機(jī)械式單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)作業(yè)性能研究

宋 楠 ， 張志峰,2 ， 陳東方

（1.長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長安大學(xué)道路施工與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

0 引言

單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)是振動(dòng)壓路機(jī)的重要類型，在基礎(chǔ)交通建設(shè)中廣泛應(yīng)用，主要是用于路基土方的壓實(shí)。單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)按照其驅(qū)動(dòng)方式分為機(jī)械式和液壓式。機(jī)械式單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)的鋼輪是其工作裝置，主要是通過自重和振動(dòng)使土方變得密實(shí)；橡膠輪胎是其行走裝置，驅(qū)動(dòng)機(jī)械行走。全液壓式的單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)則能實(shí)現(xiàn)全驅(qū)，即鋼輪存在驅(qū)動(dòng)力。路基在公路結(jié)構(gòu)中起到了非常重要的作用，路基能夠支撐路面，避免路面懸空，承受路面向下傳遞的載荷，并且將載荷向下傳遞。如果路基土方的壓實(shí)度不夠，那么公路在通行后可能發(fā)生不均勻的沉降，進(jìn)而產(chǎn)生路面塌陷、路面開裂等問題[1]。路基壓實(shí)作業(yè)的施工質(zhì)量越高，路基對(duì)于路面以及路面載荷的承載能力就會(huì)越高，路基的穩(wěn)定性也會(huì)越好。研究表明，路基的壓實(shí)度每提高1%，路基的承載能力就能提高10%[2]。

目前，國內(nèi)大部分使用機(jī)械式單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)路基土方壓實(shí)作業(yè)的施工建設(shè)，在公路建設(shè)完成后，路面都會(huì)有一定的裂縫存在[3-6]。這種缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致公路施工驗(yàn)收受到影響，影響施工單位的經(jīng)濟(jì)利益。因此，需要研究這種缺陷產(chǎn)生的原因，以找到相應(yīng)的解決辦法。

1 壓實(shí)路面產(chǎn)生裂紋的分析

振動(dòng)鋼輪工作時(shí)是否存在驅(qū)動(dòng)力會(huì)存在非常大的區(qū)別，這是由于兩種鋼輪的受力不同，對(duì)地面的作用也不相同。圖1是存在驅(qū)動(dòng)力的振動(dòng)鋼輪受力示意圖，圖2是不存在驅(qū)動(dòng)力的振動(dòng)鋼輪受力示意圖。

圖1 驅(qū)動(dòng)鋼輪作用力

圖2 非驅(qū)動(dòng)鋼輪作用力

從圖1可知，主動(dòng)輪進(jìn)行壓實(shí)時(shí)，存在以下作用力：機(jī)架對(duì)鋼輪的作用力Fp1、被壓實(shí)材料對(duì)鋼輪的作用力Fc1、地基對(duì)鋼輪的作用力Fs1、鋼輪上分配的載荷Wg1、驅(qū)動(dòng)鋼輪行駛的轉(zhuǎn)矩M。

鋼輪如果想要穩(wěn)定地工作和行駛，鋼輪各個(gè)方向上的所受力和轉(zhuǎn)矩需要達(dá)到平衡，根據(jù)圖1所表示的力和轉(zhuǎn)矩，可以得到下列等式：

在非驅(qū)動(dòng)鋼輪進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)的時(shí)候，鋼輪受力情況在圖2中進(jìn)行說明。有鋼輪上分配的垂直方向的載荷Wg2、驅(qū)動(dòng)鋼輪行進(jìn)的水平方向作用力Fp2、被壓實(shí)材料對(duì)鋼輪的作用力Fc2、地基對(duì)鋼輪的作用力Fs2。

同理，為了保證鋼輪平穩(wěn)運(yùn)行和工作，應(yīng)存在以下關(guān)系：

2 級(jí)配土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

目前，機(jī)械式單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)所存在的缺陷大部分都是路基存在裂縫，所以主要存在的問題就是土的剪切破壞。為了確定土的極限強(qiáng)度，需進(jìn)行抗剪試驗(yàn)。

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的方法，通過擊實(shí)的方法制取不同干密度的試驗(yàn)樣品[7]。三種試驗(yàn)樣品的干密度分別是1.7 g/cm3、1.8 g/cm3和1.9 g/cm3；試樣樣品有4種含水率，分別是9.1%、11.1%、13.1%和15.1%。通過對(duì)不同試驗(yàn)樣品進(jìn)行剪切試驗(yàn)，分析以上因素對(duì)級(jí)配土極限強(qiáng)度的影響。

對(duì)試驗(yàn)樣品的剪切試驗(yàn)，可以得到如表1、表2、表3所示的結(jié)果。

由表1、表2、表3可以看出，在一定干密度和含水量的條件下，土樣的抗剪強(qiáng)度與正壓力，呈近似正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)正壓力較大時(shí)，試驗(yàn)樣品的剪切極限強(qiáng)度會(huì)隨著干密度的變大，發(fā)生更大的變化。

表1 直剪試驗(yàn)結(jié)果（干密度為1.7 g/cm3）

表2 直剪試驗(yàn)結(jié)果（干密度為1.8 g/cm3）

表3 直剪試驗(yàn)結(jié)果（干密度為1.9 g/cm3）

試樣抗剪強(qiáng)度對(duì)含水量的變化十分敏感[8]。同時(shí)，無論干密度情況如何，抗剪強(qiáng)度值總是隨含水量的增大而減小[9]。

不論級(jí)配土試樣的含水量為多大時(shí)，其抗剪強(qiáng)度值都是隨著干密度的增大而近似線性提高的[10]。

3 試驗(yàn)樣機(jī)壓實(shí)試驗(yàn)研究

采用22噸振動(dòng)壓路機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)研究。參照《土方機(jī)械壓實(shí)機(jī)械壓實(shí)性能試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)制定試驗(yàn)方案[11]。在長安大學(xué)土槽實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。在土槽內(nèi)鋪設(shè)含水量為9.1%的土約70 cm。由于剪切試驗(yàn)時(shí)，存在一定壓力，所以在振動(dòng)試驗(yàn)開始前，先對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行兩遍靜壓。進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)，為了達(dá)到較好的試驗(yàn)效果，并且得到相關(guān)規(guī)律，對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行12遍振動(dòng)壓實(shí)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取表層、20 cm、40 cm深度處的土樣，并測試其壓實(shí)度。試驗(yàn)樣機(jī)按照試驗(yàn)設(shè)定的作業(yè)速度行進(jìn)，采用28 Hz/1.86 mm的振動(dòng)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)作業(yè)。測試不同壓實(shí)遍數(shù)壓實(shí)后土方產(chǎn)生裂紋的寬度和兩條裂紋間距離，測量結(jié)果如表4所示。

表4 裂紋寬度與相鄰裂紋間隔

試驗(yàn)結(jié)果表明，壓實(shí)兩遍后試驗(yàn)樣品就開始產(chǎn)生裂紋，而且裂紋寬度是試驗(yàn)中最大的。接下來的試驗(yàn)中，裂紋大小不再變化且均小于壓實(shí)兩遍后的裂紋大小。兩相鄰裂紋間隔隨壓實(shí)遍數(shù)的增加而減小[12]。

所取試驗(yàn)樣品的壓實(shí)度測量結(jié)果如表5所示，所取試驗(yàn)樣品的干密度測量結(jié)果如表6所示，所取試驗(yàn)樣品的含水量測量結(jié)果如表7所示。

表5 樣機(jī)壓實(shí)試驗(yàn)壓實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果

表6 樣機(jī)壓實(shí)試驗(yàn)干密度試驗(yàn)結(jié)果

表7 樣機(jī)壓實(shí)試驗(yàn)含水量試驗(yàn)結(jié)果

分析表5和表6中的數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：在試驗(yàn)規(guī)定的條件下，各取樣深度對(duì)應(yīng)的土樣壓實(shí)度和干密度均隨壓實(shí)遍數(shù)的增多而增大；在振動(dòng)壓實(shí)8遍后，表面干密度和壓實(shí)度達(dá)到最大。

4 結(jié)語

通過理論分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，分析了土壤裂紋產(chǎn)生的原因。完成了土壤剪切試驗(yàn)和振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)，主要得到了以下結(jié)果：

1）土壤壓實(shí)過程中，由于在非驅(qū)動(dòng)鋼輪上存在水平推力，所以非驅(qū)動(dòng)鋼輪進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)時(shí)，易產(chǎn)生裂紋等路面缺陷。

2）進(jìn)行了土樣的剪切破壞實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在任一干密度和含水量下，土樣的強(qiáng)度總是隨著正壓力的增加而增大。

3）土樣的強(qiáng)度隨著含水量的增加而減小，且干密度越大，試樣的強(qiáng)度值受含水量增加的影響越顯著。強(qiáng)度值總是隨著干密度的增加而近似線性地增大。

4）完成了振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，壓實(shí)度和干密度隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加而增大。