（机械设计及理论专业论文）新型振动平板夯的动力学仿真及试验研究.pdf

摘要 本文酋先介绍了国内外压实设备的发展概况和发展方向，以及对压实机理的 各耱假设。建立了秀自由度振动平板夯振动模型，对其送行分毫厅与研究，姆另l 是 对承平方囱的运动敲了详细翁理论分析与说明。建立了计算辊数值模羧谈型，编 制了求解所建模型的计算机程序。在数值分析结果的基础上，设计并制造了自行 式新型振动平板夯的试验模型，对模型的工作速度、振动性能进行试验测试。利 用计算桃对试验数据进行了处理，通过对数值仿真结果与模型试验结果进行比 较，对傍襄模鍪l 进行了验证，得到了振动参数对强动压实设备运动性能的影昀t 为欧螽进行产品开发时各参数的确定与优化设计提供了依据。 关键谒：振动平板夯 狰赘燕实动态特戆数值仿真试验 a b s t r a c t t h e g e n e r a ls i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to fr o a dr o l l e ra th o m ea n da b r o a di sg a v e a tt h eb e g i n n i n go ft h i st h e s i s ，i n c l u d i n gt h ed i f f e r e n th y p o t h e s i so ft h ep r e s s i n g m e c h a n i s m t w of r e e d o mv i b r a t i o nm o d e lo ft h ev i b r a t o r yf l a te s t a b l i s hi s e s t a b l i s h e d 、a n a l y s i s e da n ds t u d i e d ，e s p e c i a l l y , t h el e v e lm o t i o ni sd e t a i l e d l yd o n e t h e o r e t i c a n a l y s i sa n de x p l a i n a t i o n t h ec o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dh a s b e e nd e c i d e d ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h es i m u l a t i o nm e t h o d ，t h ep r o g r a mw h i c h s l o v e dt h em o d e lh a sb e e nd e v e l o p e d o nt h eb a s eo fr e s u l to ft h en u m e r i c a la n a l y s i s ， t h eh o r s e l e s sn e wt r i a lm o d e lo ft h ev i b r a t o r yf l a th a sb e e nd e s i g n e da n d p r o d u c t e d ，t h es t e p p e ds p e e da n dt h ev i b r a t o r yc a p a b i l i t yo ft h em o d e lh a sb e e n t e s t e d t h e 。t r i a ld a t ah a s b e e np r o c e s s e dw i t ht h ec o m p u t e ro ft h ed a t ap r o c e s s i n g , t h e v i b r a t o r ym o d e lt e s th a sb e e nd o n ei nt h ef i e l d ，a n dv e r i f i d e dt h em o d e lb ya n a l y z e d t h et h et e s t e dr e s u l t sa n dc a l c u l a t e dr e s u l t s ，t h er e s u l t sw h i c ht h ev i b r a t o r yp a r a m e t e r a f f e c t e dt h em o t o r i a lc a p a b i l i t yh a sb e e no b t a i n e d ，a n da r et h eb a s e m e nf o rp a r a m e t e r s d e c i d i n ga n dp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：v i b r a t o r yf l a t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i m p a c t i n gp r e s s i n g d y n a m i cb e h a v i o r e x p e r i m e n t a t i o n 第一章绪论 l - l 振动蓬实机械和压实技术随发展概况 一、国外缀动莲实极槭熬发殿 2 1 0 1 1 8 j 压实机械是基础施工、水坝和港口建设、机场建设、矿山建设、林区建 设等工程建设中的必备旄工设备。有效的压实能屡藩改善填方、基础工程的 承载穗力和稳定往，减少或酒狳沉陷荣来静危害。照着科学技术的进步及现 代化建设的需要，压实机械也同其它施工机械一样得到了不断的发展。自1 8 6 2 年世间上出现第一台自行式蒸汽式压路机以来，压路机已有一百多年的历史。 在这段历史鲻闻枢继出现了静作用刚轮压路枧、轮脸压路枫、振渤压路枧、 振动平扳夯、鲑式冲击夯、抉速摔毒夯等压实撬械。其串振动压实穰槭技术 的出现是魇实机械发展过程中的革命。从此，压实效果的提高不再简单的依 靠质量或静压力的增大。糖着减振材料和振动压实理论的日趋完荣，振动压 实极梭在二专 壁纪六十年代遗速占领了压实枫被缝大部分市场，机燮逝囱大、 中型发展。同时，在品种上出现了能适合子各种场合和施工要求的不同系列、 规格的产品，成为工程机械的黧露组成部分。 压实技术移压实枫械的研究已经持续了几个擞缎，在这一领域内人们取 褥了辉熄躲藏就。遣潮历史，惩实技术在数予年藩虢鸯应用。远蠢孵期人们 就曾利用畜群的蹄足对土壤进行踩蹋、揉搓和捣蜜来处理房屋的地基，压实 大坝和河堤。 二十 麓纪三十年代德嚣爨罩利用振动压实壤，1 9 3 0 年，德霞在修筑公 路网对研制了用履带拖拉枫帮弓 的振动平裁夯，酋次将振动技术弓| 入压实领 域中。美国是发展土壤压实技术的先驱，在美围发展起来的土壤压实理论和 方法在其它国家也被广泛应用。振动压实机械的出现，引起备囡制造商的关 注，对振动匿实枫械进程了广泛的实验辑究。最初，振动压实枫械只用于压 实嚣粘性材辩。随着技本性能魏改进昶掇舞，振动篷实梳虢乏广泛爝予糙经 土、沥青路面和混凝土的压实工作。 2 0 世纪5 0 年代欧洲各国开发了串联式整体车架压路机并逐步改型，6 0 年代随黄振动压实理论豹深入研究帮完簧，斑现了各秘型式、备释系列的振 动压实机械。 2 0 世纪7 0 年代压实机械发展史上的项重大变革是迅速而普遍地推广了 静液传动和液压控制技术。至7 0 年代末期枫械传动的压实机械，特襄是振动 篷实飙攘，绝大多数已经被静滚传动掰敢式，照着液压控铡技术在振动压实 机械上的应用，使得搬动参数的调节成为可熊。在2 0 世纪7 0 年代末期调频、 调幅技术、振动技术被广泛应用于振动压实机械上，为压实工作参数的优化 奠定了基疆。 2 0 世纪8 0 年代翻瑞典乔戴纳米克研究所提出耨蘸压实瑷论，即利用士力 学交变剪应变原理使土壤等被压实材料的颗粒重新排列而变的更加密实。根 据该瑷论，德国哈姆( h a m m ) 公司开发出新裂振动压实枧，邸振荡压实桃。 2 0 缎纪8 0 年代末疆本生产蹬丈吨位垂妻掇渤蕊实瓿，其振动轮内部采翅双交 叉振动法，使压路机压实深度深、压实效果好熙低速直线行使稳定。 进入9 0 年代，随潜电子和材料技术的发展，国外的振动压实技术发展可 以鞠纳为以下几个特点： ( 1 ) 、压实枫械的发疑与匿实方法、压实技术有着密切的关系，压实机 械突破性的进展往往首先是从压实技术取得突破开始的。这是创造全新的按 2 不同原理工作的新型压实机械的基础。 ( 2 ) 、已经形成鼹专供踌蕊压实用的振动蹑实枫继续向多频率、多振幅 的方自发藤。瑞士拨雄公司生产的b v - 6 高密实魔振动匿路枫也已经投放市场， 今后可能出现振幅、频率无级可调的振动压实机械。 ( 3 ) 、振荡压实将作为沥脊和r c c 路面的主要压实技术，这方砸的理论 将逐渐被蹇善。 ( 4 ) 、压实机械与土壤、沥青混合料等工作介质相互作用过程的研究为 探索新的压实方法和技术提供着强大的理论支撑。 ( 5 ) 、供路基、堤坝和其它基础方工程熙瓣振动压实机械将继续向重 型和超重黧的方自发展。澳大捌亚媾髓公司、南非兰派公司相继磷翻开发了 适合深层土壤和岩石及含水激较高的粘性土壤腿实的多边性凸块冲击压实 机。 ( 6 ) 、现代薪按本革窃的兴起，特鄹是微毫予技术、自动控翻投本帮计 算枫技术等商科技的迅速发展引导着压实机械来来的发展方向。 ( 7 ) 、各种特殊的振动压蜜机械，如用于桥台压实的振动机械，还有用 于靠近房屋及荚它建筑设施的专用压实枫械，以及遥控帮水下压实机械将进 一步开发帮发震。 ( 8 ) 、愿实控制技术将在以下四方面获得进一步的发展：( a ) 压实测薰系 统的微机处理化和实时处理化；( b ) 压实过程的自动化，包括压实工作参数( 振动 频率、缀孵帮缀实速度) 最馒调节的囊动证( 窦遥发谖节) ，压实枕械驾驶操作的 自动化和臌实质量控制的自动化；( c ) 压实过程豹遮躐离和中央站的控制；( d ) 专 供压实质墩梭态用的测试压路机的进一步开发和应用。 ( 9 ) 、智能压实机械成为发展的一个趋麴。 二、我国压实机械的现状与发展【1 】瞄l 鲫 我慝是时闯上最先铡造帮使用压实瓿槭魏国家。早在千多年裁，我国 就已经普遍制造和使用了以人力或蓄力为动力的石碾、碾和夯。但是，由于 近代我国基础科学和工业的落后，这使得圈内工程机械与国外差距加大。解 放翦，我重只有上海、大连生产蒸汽压路撬。建国后，1 9 5 2 年上海公务蜀极 械厂( 洛阳建筑机械厂的前身) 生产以柴油机为动力酶静作用疆潞机。我国 自行研制开发设计振动愿实机械起步于1 9 6 1 年，由原西安公路学院与西安筑 路机械厂联会开发了蠡符式振动压路机，蹙我国自行开发设计振动压实机械 鲍起点。1 9 6 4 年洛阳建筑枫棱厂醑铡4 5 蟪振动匿路撬。1 9 7 4 年洛阳建筑辊 械厂与长沙建筑机械研究所合作开发了1 0 吨轮胎驱动振动聪路机和1 4 吨拖 式振动压路机。8 0 年代中期，我国开始引进豳外先进的压路机僚0 造技术。1 9 8 3 年潘辩建筑掘板厂导 遴了荚莺h r s t e r 公霹蠡奄援零，台箨生产6 吨铰接式扳动 压路枫。1 9 8 4 年徐州工程机械厂引进瑞典藏纳帕克( d y n a p a e ) 公司韵c a 2 5 轮胎式驱动振动压路机和c c 2 1 型串联式振幼压路机技术。1 9 8 5 年温州冶金 机械厂研制了1 9 吨振动压路规。1 9 8 7 罐溺阳建筑机械厂弓l 进了德匡宝马 ( b o m a g ) 公司b m 2 1 7 d 窝b m 2 1 7 a d 掇旗嚣路枫技术。汪麓梳械厂弓| 进德 国凯斯伟搏麦士( c a s e v i b r o m a x ) 公司的w 1 1 0 2 系列振动压路机技术。以后， 备生产厂家在此基础上不断开发新的产品，使本厂的产品多样化、系列化。 年往嚣期，髓嚣鏊礁工业元静鹃发展，特剃是液压泵、舄迭、振动轮 爝轴承、橡胶减摄嚣的弓| 进生产，使得攘韵压寅辊械蒽俸水平秘可靠性有缀 大的撮高。在基础元件支持下，振动压路机引进先进技术不断得到消化吸收， 4 国内高等院校和科研院所的科研攻关。使得我国臼行开发和研制振动压路机 的能力有较大靛提高。1 9 9 0 年嚣安公路交通大学与徐州工程枧械厂共同开发 豹1 0 睫强荡压路枫，标恚着我国振动疰路极辩磷和产品开发达捌新的承乎。 但是，我豳设计、研制和生产振动压实机械起步较晚，整体水平与国外先进 水平相比仍有差距。 l 。2国内终桥鹜淫侧鹾安获提 随着商速公路的迅速发展，车速的提高、行率的乎稳性、安全与舒服的 要求日趋撮高，路基不均匀沉降导致路面平整度的降低，尤其是桥麸跳车的 瑗象，已是高速公路的多发常见危害，也是近几年来困扰公路行业驰一大难 题。严重豹轿头跳车现象，不仅使行车不舒遥感大为增艇，两且在赢速公路 上，当高速行驶的车辆通过桥头时，严重的跳率现象将导致车辆失控而易发 生交通事故。即使是在车速较低的情况下，由于桥台和台后路基两者务自的 沉降不圈嚣形成靛高差，产生车辆对挢台台背豹覆复诤壹，搜褥裔鹜混凝土 较早出现破攒现象。这样氍加速了结构耪、轿头路面及桥粱伸缩缝袋餐的破 坏，也加快了率辆本身的损坏，盥接影响了公路及桥梁的使用寿命和社会效 益。 在低等级公路上，出予擎辆速度较低，耩粱构造麴也提应较步，跳车现 象不十分明最，但对高等级公路，特别是高速公蹄而言，线形指标，桥粱、 通道、结构物较为密集，而路然的地基和路基本身与结构物基础相比，起抗 剪能力差剃鞍大，沉降速率与淀簿量也往往楗麓懋殊。赡之行车速度嵩，桥 头跳车闷题就十分突出。 随着我国高等级公路的迅速发展，桥涵特别是涵洞构造物修筑量急剧增 加。据调查，有些路段，在每2 0 0 米一5 0 0 米就要设置一个涵洞供公路两侧人 员等通行。我国尽前的旅工工艺、桥台台背、涵洞两侧挡土墙罐背豹填筑是 在这整构造物完成嚣遴蟹蠹鼋。由于该憝跑较狭窄，在填筑对，既要保证不损 坏构造物，又要求有足够的密实度，施王难度较大。如果压实不足，完工后 填土与构造物连接部分会出现沉降差，造成车辆通行时发生跳率，严重影响 行率鹣速度、安全与努逶，也会影噙捣造携戆稳定，还会带来经常路面豹修 补，导致交通堵塞等。近几年，桥台台鹜、涵洞两侧的填筑濂实旌工已成为 一个较突出的问题，引起各省厅、施工部门的高度重视，急切希望能研究、 舞发出摆应的专用蓬实机械设备。 鉴于我国高等缎公路褫涵麓工的急需，我们认为缀考必要进行轿背涵铡 填筑瓶实理论和技术以及桥背涵侧压实设备开发的研究，此研究课题具有广 阔的应用前景。 二、阑内外褥涵侧燧实情孺翰 函井涵洞的修筑怒采用先进行整体路段的铺筑压实，然蕊褥开挖建造涵 洞的施工工艺，基本上可以消除涵洞两侧填土和路基的压实殿麓异。而我国 从降低藏工成本和缩短旅王工裳出发，慕慰了路基铺筑压实弼涵涸枣每筑同时 避孬酌施工方法，在鼹褥摊铺之前，褥轿涵梅选物处送行开挖，然后再回填 压实，由于没有适应于窄场地的专用、商效的压实设备，往往造成填筑土压 实不足的现象发生。 西藩我国在桥曹懑测腰实施工中，多采爝逶鼹鲍小型压实貔缓或者人工 夯实。这些小型压实机械中，内燃爆炸夯、液压打夯枫、振动i 串击夯、蛙式 夯实机等夯实机械，它们贴边压实性能鼠然臻好一些，但不邋用渗水性回填 6 土的压实，姐容易对桥涵构造物造成损伤；但手扶式振动压实机适用于渗水 往回填土懿密实，特别是振动平板夯对构造物损伤也很小，可以满足施工要 求。 l ，3研究问题的提出 目前我国在桥背涵侧压实施工中，由于受到工期的影响。桥梁工程一般 要先行施工，邸使是桥式遽遵，按一般藏工工装要求，也要待耩台完成后甚 至待桥梁粱板吊装完毕并且湿接缝凝结后，才能进行台背回填。更何况软土 地基的处理需要相当长的时间，根据目前施工顺序可以看到，所有的台背回 填都要等掰榜台照工完成后，再避行填筑。因此，大型压路机受到桥台的限 制，碾压困难，对紧靠台鹜豹壤土难以碾珏至位，尤其是对手粒式携台、u 型桥台等尺寸的限制，大型压实机械运行不便，有的根本进不去，导致漏压、 压不实等现象存在，使台后网填土的压实严重不足，尽管使用小型夯安设备 於夯。憾燕，瞧难戳达到麓定兹压实度，据统计我“死角”缝的压突有艴不 到9 0 ，甚至逑8 5 都达不到。因此，急需一种适用于桥背涵侧壤筑压实、 压实效果好的专用小型压实设备。 为此，本谍题进行了桥涵侧鹜设备开发的研究。 主要研究内容有戳下几个方瑟： 1 、理论分析和模型设计： 2 、仿真分析与试验研究； 7 第二章振动压实理论 2 1振动压实机理 一、压实懿意义 2 f 3 j 1 2 3 压实使路基及路面各种结构层的材料具有足够的密实度，这对于公路的 路慕、路面具有十分重要的意义。压实可以充分发挥路基土和路面材料的强 度，霹瑷猿少路基、鼹蕊在行车载莓终翔下产生永久交影，还可以增加路基 士籁路露材料的不逶承性和强度稳定性。予是豹这几大作用，对于增强道路 路面的使用性能和延长搿命是非常重要的。路基、底基层、旗屡或面层材料 骶实不是，在使用过程中，鼹垂上就可熊产生车辙( 辙槽) 、裂缝、沉陷和水 损坏，也霹能使整个鼹覆产生剪切酸誊l ：。 公路施工实践证明，对路基进行必要的碾压，达到所要求的商密实度后， 在公路使用过程中路堤将不再产生沉陷，而且可以立即在这种路堤上铺筑任 秘爨裂豹籍瑟。旋魏，蕊岁 采题辊穰豫送行路蒺、路蟊旅王辩，通常采尾大 流水作业的施工方法。路基在前面麓王，榴隔一定距离在究成麴路基上铺筑 底基层，再相隔一定的距离在完成底基层上铺筑基层，在相隔一定距离在完 成的基滕上铺筑面层。这样一个工序紧接工序向前推进，既热快了工序工 纛的逡度，同时也熊确保工程的质量，雹霹黻避免不必錾的浪费，节约工程 投资。因此，采用高标准的压实，就可以大大加速公路建设，使公路能尽早 投入使用。 总之，压实静主要任务使在路基藏工过程孛耍保迁路基达剃要求的密实 发，以便可以在路基上立即铺筑各种路瑟，而且铺成的路西楚高强度的。路 基路面使用过程中不会豳于进一步压实而产生有害的变形。 8 实践证明，以高标准进行路基，路面的压实，是保证路基、路顽皮有强度 和稳定性的项最经济有效的技术攘藏。 为了搬逮公路建设，为了提离路基、路西的强度潋及傈证路嚣的使弼质量， 必须对路基和路面的各个结构层进行压实。 二、压实的基本方法【1 1 1 2 】【2 3 】 压实楚通过旌加外力使被愿实榜料提嵩密实凄静过程。镶筑枣孝辩的匿实过 程，是向被压材料加载，克服松散多相材料中固体颗粒问的摩擦力、粘着力， 排除固体颗粒间的空气和水分，使各个颗粒发生位移，相互靠近。铺筑材料 经压实基，密实度增加。密实度胃蘑单位体积质爨来表示。 对铺绽率孝瓣的压实，一般镲用瘸期性的麴载( 如下强) 。在热裁过程中， 材料的应力w 增加到最大值，卸载时，材料的威力下降，然后经过间歇，重 复循环。 8 图2 - - 1 铺筑材料周期加载的变化特点 。一材料所受威力 t 一应力作用时间 t 珏一材料受瑾力俸用时闽如一举受载旖闯歇时阕 常嗣的压实方法有：滚压、缀赛和夯实。 滚压( 圈2 - 2 a ) 是用具有一定质量的滚轮慢速滚过铺层，用静压力使铺层 材料获得永久残留变形。随滚压次数的增加，材料的密实度增加，而永久残 9 留变形减小，最后达到实际残余变形等于零。为了进一步提高被压材料的密 实度，必须用较重的滚轮来滚压。但是依靠静载药( 自重) 援实，材料颗粒 之阕靛摩擦为阻止颡簸避行大范围运动，随着静载荷豹增热，颓粒闽的摩擦 力也增加。因此，静作用压实，有一个极限的压实效果，无限地增加静载荷， 有时也不能得到要求的压实效果，反而会破坏士的结构。滚压的特点是循环 延续辩阕长，誊| 料应力状态的交化速度苓大。毽应力较大。 a ) 滚压( 静腿)b ) 夯实( 冲击)c ) 振实( 振动) 图2 - 2 压实方法示意圈 夯实( 图2 - 2 b ) 楚剩露一物体从菜赢度上蠡壶下落时产生豹冲击力，把材 籽罐实。当只有下落物体与材料表瑟接触时，冲击力产生豹蕊力波穿入铺爱 材料中，使材料颗粒运劝，冲击载荷的影响深度比静载荷的影响深度要大。 如采落体从2 0 c m 的高度落到铺层表面，其冲击力大约为落体产生的静压力的 s 8 倍。瑟良，夯实眈静佟爝压实豹压实效聚好。夯实鲶特点燕，对材辩所产 生的威力变化速度很大。在压实土壤时，特点是对土壤有较好的压实效果。 振实( 图2 - 2 c ) 是将固定在物体上的振动器所产生的高频振动传给被压材 料，使其发生接近自身固有频率的振动，颗粒间的摩擦力实际上被消除，在 这种状态下，小的颗粒充填到大颗粒材料的孔隙中，材料处于容积尽爨小的 状态，压实度增麴。擐实的特点楚，表露应力不丈、持续过程对闻短、加载 频率大，可广泛耀于粘性小的材料，如砂土、水泥混凝土混合料。 在同一机械中，可以同时采用几种压实的方法，这样能利用每种压嶷方法 的优点，提离题实效果帮扩大机械的使用范围。 三、歪实静耪瑷过程1 2 3 1 用某种工具或机械对路基或路顽结构层材料进行压实时，在压实机嶷的短 时载荷或振动载荷作用下，被压窝材料将产生几种不同的物理过程。 月有糙性约嬲粒土( 不含或鸯存缀少量砾石颗粒貔) 填筑路堤时，土通 常包含琵部分，一部分是由单个主颗粒稿聚在一起形成静大小土霞或士块； 另一部分是单个土颗粒。在粘性大的土中，往往主辫怒大小不一样的士块。 单个土颗粒也商大骞小。因此，在通常情况下对这种路基土进行碾压时，产 生魏物理现象蠢： 1 、使大小土块重新排列和相甄紧靠； 2 、使单个土颗粒重新排列和相互紧靠； 3 、镬主块国郝豹颗粒重新摊歹 秘稳互紧靠； 4 、使夸颡粒遴入大颗粒的魏酿中； 多种路面结构材料通常主要是由各种不同粒径的单个颗粒组成的。在碾压 过程中，主要发生的现象是颗粒露新排列、相互靠近和小颗粒进入大颞粒的 孔稼中。 产生这些不同物理过程的结果是增加单位体积内圈体颗粒的数量，减少孔 隙率( 或空气率) ，这个过程称作压实。备种细粒土、天然沙砾士、红土沙砾、 各种缀配集辩、填隙碜石以及无枧结合料稳定士等路压材料，经过压实后在 单经体积内逶常包括嗣体颗粒、承、空气三部分，常称三穗体。沥膏混凝主 实际上是三相体，只是以沥青代替了水。 在此三相体中，水和单个土颗粒是不可压缩的，空气只宥在密闭内才是 霹蹑缡的，它在土体内氇是不可能薮压缀鹣。因此，要使单谯钵积蠹静固体 颗粒增加，只有采取潜施使体内的空气釉水排出。用祝械碾珏就是施工现 场所采用的主要措旄。 对于粘性细粒土的愿实，仅是从托隙中将空气挤出来，丽不是将承挤出 来。因为，一般碾嚣掇攘的短粒蓠载或攘动蓊簸是不能将精镁孛豹承按出 来的。碾压的愈密实，单位体积内的固体颗粒愈多，空气愈少。这些三相体 的压实过程可以直_ i 行到几乎土中的垒部空气被排挤出。因此，某一含水 璧辩，的理论最大密实度就是中空气等予零，土接近予疆棚体。毽实际 上不w 能通过压实完全消除士中的空气。 在砂的碾压过程中，砂颗粒的均匀穰度 对所能达到的密实度超饕很大的作用。电摆 同秘径颓粒组成的均匀砂的密实凄与鞠爱接 触的砂粒的排列位置有关。假定相同粒裰的 砂粒都是球状颗粒，这魑颗粒排列得最疏松 时，每个颗粒与其耪邻媳颡粒存6 个接皴点， 此时有4 8 的孔隙( 见豳2 3 ： 豳 匿2 - 3 耱弱毅径鬏粒有六 个接触点时摊刭示意图 排列得最紧密时，每个颗粒与其相邻的颗粒共有1 2 个接触点，此时只 有2 6 的孔隙( 见图2 4 ) 翔2 - 4 耀同粒径颗粒捧列示意圈 a ) 有8 个接触点b ) 有1 2 个接触点 圈2 5 穗同粒衽颗粒捧到示 意图 实际上砂粒的粒径不可能完全相同，也不可能是标准的球状。这个假定 只是雳来说明蕈一只寸的均匀妙在压实过程中可鼹发生豹物理过程。天然砂 常常怒出不同粒径的砂粒所组成( 见图2 5 ) 。因此，单一粒径移的密实度通 常最小。由各种不同粒径颗粒缀成的砂可能达到的密实度经常大于单一粒径 砂的密实发，最佳级配的砂阿能达到的密实度最大。 四、强动题实梳理雕2 f 4 】【5 l 2 3 振动臌实机在作业时，由于振动板( 轮) 的振动使其对铺层材料作用一个往 复冲击力，振动部分对铺层每冲击一次，被压材料中就产生一个冲击波。同 辩，这个、肆毒波在被压实的材瓣内沿着级深方离扩散积传播( 觅辫2 ，6 ) 。被 压实材料静颡粒在 中击波的作霸下，由静止的初始状态变为运动状态。被压 实材料颗粒之间的摩擦力也由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态。可 见，进行振动压实时，在被压实材料层中的作用露内力和外力。内力包括颞 粒瑟的糖缝力、摩擦力秘黩粒鲍重量；乡 力包括囱予震动终霜传递给被箍实 材料颗粒的惯性力和上层材料的熏力。 丫冷庞心 图2 6 擐动冲击波在壤中鹃傣递 材料受强迫扳动后，密于各颗粒静震薰及所娃位置静不嗣，掰产生的缀往 力也截然不同。此时，颗粒问的粘结膜发生张紧的现象。若惯性力不大，不 足以克服颗粒间的摩擦力和粘结力，则个颗粒仍处于原始位鬣。如果惯性力 很大，足以破辐颗粒蕊的，摩擦力和精绥力，在这种情况下，颞较在其壹羹 力和上层物料重力的作用下相互脱离，发生位移，力图占据最低稳定位置， 排除气相和液相，相互楔紧、挤紧、迭到密实( 见图2 7 ) 蝣辚 图2 7 藤实祷、后被篷实材料颗粒豹持刭状态 a ) 聪蜜前b ) 压实后 料糙的惯性力可按下述方法确定。颗粒在强迫振动时的位移近似地按正弦 熬线避行： x 一位移值； 1 4 ( 2 1 ) a 振幅 m 一角频率 卜一振动时间 速度和加速度为： x a c o s t o t 茗；一蠢甜o s i n t a t 材料质量为m 时的惯性力： f = 一m a t 0 2 s i n t o t ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 振幅a 不是常值，视被压实鼷的深度丽定。离扳源越远，振幅a 越小。 按鼓下蕊律交纯f 2 3 i ： 彳一 a 。e 一“ ( 2 - 5 ) 式中：a 一振动器振动的振幅； y 一系数，视秘料链绠蕊态 h 一冲才料至振源( 振动嚣) 的垂直距离。 在压实砂土时，系数y f 2 3 】为： y 。o 3 9 竺一土i n 垫一 ( 2 。6 ) 4 k 2 钉女出竺搋 式中：甜振动器的角频率 一振波传递速度，对砂土可取u = 1 5 0 。2 0 0 m s 嘉一系数，k = 2 - 3 ； z 一振波源底面宽( m ) 。 由此可见，材料相邻颗粒的质鬣茇剐越大，颗粒之间的粘结越弱，则它们 的相对位移就越大。当用振实法压实水泥混凝土时，在很大程魔上将出现混 合料的触变性质。尤其在振动开始时，这热混合料就稀释，其性质近似液体 或拳于滚钵。在振动终了孵，器颞粒闻豹精缮力恢复。隧饕混裔辩被压实， 由予湿度降低，其触变性质也减小。 具有较大质量的大颗粒，在振动时得到较大的惯性力，首先脱离相邻的料 粒，向下移动。如果禽窍不同大，l 、颗粒鲍零葶辩进行长时阉静搬动，粥可出现 分屡现象，大颗粒料都处在下层，这是公路施工中不容许豹。因此，振动应 该在材料具有最大密实度，即大颗粒之间的孔隙由小颗粒料填满时结束，此 时分屡还未发生，所需的振动时间视材料两定： ( 1 ) 水泥混凝 3 0 s ( 2 ) 沥青混凝土 1 1 5 r a i n ( 3 ) 粘土1 5 r a i n 上述关于振动压实鹣理论，是蠹部摩擦减夺攀滢的振动篷实瑗论，其论点 珂概括为：由于振动律用，使铺筑材料的内部摩擦急捌减小，剪切强度降低， 抗压阻力变的很小，因而在重力作用下易于压实，实验表明，由于振动作用， 糨砂的抗剪阻力减小到原来的几十分之一；嵇性土壤在振动加遽度很大时， 疼麟攘鼹著藏夺；潺青混合辩豹内摩擦大约减小蘩1 5 以t 。 除上述理论外，还有效振学说和反复载衙学说两种振动压襄理论。 菇振学说的主要论点是：当激振频率与被压材料的固有频率致时，振动 愿实最为有效。实羧涯骤，共振效巢是显蓉的，说甥了这一壤论的正确性。 然箍，幽予材料的固有频率是变化的，要求激叛器的频率佟相应的交亿是困 难的，但利用共振现蒙来进行压实是比较容易的。为了解释这魃现象，应当 1 6 测定材料粒子的振幅和加速度，并进行分析。 反复载旃学说认为：材翳楚国于振动所产生黔髑翅性压缩运动的馋鼹。两 达到振动燕实豹效果。在低频范盈内，它具有一定的现实牲。蔼在礴频范围 内( 共振频率达到1 0 0 0 h z 以上) ，并无充足的理论根据。实验表明，在高频 范围内，振动作用的效果远远超过反复载荷作用的效果。 现以搬动平叛为镪，分褥说瞬强动压实时，肉、终作孀力静主要荚系。在 铺层材料上作用有振动器的激振力( 图2 8 ) ： 游忒 琴誓、 圈2 - 8振动平板筒髑 q tm 甜27 ( 2 7 ) 式中：辫一缡心块的质量； ，偏心距； 甜一偏心块的转动角速度，= 翥坠 n 一偏一b 块的转速。 激振力程蘩巍辘上的投影； r = q s i nt o t = ? l l r o ) 2s i n t a t( 2 - 8 ) 当偏心块质量和偏心力相等，而转动方向相反时，激振力在水平轴上的投 影( 水平方向的合力) 总等于零。 愿实材料一振动平摄振动系统的惯性力； f 一斌( 2 - 9 ) 斌中：m 一压实材料一振动平板振动系统的质量： 童一加速度。 镶层耪辩内摩擦( 阻尼) 所弓| 起的隧力。实验表明，它与运动速度有一 定的比例关系： c 壹c 王( 2 1 0 ) 以 式孛：c 娠动阻怒系数； 未一速度。 振动平板弹性所起的恢复力，通常与作用点离平衡位晟的位移成正比例： 只一i x ( 2 - 1 1 ) 式中；一魄弱系数，等于为褥戮攀饭平板挠废所加的力； x 一位移。 2 2影响振动压实的因素2 1 1 3 1 1 4 1 1 2 3 1 褒室内对绸粒土或多静路面材料进牙落实试验时，影噙土绫路霹路蘑材 料遮溺规定密实度的主瑟因素有：含水最、主或材料的颗粒组成以及击实功。 强施工现场碾鹾细粒土的路基时，影响路撼达到规定压蜜縻的主要因素 有：的含水量、碾愿藤的厚度、压实机械的类型和功能、碾压遍数以及地 基瓣强度。在碾蕴级配集凝对，影噙巢辩达到藏定密实度的烹耍因素，滁上 述因素外，还有集料的特性( 包括质量、级配的均匀性和细料的塑性指数等) 以及下层的强度。 一、含水爨对压实过程的影响 在驻实过程中，土或毒葶料鲍含水量对所能达到豹密实度起着非常大的作 建。锤击或碾压的功需要壳黢主颗粒阉酶蠹摩擦阻力秘粘结力，才挠便土颗 粒产生位移并相互靠近。士的内摩擦阻力和粘结力是随密实度而增加的。土 的含水量小时，士颗粒间的内摩擦阻力大，压实到一定程度后，某一压实功 已不再熊克服的阻抗力，毯实所褥于密度小。警静含东羹逐濒增加葬寸， 水在土颗粒问起着润滑作用，使土的内摩擦阻力减小，因此同样的愿实功可 以得到较大的干密度。在这个过程中，单位土体中空气的体积逐渐减小，而 固体体积和承的体积则逐澎增热。当土的含水羹继续增鸯珏到超过某一限度最， 虽然豹内摩擦阻力还在减小，僵单位俸中的空气体积已减到最小鞭度， 而水的体积却在不断增加。由于水是不可压缩的，因此在同样的压实功下， 土的于密度反而逐渐减小。士的干密度与含水量的这样一种紧密关系，就形 成了驻蜂形击安睡线。毽l 魄，务静疆实材辩只有在一定的含水量条传下才能 压实到最大干密度。这个与最大干密度相适应的含水量，通常称作最往含水 量。最佳含水量是通过击实试验求得的。击实试验艏，在含水量一千密度关 系图上与簸大予密度相应的含水爨就是最佳含水餐。但是。某一种主或其它 懿基实材料静最佳含承量和簸丈于密度不是露定不变豹，它随压实功丽变。 在压实作业中，对含水量过小的土或级配集料，簧达到高的压实度是很困难 的；当土的禽水量超过最佳俊时，要达到较大的雁实度同样是困难的。因此 在特殊平翠裙特臻瀑湿撼区，在无法或不能采取适宜籀旌的情凝下，实际照 工中往往，簪得不降低对压实度的要求。对含水量过大豹土、砂砾士、无机结 合料稳定土等路面材料进行碾压时，经常会发生“弹簧”现象，而不能压实。 务糖不同的最佳含承量葶l 】簸太子密度 曩是不稿霹的。遁常，审粉粒 和粘粒含最愈多，土的塑性指数愈大，土的最佳含水量也就愈大，同时其最 大干密度愈小。露此，一般砂挫的在最佳含水蟹小予糙健士的最佳含水爨， 丽前者的最大干密度则大于后者。 二、击实功对最佳禽水量和最大干密度的影响 我靛上面所提翔的，菜一耱主或路面材料静最佳含承嚣霸最丈干密覆是陵 压实功变化而发生变化的。 麓予溺静压实毒孝料两言，蠢寞功增翻嚼，其最佳含承熬减小，蠢蕞大于密 度增大。在我们进行压实作业的时候也是同样的规律。如果我们保持压实机 械的质爨不变，雨增加碾压遍数；或增加压实枫械的质壁，不改变碾攫遍数， 都可以得出与室内试验相同性质的含水量一密实度关系馥绫。因此，随着压 实机械质鬣的增加，土或路面材料的最佳含水最要降低，丽最大干密度爱增 翔。毽是，遮辩现象是有一定隈度的。超过这个限度，鳏傻继续增加碾难遮 数或使用很重的压实机械也不会明显降低最佳含水量和明恩增加最大千密 度。 材料的含水量接i 璇压实机械愿实的最佳含水量时，需黉的压实功鼹小。 当采用规定掩工方法控制压实时，控制含水懿是碾压的重点。为了保证满意 的遥实结果，使在接近压实机的最佳含永量条件下得到璇压是极其羹臻豹。 在某些情况下，为了保持土体积的稳定性，控制含水量可能比控制密实度更 重要。 三、压实机械对压实的影响 所阁的篷实瓿械对一定含承堂下的压实毒季辩靛压实状态露缀大鲍影响。使 用轻型压实设备只能得到较小的密实度，使用童型愿实设备可以得到较大的 密实度。鞭动压实辊槭眈相弼震塞的普逶压实设备酶压实效果要好豹多。不 但蜜实度大，两且有效静篷实深度也大( 含水量丈豹精土除外) 。 下面以振动压实设备来介绍影响振动压实效果的主鼹参数( 机械本身) ： 振动压实机的压实功能很强，振动压实机一般都设有调频、调幅装置， 可戳撮据鬻要调成不振、弱强或强振的不同状况。因丽，它可兼传轻型、中 型和重型压赛机使用。 1 、静质量 与其它疆实枫摇冠，影响压实效果酶主要因素蓠先是振动压实机蠢身的 静质量。在其它参数不交静帻况下，施翔予被篷材料层的静态移动态疆力都 与静质量成正比。通常静质缀增加一倍，压实影响深度也可以增加倍。 2 、频率和振幅 扳动慰实枫匏振动频率和振幅对压实效莱露穰大影响。根据试验褥到的旗 聚力不大、颗敉问能有相对 运动的士的压实效果与 振动频窀弱振幅之间的 关系馥线，觅图2 ，l o 。 用振动压察机械碾压土时， 土的干密度与振动频率的 鬟槲摹i 关系表菇鼍如豳2 i l 所示。圈2 一l o 振动频率鞠振动与压实效栗驰关系 2 1 辩堪辅瓣 鬟费鬃摹( a f t 固2 - 1 1土的于密度与振动频率的关系 图2 1 0 和图2 1 1 可以看到： a 。振动频率为3 0 4 5 h z 敕压实效果最好； b 。在整个频搴范溺内，增大振幅霹明显增捷压实效果； c 振动频率过高威而降低压实效果。 振幅为振动压实机的下车上下移动的蕊。振幅越大，使被聪土成材料参加 振动豹质量越多，扶露臻翮压实影畹深度或聪实厚度。需要注意酌是，绍采 要求的聪实深度不大，就无需使用大振幅豹嚣实机械。因为过离的压实能量 不仅不会被压层的土或材料吸收，反而会使已压实的薄层产盛! 松散现象。对 予较厚盼碾压层来说，照然其上层已经压嶷到一定程度，在继续碾压过程中， 未达到完全压实娃藏，冀上爱仍会产生露松散现象。为了避兔这种瑷象，对 于厚碾压层，开始时振幅簧大，之后随压察度增加应逐渐减小搬幅。 变幅对改变振动强度有良好的效果，它对薄铺层碾压或厚铺层压光有很大 厦处。变幅可薅分开式镝心块来实现，这群缭梅可有高摄疆或低擐摄两种选 择。双振幅对于中型和大黧用于沥青路面橱料的压实机褫来说，已经显得越 来越煎簧，近几年用于雁实土壤和岩石填方的振动压实机采用了双振幅结构。 ( 4 ) 振动压实机械的压实特性 用振动压实机械碾压后，被压材料的密实度沿深度的变化常具有图2 - 1 3 的蘧线形状，氇就跫往往 表层的密实度很差。其原 因是表层材料媛按随滚轮 一起振动，滚轮与材料层 并不紧密接皴，在振动轮 的压力波作用下，表层材 鬻鬟塞一 图2 1 3 振动压蜜机械的压实特性 料变得疏松。为了消除这些缺陷，在振动碾压以后需要继续静力碾压。 2 3 夯实理论1 1 1 1 2 1 1 4 1 夯实是由工作机构从一定的离度落在被压实材料的袭面上，使其受冲击 后产生很大的成力，达到压实的目的。夯实时的冲击效率对压实具有很大的 意义，它视夯实矮量之比而定。 夯实枫槭楚耱冲击式机城，怒一静全薪豹工纛藤实樵械。它突皲了传 统的圆形截面雁实轮的概念，采用非圆形机构产生冲击与揉搓作用相结合的 新型压实技术，将振动压实的高频率低振幅改为低频率搿振幅，在压实作业 孛较大的增加了土石方的压实能鬣。在圣# 业过程中，周期经遣i 申击她霭，产 生强烈的冲击波，囱地下深层传播，其有地震波的传递特性。具有戳下优点： 使用于对粘性土壤和非粘性土壤进行夯实作业，对石料填层可产生无可比拟 的压实效果；w 以冲击碾压软土地基，加速排水固结：对土石方的含水掇变 耽范重要求较宽；它广泛使题在公路、铁路、建筑、承稳等工程麓工巾；覆 公路修筑施工中，可用在桥背涵侧路基夯实、路面坑槽的振实以及路面养护 鼍鞋i 维修的鸯实、平整，是筑路工程中不可缺少的设备之一。 下砸对被夯实材料表面上所产生的最大应力、夯击持续时间和冲击效率 进行理论分析。 一、确定被压耪瓣表薤所产燕驰最大应力 夯实时被压材料表面的媛大应力可根据以下几点假设进行近似计算： 1 、冲难为非弹性的； 2 、被篷褥瓣为线形变形体，耀交形模量e 表示； 3 、在材料变形的过程中不考虑其表层的硬化； 4 、压实过程为一立柱体的变形，立柱体的袭面积等于夯板的底面积，高 度等予拨魇材料层的厚度( 强2 - 1 4 ) ； 5 、庞力沿被压层深度静分布，近似的按蠹线靛镎交纯( 冤圈2 - 1 4 ) ； 6 、“夯实机构一被压材料”系统的总动能全转化为形变的势能： 7 、被压材料的底层位于绝对剐性的基础上。 一 一一， 压 1 0 一，o， 了7 ，7 ，。 az# z l 1 ，, - ， b 矿 曰 目 目 目 目 离 。+ + 一 图2 一1 4 夯安应力分布计算簿黪 厚度为d z 的被压土层的变形势能可按下式计算f 2 l ： 积，；譬笋 式中：a 一夯板的底面积 e 一形变模量。 分层内的应力盯：由应力分布圈求得( 图2 - 1 4 ) ： 口，：- ；o o ( 1 一土) + 鱼 口z 。( 卜i ) + 詈 式孛：瓯一被惩材料表葱土的最大应力； 口一被压材料上层和下层应力值之比，8 一； 6 一被压土层厚度。 被疆材料立棱变形的全势能为 层，。；竺旦2 施 ep 2 l0 一一 代入盯：值_ 并积分得 e m 百c r a 蚕( 1 + 丢+ ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 一i 5 ) “夯实机构一被压材料”系统得动能为： 露。华 ( 2 1 6 ) z 式中：班系统静矮量； t ，一系统的速度。 从冲击理论可知，被压材料撞的导入质量( 当柱底周定时) 等于彳， 撼为被压材料柱的质量。“务实缭梅一被压材辩”系统豹慈质量受 肼4 m o + 式中：m 。一夯实机构质囊。 根据冲击理论得出系统总速度： 静( ”等j 鸭辨。 ”q _ 。帆+ 于 ( 2 1 7 ) 式中： 。夯实枫掏从h 窝度自出落下与被难材料接触时的速度， t 4 z g n a “夯实机构被压材料”系统的动能为【2 l = e ；。卵旦 m 根据能荣守憾定律，势能等予动能，经过熬瑗褥 ( 2 1 8 ) 叩m 陌 1 9 ) 霞_ l 逝，被压材瓣表鬣上褥矮大应力褪夯实税梭主要参数豹 孥汉两定，夯 实梳构的纛量、下落高度、夯板底面积、被压材料的厚度、材料的变形模量 和沿被压层深度分布的应力等都对被压材料表面应力产生影响。 二、夯辔撩续时闻的确定 为确定夯击持续对闯委废溺动量定律。 m o ( ，q ) 2 肛 ( 2 2 0 ) 式中 掰。夯实机构的质攫； 筝一夯击持续时闻； 一夯击开始时夯实机构的速度； ”，一夯击结束时夯实机构的速度； f 一夯击过程中的力，ft 删。 夯实开始辩夯实飙构的速凄q 一。一0 2 9 阿：夯裔结寐辩夯实槛秘斡遴度 t ，= 0 。这时， l d t 一埘。, 2 9 m ( 2 2 1 ) 夯击过摇申，反力飙零递堆至4 矮犬值，近钍静认为怒按直线褒德变织。这 样，积分上式庄边部分得跎1 p ，一删r 卜了v a oa(2-22) 式孛：吒一镛屡裘西上的最大应力。 使上两式右边部分相等，得务实持续时间公式： z 。2 mo 2 4 历f f ( 2 2 3 ) 口a 一 当应力沿被压层深度均匀分带瓣，可得如下近戗公式： 一辱( 2 - - 2 4 ) 可见，秀击持续对闻与王佟枧橡下落高度有关，工律枫捣豹重量越羹，被 压层静厚度越大，夯击持续时间越长；工作辊构的底蕊积移变形模嚣越大， 夯击持续时问越短。 三、夯击时单证冲鳖的确定2 “4 1 报据工作祝梅攀位嚣积的；串羹德来估价夯实效果。 冲量等于逮动量的变化 ，；m 。( ，一 ：) t f d t - f o a d t ( 2 2 5 ) 戴 = m n 再西 ( 2 2 6 ) 戴辩，单位冲量鸯 j 。t 逦a ( 2 - - 2 7 ) 夯实效果随单位冲量增大藤增加，但单位冲澄有某一定的极限德，若超出 这一数壤，爵辘弓| 超被夯实豺料表面静破裂。攀位狰量t 应为 = ( o 8 0 9 ) i 。( 2 - - 2 8 ) 式中i 。为极限单位冲量。 四、夯实效率n 夯鸯效率为工作枫构绘蹬髂能量与被压材料在夯实对质接受靛麓量眈。从 理论力学的知识可知，非弹性冲击的冲击效率可用下列关系式表示： 驴森 q 咽) 式中；m 。夯实体( 夯褰机构) 的质量； 优l 被压材料柱质摄。 弓| 入系数筘一。，德国： 野。黑 ( 2 3 0 ) 驴商 旺 图( 2 1 5 ) 表示夯击效率和夯实机构质量与被压土壤质量之比的关系曲线。 麸强2 - 1 5 可以看