垂直振動(dòng)與圓周振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)性能對(duì)比

李晨光，任雪嬌，蔣文志，武甜，曹鑫鑫

(長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安　710064)

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垂直振動(dòng)與圓周振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)性能對(duì)比

李晨光，任雪嬌，蔣文志，武甜，曹鑫鑫

(長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064)

摘要：采用理論分析和試驗(yàn)研究的方法，利用壓路機(jī)名義振幅、土壤壓實(shí)度、鋪層沉降量3個(gè)參數(shù)，對(duì)同噸位垂直振動(dòng)壓路機(jī)與圓周振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)性能進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)圓周振動(dòng)壓路機(jī)，同噸位垂直振動(dòng)壓路機(jī)高幅振動(dòng)時(shí)名義振幅增大17%，低幅振動(dòng)時(shí)增大40%，且3層土壤壓實(shí)度分別達(dá)到96.83%、92.62%、89.88%，6遍高幅壓實(shí)后鋪層的沉降量占到總累計(jì)沉降量的75%以上。垂直振動(dòng)壓路機(jī)能產(chǎn)生更大的壓實(shí)激振力，壓實(shí)影響深度大，且能以較少的壓實(shí)遍數(shù)使土壤密實(shí)，壓實(shí)效率更高。

關(guān)鍵詞：垂直振動(dòng)壓路機(jī)；圓周振動(dòng)壓路機(jī)；名義振幅；壓實(shí)度；沉降量

圖1　圓周振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)示意圖

振動(dòng)壓路機(jī)是公路建設(shè)中必不可少的施工設(shè)備，自20世紀(jì)三四十年代首次出現(xiàn)開(kāi)始[1]，振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新，出現(xiàn)了多種多樣的振動(dòng)壓實(shí)機(jī)械。其中，垂直振動(dòng)壓實(shí)是近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)并逐漸興起的一種新型壓實(shí)技術(shù)。

圖2　垂直振動(dòng)壓路機(jī)示意圖

傳統(tǒng)的圓周振動(dòng)壓路機(jī)普遍通過(guò)偏心塊的高速旋轉(zhuǎn)，采用如圖1所示的單軸激振系統(tǒng)[2]，使鋼輪產(chǎn)生沿圓周方向的振動(dòng)。這種振動(dòng)形式不僅會(huì)引起鋼輪在水平方向的橫向振動(dòng)，難以保證在低速壓實(shí)時(shí)的穩(wěn)定性，還會(huì)增加振動(dòng)功率消耗。垂直振動(dòng)壓路機(jī)的激振機(jī)構(gòu)，采用如圖2所示的雙軸激振系統(tǒng)[3]，可以使水平方向上的激振力相互抵消，消除壓路機(jī)在水平方向的橫向振動(dòng)，保證了振動(dòng)壓路機(jī)低速壓實(shí)時(shí)的穩(wěn)定性，提高壓實(shí)作業(yè)質(zhì)量。且垂直振動(dòng)壓路機(jī)理論上只產(chǎn)生作用于垂直地面方向的振動(dòng)，全部用于壓實(shí)土壤作業(yè)，因此大大降低能量損失[4-7]。

1理論分析

1.1振幅與土壤慣性力的關(guān)系

在振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)過(guò)程中，鋼輪下的土壤顆粒受迫振動(dòng)，質(zhì)量m的土壤顆粒受到的慣性力[8]

F=-mAω2cos(ωt+β)，

(1)

式中：A為振幅；β為相位角；ω為振動(dòng)頻率；t為時(shí)間。

由式(1)可知，當(dāng)振動(dòng)輪振動(dòng)頻率ω確定后，振動(dòng)輪振幅A越大，則在相同壓實(shí)深度下，土壤顆粒受到的慣性力越大，越容易克服周圍其他土壤顆粒間的摩擦力而偏移自己原來(lái)的位置，即越容易被壓實(shí)。對(duì)于傳統(tǒng)的圓周振動(dòng)壓路機(jī)，因?yàn)槠渥陨斫Y(jié)構(gòu)的局限，過(guò)大的振幅會(huì)影響壓路機(jī)低速行駛的穩(wěn)定性，但垂直振動(dòng)壓路機(jī)的激振系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上消除了振動(dòng)輪的水平振動(dòng)，保證了壓路機(jī)在低速壓實(shí)時(shí)的行駛穩(wěn)定性；垂直振動(dòng)壓路機(jī)可以設(shè)計(jì)比圓周振動(dòng)壓路機(jī)更大的振幅，豎直向下的激振力更大，從而對(duì)土壤顆粒施加更大的慣性力，提高壓路機(jī)的壓實(shí)能力。

1.2壓實(shí)度檢測(cè)

壓實(shí)度是路基路面施工質(zhì)量檢測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，表征土壤壓實(shí)后的密度狀況，壓實(shí)度越高，密度越大，材料整體性能越好[9-10]。對(duì)于路基、路面半剛性基層及粒料類柔性基層而言，壓實(shí)度是指壓實(shí)后實(shí)際達(dá)到的干密度與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)最大干密度的比值[11]。試驗(yàn)時(shí)采用環(huán)刀法測(cè)量土壤的壓實(shí)度[12]。

壓實(shí)土樣的含水率

q=(mhs-mhg)/(mhg-mh)×100%，

式中:mhs為盒與濕土的質(zhì)量；mhg為盒與干土的質(zhì)量；mh為盒的質(zhì)量。

壓實(shí)土樣的干密度

ρg=(mdt-md)/〔V(1+q)〕×100%，

式中：ρg為壓實(shí)土樣的干密度；mdt為環(huán)刀和土的質(zhì)量；md為環(huán)刀的質(zhì)量；V為環(huán)刀的容積。

則壓實(shí)度

n=ρg/ρmax×100%，

式中ρmax為土壤在試驗(yàn)含水率下的最大干密度。

2試驗(yàn)分析

為了對(duì)垂直振動(dòng)壓路機(jī)與圓周振動(dòng)壓路機(jī)的工作性能有直觀的比較，現(xiàn)對(duì)某國(guó)產(chǎn)22 t單鋼輪垂直振動(dòng)壓路機(jī)與同噸位單鋼輪圓周振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，從名義振幅、壓實(shí)作業(yè)后土壤沉降量和壓實(shí)度3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1名義振幅

由式(1)可知，振幅決定了振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)土壤顆粒作用的慣性力[13-15]，同時(shí)也在一定程度上決定了壓實(shí)深度。在參振質(zhì)量及激振頻率一定的情況下，較大的振幅不僅能提高土壤的壓實(shí)度，同時(shí)也會(huì)提升壓實(shí)作業(yè)的深度[16]。為了測(cè)定兩種不同振動(dòng)壓路機(jī)的名義振幅，在試驗(yàn)過(guò)程中，將鋼輪懸空[17]，在輪寬方向的5個(gè)點(diǎn)均勻布置5個(gè)加速度傳感器，利用DEWEsoft SIRIUS數(shù)采儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，表1為各測(cè)點(diǎn)名義振幅測(cè)定結(jié)果的平均值，圖3～6為壓路機(jī)高幅振動(dòng)時(shí)鋼輪振動(dòng)加速度的波形圖和頻譜圖(測(cè)點(diǎn)5)。

表1　兩種振動(dòng)壓路機(jī)名義振幅測(cè)定結(jié)果

測(cè)定結(jié)果表明，垂直振動(dòng)壓路機(jī)高、低幅振動(dòng)時(shí)名義振幅分別為2.06、1.22 mm，而圓周振動(dòng)壓路機(jī)高、低幅振動(dòng)時(shí)名義振幅為1.76、0.87 mm。與圓周振動(dòng)壓路機(jī)相比較，垂直振動(dòng)壓路機(jī)高幅時(shí)振幅增大17%，低幅時(shí)振幅增大40%。與圓周振動(dòng)壓路機(jī)相比，垂直振動(dòng)壓路機(jī)能產(chǎn)生更大的壓實(shí)激振力，且壓實(shí)影響深度更大。

圖3　垂直振動(dòng)高幅加速度波形圖　　　　　　　　　　圖4　垂直振動(dòng)高幅加速度頻譜圖

圖5　圓周振動(dòng)高幅加速度波形圖　　　　　　　　　　圖6　圓周振動(dòng)高幅加速度頻譜圖

2.2土壤壓實(shí)度

路基壓實(shí)度是路基路面施工質(zhì)量檢測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，路基材料的壓實(shí)度每增加 1%，路面的承載能力相應(yīng)的提高10%～15%[18-19]。因此，提高路基壓實(shí)度對(duì)道路施工質(zhì)量至關(guān)重要。

在長(zhǎng)安大學(xué)國(guó)家道路工程實(shí)驗(yàn)室的土槽內(nèi)進(jìn)行2臺(tái)22 t振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)試驗(yàn)。其中，土壤類型為級(jí)配土，土壤鋪層厚度為80 cm，土壤最大干密度為2.15 g/cm2，壓路機(jī)以高幅工況壓實(shí)土壤，以恒定的速度往復(fù)壓實(shí)12遍。采用環(huán)刀法取樣，在第2、4、6、8和第12遍壓實(shí)后取樣，取樣層深度分別為0 cm(上層)、20 cm(中層)、40 cm(下層)處。表2為壓實(shí)度的測(cè)試處理結(jié)果。

表2　高幅工況壓實(shí)度測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出，在以高幅工況往復(fù)壓實(shí)12遍后，垂直振動(dòng)壓路機(jī)可使土壤在0、20、40 cm處的壓實(shí)度分別達(dá)到96.83%、92.62%、89.88%，而圓周振動(dòng)壓路機(jī)的3層土壤壓實(shí)度分別為91.37%、89.86%、86.20%。這說(shuō)明，與圓周振動(dòng)壓路機(jī)相比，同噸位的垂直振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)土壤的壓實(shí)度更高、壓實(shí)性能更為優(yōu)越、壓實(shí)作業(yè)的影響深度更大。垂直振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)度隨壓實(shí)遍數(shù)的變化更快，說(shuō)明其能使土壤密實(shí)速率提高，壓實(shí)效率也更高。

2.3鋪層沉降量

鋪層沉降量的變化情況可以間接反映振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)效果[20-21]。試驗(yàn)過(guò)程中，垂直振動(dòng)壓路機(jī)在土槽內(nèi)以高幅工況往復(fù)壓實(shí)12遍，壓實(shí)試驗(yàn)前土壤鋪層厚度80 cm。在第2、4、6、8、10、12遍壓實(shí)后測(cè)量鋪層沉降量。土壤鋪層累計(jì)沉降量和相對(duì)沉降量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果記錄在表3中。圖7為各遍壓實(shí)后相對(duì)沉降量占總的累計(jì)沉降量的比例。

表3　垂直振動(dòng)壓路機(jī)鋪層沉降量統(tǒng)計(jì)結(jié)果　單位：mm

圖7　垂直振動(dòng)各遍壓實(shí)后相對(duì)沉降量比例圖

從測(cè)試結(jié)果可以看出，前6遍壓實(shí)，土壤鋪層的沉降量增加迅速，前6遍高幅壓實(shí)后鋪層的沉降量占總的累計(jì)沉降量的75%以上；而后6遍壓實(shí)時(shí)，鋪層壓實(shí)度增加較為緩慢，說(shuō)明鋪層土壤很快達(dá)到很高的密實(shí)度，趨于穩(wěn)定。且從表2中可以看出，第6遍壓實(shí)后，0、20、40 cm處的壓實(shí)度分別達(dá)到95.84%、91.46%和89.61%。說(shuō)明垂直振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)效率很高，能夠以很少的壓實(shí)遍數(shù)使鋪層土壤達(dá)到很高的壓實(shí)度。

3結(jié)論

1)同噸位的垂直振動(dòng)壓路機(jī)，由于激振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，與圓周振動(dòng)壓路機(jī)相比，高幅時(shí)名義振幅增大了17%，低幅時(shí)名義振幅增大了40%。表明垂直振動(dòng)壓路機(jī)與圓周振動(dòng)壓路機(jī)相比能產(chǎn)生更大的壓實(shí)激振力，且壓實(shí)影響深度更大。

2)與圓周振動(dòng)壓路機(jī)相比，同噸位的垂直振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)土壤的壓實(shí)度更高，垂直振動(dòng)壓路機(jī)3層土壤壓實(shí)度分別達(dá)到96.83%、92.62%、89.88%，而圓周振動(dòng)壓路機(jī)3層土壤壓實(shí)度分別為91.37%、89.86%、86.20%。說(shuō)明垂直振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)性能更為優(yōu)越，作業(yè)影響深度更大。且能以較少的壓實(shí)遍數(shù)使土壤密實(shí)，6遍高幅壓實(shí)后鋪層的沉降量占到總累計(jì)沉降量的75%以上，壓實(shí)效率更高。

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(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

收稿日期：2016-03-30

作者簡(jiǎn)介：李晨光(1990—)，男，陜西咸陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論，E-mail：604128824@qq.com.

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.02.015

中圖分類號(hào)：U415.521

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-0032(2016)02-0080-05

Comparison of Compaction Performance Between Vertical Vibratory Roller and Circular Vibratory Roller

LIChenguang，RENXuejiao，JIANGWenzhi，WUTian，CAOXinxin

(KeyLaboratoryforHighwayConstructionTechnologyandEquipmentofMinistryofEducation,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China)

Abstract:By using the methods of theoretical analysis, experimental study and the three parameters: the nominal amplitude, the soil compaction degree and the settlement of the paving layer, the compaction performance of the vertical vibratory roller and circular vibratory roller is compared in the paper. The results show that compared with the traditional circular vibratory roller, the nominal amplitude of the vertical vibratory roller with same tonnage increases by 14% in high amplitude vibration and 40% in low amplitude vibration, the compaction degree of the 3 layers reaches 96.83%, 92.62%, 89.88%, and the settlement of the paving layer reaches 75% of the total accumulated settlement after 6 times of high amplitude compaction. The vertical vibratory roller can produce a greater compaction force, compaction has great influence on the depth and can make the soil compacted with less compaction times, and the compaction efficiency is higher.

Key words:vertical vibratory roller；circular vibratory roller；nominal amplitude；compaction degree；settlement