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(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310020)

?

壓實(shí)方法對(duì)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(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310020)

壓實(shí)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?dòng)臺(tái)法、表面振動(dòng)器法及現(xiàn)場振動(dòng)碾壓實(shí)法3種壓實(shí)方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究壓實(shí)方法對(duì)最大干密度的影響。結(jié)果表明，壓實(shí)方法對(duì)粗粒料最大干密度的影響不容忽視。振動(dòng)臺(tái)法和表面振動(dòng)器法最大干密度不同的主要原因是振動(dòng)加速度和附加蓋重作用機(jī)理不同；而表面振動(dòng)器法和現(xiàn)場振動(dòng)碾壓實(shí)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(dāng)利用室內(nèi)極值干密度試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)現(xiàn)場壓實(shí)效果時(shí)，應(yīng)注意以上因素的影響。

粗粒料；最大干密度；壓實(shí)方法；顆粒流

0 引 言

密實(shí)度是影響粗粒料縮尺效應(yīng)的一個(gè)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(jí)配、顆粒形狀及壓實(shí)方式等。史彥文[1，2]、郭慶國等[3]、朱崇輝等[4]通過試驗(yàn)證實(shí)了密實(shí)度縮尺效應(yīng)的存在；朱俊高等[5]則從縮尺方法的角度進(jìn)行了研究；T.L.Youd[6]、E. A. Dickin[7]研究了顆粒形狀對(duì)密度的影響；馮冠慶等[8]、傅華等[9]研究了壓實(shí)方法及壓實(shí)參數(shù)對(duì)密度的影響；朱晟等[10]采用數(shù)值方法研究了密實(shí)度縮尺效應(yīng)的細(xì)觀機(jī)理。然而，目前尚無研究者對(duì)現(xiàn)場振動(dòng)碾壓實(shí)與室內(nèi)壓實(shí)方法進(jìn)行對(duì)比研究，不同壓實(shí)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(yàn)的方法，對(duì)振動(dòng)臺(tái)法、表面振動(dòng)器法和現(xiàn)場振動(dòng)碾壓實(shí)3種壓實(shí)方法進(jìn)行了模擬，重點(diǎn)研究壓實(shí)方法對(duì)粗粒料最大干密度的影響。

1 試驗(yàn)方法和過程

1.1 試驗(yàn)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(yàn)。PFC2D在巖土工程中的有效性已經(jīng)被多數(shù)研究者驗(yàn)證[11]，其在模擬散粒體材料方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為研究粗粒料縮尺效應(yīng)的有效工具。

假定粗粒料顆粒形狀為圓形，且在壓實(shí)過程中不產(chǎn)生顆粒破碎。本文僅研究壓實(shí)方法這一個(gè)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(duì)最大干密度影響很小，實(shí)際碾壓時(shí)，添加水的主要目的是提高顆粒間潤滑性，盡快達(dá)到壓實(shí)效果，故數(shù)值模擬時(shí)不考慮水的作用。

1.2 試驗(yàn)級(jí)配和參數(shù)

試驗(yàn)級(jí)配采用Talbot曲線，級(jí)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(yàn)參數(shù)取值

對(duì)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(yàn)過程

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

表2 壓實(shí)方法數(shù)值模擬試驗(yàn)方案

壓實(shí)方式儀器尺寸/cm壓實(shí)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(dòng)臺(tái)法3034401—1460表面振動(dòng)器法303440—53961460現(xiàn)場碾壓法60940—53961460

(1)振動(dòng)臺(tái)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(shí)現(xiàn)振動(dòng)效果，頂部藍(lán)色顆粒簇為指定壓強(qiáng)的附加荷重。

(2)表面振動(dòng)器法。頂部和兩側(cè)“墻體”保持固定，頂部藍(lán)色顆粒簇除了具有指定重量的附加荷重的作用外，同時(shí)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(yàn)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(yàn)尺寸采用上述相同比值，當(dāng)顆粒最大粒徑為60 mm時(shí)，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(yīng)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(yīng)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(shí)，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(gè)“墻”來反映?，F(xiàn)場振動(dòng)碾壓實(shí)法的實(shí)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(shí)際尺寸保持幾何相似，振動(dòng)碾重量通過控制藍(lán)色大顆粒密度實(shí)現(xiàn)，前進(jìn)速度通過給予藍(lán)色大顆粒水平速度實(shí)現(xiàn)，激振力的實(shí)現(xiàn)方式與表面振動(dòng)器法一致。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

采用3種壓實(shí)方法壓實(shí)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(dòng)臺(tái)法試樣最小孔隙率為0.098，表面振動(dòng)器法為0.113，現(xiàn)場碾壓法為0.127。以表面振動(dòng)器法試樣為參考標(biāo)準(zhǔn)，則振動(dòng)臺(tái)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(shí)方法得到的最小孔隙率差別是比較明顯的。

圖1 壓實(shí)前、后試樣示意

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 表面振動(dòng)器法和振動(dòng)臺(tái)法

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

圖2 配位數(shù)與壓實(shí)時(shí)間關(guān)系

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

導(dǎo)致振動(dòng)臺(tái)法和表面振動(dòng)器法干密度不同的另一個(gè)因素是附加荷重。振動(dòng)臺(tái)法中，振動(dòng)加速度僅為頻率和振幅的函數(shù)，與附加荷重?zé)o關(guān)。附加荷重僅起到靜壓作用，這有利于試樣壓實(shí)。附加荷重越大，試樣干密度就越大，此結(jié)論在文獻(xiàn)[8]中得到證實(shí)。而表面振動(dòng)器法中，附加荷重與振動(dòng)加速度成反比，附加荷重越大，振動(dòng)加速度越小。此時(shí)，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(gè)最佳附加荷重，此時(shí)對(duì)應(yīng)的試樣最大干密度最大，大于或小于此最佳附加荷重時(shí)，試樣最大干密度均變小。另外，從附加荷重對(duì)試樣的靜壓效果來看，由于附加荷重會(huì)隨著振動(dòng)器一起振動(dòng)，因此，在一個(gè)周期內(nèi)，有一半時(shí)間，附加荷重會(huì)產(chǎn)生豎直向上的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)對(duì)試樣的靜壓效果會(huì)大打折扣，甚至沒有靜壓作用。從這個(gè)角度講，表面振動(dòng)器法測得的最大干密度應(yīng)比振動(dòng)臺(tái)法小。

2.2.2 表面振動(dòng)器法和現(xiàn)場碾壓法

表面振動(dòng)器法和現(xiàn)場碾壓法的壓實(shí)機(jī)理是一致的，即壓實(shí)能量從試樣表面向下部傳播，因此，認(rèn)為表面振動(dòng)器法更能真實(shí)反映現(xiàn)場密度。但根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使二者采用相同的級(jí)配和最大粒徑以及相同的振動(dòng)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(dòng)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(dòng)器法無論在什么時(shí)刻，均是全表面受到壓實(shí)，碾壓速度相當(dāng)于0；而現(xiàn)場碾壓法在某一時(shí)刻，僅在碾輪作用范圍內(nèi)的顆粒受到壓實(shí)，為部分表面受到壓實(shí)，因此，碾壓速度是影響試樣干密度的一個(gè)重要因素。

為了進(jìn)一步研究碾壓速度對(duì)干密度影響，進(jìn)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(yàn)。試驗(yàn)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(dāng)碾壓速度為0時(shí)，孔隙率為0.117。此時(shí)，最小孔隙率基本接近表面振動(dòng)器法的0.113，差值僅3.5%?？芍雺核俣仁乾F(xiàn)場碾壓法和表面振動(dòng)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(dāng)采用表面振動(dòng)器法得到的干密度評(píng)價(jià)現(xiàn)場壓實(shí)效果時(shí)，應(yīng)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(dòng)臺(tái)法、表面振動(dòng)器法及現(xiàn)場振動(dòng)碾壓實(shí)法3種壓實(shí)方法，進(jìn)一步研究了壓實(shí)方法對(duì)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(jí)配和最大粒徑一致，不同壓實(shí)方法得到的最大干密度也不同。

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

(3)表面振動(dòng)器法和現(xiàn)場振動(dòng)碾壓實(shí)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(xué)報(bào)， 1981 (2)： 53- 58．

[2]史彥文. 大粒徑粗粒壩料填筑標(biāo)準(zhǔn)的確定及施工控制[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)， 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．

[4]朱崇輝， 嚴(yán)寶文， 劉俊民， 等. 超粒徑粗粒土最大干密度試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2007， 26(S2)： 4090- 4094．

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

[6]YOUD T L. Factors Controlling Maximum and Minimum Densities of Sands[C]∥Seventy-fifth Annual Meeting of ASTM. Los Angeles： American Society for Testing and Materials. 1972： 98- 112．

[7]DICKIN E A. Influence of Grain Shape and Size upon the Limiting Porosities of Sands[C]∥Seventy-fifth Annual Meeting of ASTM. Los Angeles： American Society for Testing and Materials. 1972： 113- 120．

[8]馮冠慶， 楊蔭華. 堆石料最大指標(biāo)密度室內(nèi)試驗(yàn)方法的研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)， 1992 (5)： 37- 45．

[9]傅華， 凌華， 張亞麗， 等. 堆石料制樣方法對(duì)其強(qiáng)度和變形特性影響[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)： 工學(xué)版， 2012， 33(5)： 49- 52．

[10]朱晟， 王永明， 翁厚洋. 粗粒筑壩材料密實(shí)度的縮尺效應(yīng)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2011， 30(2)： 348- 357．

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

[12]BRAND E W. Some Observations on the Control of Density by Vibration[C]∥Seventy-fifth Annual Meeting of ASTM. Los Angeles： American Society for Testing and Materials. 1972： 121- 132．

(責(zé)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(xiàng)項(xiàng)目(200901065)；浙江省屬科研院所專項(xiàng)(2013F10050)

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

TV4

A

0559- 9342(2016)06- 0039- 03