試驗(yàn)結(jié)果判定，即同時(shí)計(jì)算振動(dòng)能量和振動(dòng)頻率，檢驗(yàn)其與密實(shí)度相關(guān)性的高低，選用相關(guān)性高的指標(biāo)。在實(shí)際使用過程中，被測(cè)土料的組成、含水量應(yīng)保持穩(wěn)定，如果發(fā)生較大變化，應(yīng)重新率定關(guān)系曲線，才能保證測(cè)值的可靠性。

表2 主振頻率和密度測(cè)試結(jié)果

圖2 主振頻率和密度關(guān)系曲線

5 結(jié)束語

該項(xiàng)研究首次引入了以碾壓混凝土土體的振動(dòng)特征參數(shù)表示其密實(shí)程度的理念，突破了傳統(tǒng)的僅以密度表示密實(shí)程度的做法，增進(jìn)了人們對(duì)土體密實(shí)性的認(rèn)識(shí)。事實(shí)上，填筑土體結(jié)構(gòu)的牢固程度才是人們關(guān)注的，而并非密度。在松散土體經(jīng)過諸如碾壓、振搗等處理之后，土顆粒之間的相互作用加強(qiáng)會(huì)引起土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，這勢(shì)必導(dǎo)致其振動(dòng)特征發(fā)生變化，所以對(duì)土體振動(dòng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)較之密度能更直接地把握填筑效果，且能做到無損和快捷。

該項(xiàng)研究取得的成果，即用振動(dòng)的方式測(cè)試碾壓混凝土密實(shí)度的方法，充分考慮了施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的實(shí)際狀況，兼具實(shí)用、穩(wěn)定和可靠的特點(diǎn)，無需挖坑、灌砂、灌水和稱量土料，無核源的放射性污染，省時(shí)、省力，健康環(huán)保。它不但適用于碾壓混凝土，也適用于土石壩填筑中反濾料、過渡料，道路施工中的水泥穩(wěn)定土等多種土料的壓實(shí)質(zhì)量控制，適用范圍廣，具有良好的應(yīng)用前景。

此外，對(duì)于研究提出的密實(shí)度測(cè)試方法，還需要在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大量的試驗(yàn)，盡量暴露出問題和缺陷，加以改進(jìn)、完善和總結(jié)，才能使之最終為行業(yè)接受。

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[3] 李丕武.堆石體密度測(cè)定的附加質(zhì)量法[J].地球物理學(xué)報(bào), 1999,(3):422-427.

About the research of test roller compacted concrete filling compaction degree by vibration method

This paper introduces the research process and result about testing roller compacted concrete filling compaction degree using vibration method, put forward with the view of characterizing soil dense degree by its parameter, and to explore the relationship between.variety of soil vibration parameters and compactness of soil, including the soil vibration propagation speed, the main vibration frequency, the vibration amplitude etc, and to find the rule between the soil vibration frequency, vibration amplitude and soil compaction degree. On this basis, to form the new testing method for density degree of roller compacted concrete, is expected to application in the industry.

vibration method; compactness; main vibration frequency; vibration energy; roller compacted concrete

Q813.11..

A....

1008-1151(2015)08-0016-04

2015-07-15

陳志遠(yuǎn)（1969－），男，河南郾城人，葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測(cè)有限公司教授級(jí)高級(jí)工程師，從事試驗(yàn)檢測(cè)工作。