粗粒土与巨粒土最大干密度及相对密度试验 振动台法与试验装置

1 引言

粗粒土和巨粒土广泛用作填筑材料，其力学性质与压实程度密切相关。最大干密度和相对密度是评价其压实质量的关键指标。由于颗粒较粗，标准击实法往往效果不佳，因此振动台法成为测定粗粒土和巨粒土最大干密度的主要手段，并可进一步计算相对密度。本文系统介绍振动台法试验装置、试验原理、操作步骤及相对密度计算方法。

2 试验原理

振动台法通过施加垂直振动荷载，使粗粒土颗粒重新排列，达到密实状态。在最优含水率下，振动后的干密度最大值即为最大干密度（ρdmax）。相对密度（Dr）则通过最大干密度、最小干密度（松散状态）及现场干密度计算，反映土的密实程度：

\[ Dr = \frac{\rho{dmax} (\rhod - \rho{dmin})}{\rhod (\rho{dmax} - \rho_{dmin})} \]

其中ρd为现场干密度，ρdmin为最小干密度。对于巨粒土，常需在相似级配或等量替代后测试。

3 试验装置

振动台法主要装置包括：

• 振动台：频率可调（通常10~60 Hz），振幅0.1~1.0 mm，承载能力不小于500 kg，配备垂直振动电机。
• 试筒：圆柱形金属筒，内径随最大粒径选择（常见Φ300 mm×H300 mm或Φ500 mm×H500 mm），有足够刚度。
• 套筒、护筒和底板：套筒用于增加装料高度，底板与振动台刚性连接。
• 加压盖与配重：传递垂直压力，配重使试样表面压力达到规定值（如14 kPa或按工程要求）。
• 量测系统：百分表或位移传感器测竖向变形，天平（精度1 g）称质量，烘箱测含水率。
• 辅助工具：加料漏斗、拌合盘、铲等。

对于巨粒土，试筒直径应大于最大粒径的5倍以上，以避免尺寸效应。

4 试验步骤

1. 制备试样：取代表性风干土，按预定含水率加水拌合均匀，闷料。
2. 装料：将试筒固定于振动台，分层装入试样，每层厚度不宜过大，轻压整平。
3. 安装加压盖与配重：放置加压盖，加上配重块，使试样承受规定压力。
4. 振动压实：启动振动台，振动约6~10 min，至试样表面不再下沉。
5. 测量与称重：停止振动，卸下配重和套筒，刮平表面，测竖向变形，称试筒加土总质量。
6. 计算干密度：

\[ \rhod = \frac{ms}{V_c} \]

其中ms为干土质量，Vc为试筒体积（考虑变形修正）。重复2~3次，取平均。

1. 绘制曲线：对不同含水率进行试验，绘制干密度-含水率曲线，峰值即为最大干密度ρdmax和最优含水率wopt。

如需最小干密度，可采用漏斗法或量筒法，将土样缓慢注入已知体积容器，量测最大体积Vmax，计算 ρdmin = ms / Vmax （须保证无振动）。

5 相对密度计算与应用

对于现场填筑，依据现场干密度 ρd 代入Dr公式计算相对密度。反三角关系的Dr常用百分数表示。工程中按照Dr将密实度分为：松散（Dr<1/3）、中密（1/3≤Dr≤2/3）、密实（D_r>2/3）。振动台法的最大干密度是计算符合要求的密实度的基准。

在巨粒土中，若超粒径颗粒较多，可采用相似级配法将超粒径颗粒按比例缩至试验允许粒径，再修正为原型最大干密度。

6 注意事项

• 试筒尺寸应与最大粒径匹配，一般要求试筒内径≥5D_max，若砾石最大粒径40 mm，宜用Φ300 mm试筒；更大粒径用更大试筒。
• 振动参数（频率、振幅、时间）对结果影响较大，应统一并记录。
• 装料时应避免颗粒分离，分层不宜超过试筒高度的1/3。
• 表面整平不可用力压密，防止掩盖振动效果。
• 称量和体积测量需准确，试筒体积应定期率定。
• 对巨粒土，慎用击实法，优先选用振动台法。
• 安全防护：振动台运行时应注意稳定，防止试筒移位。

7

振动台法能模拟实际振动碾压条件，有效测定粗粒土、巨粒土的最大干密度，并为相对密度计算提供基础参数。试验操作中应严格控制装置精度、颗粒级配及振动参数，确保结果可靠，为工程设计与压实质量控制提供科学依据。规范的试验操作和正确的数据修正，尤其对于巨粒土，是获得可信最大干密度和相对密度的关键。