（机械设计及理论专业论文）仿冲击振动压实的试验研究.pdf

摘要 我国公路投资迅速增加，公路建设规模不断扩大，对道路压实的要求也不断提 高，传统压路机在很多情况下效率低，压实效果差。本文设计了具有特殊动平衡 结构的振动压实机，综合了振动压路机和冲击压路机的优势，既可以实现冲击压实 的高压实度，又可以保证压实路面的平整度和均匀性。然后，通过大量的对比性试 验，确定了压路机参数的取值范围，对压路机频率、振幅和行进速度等参数对压实 效果的影响作了分析，验证了理论分析的正确性。 关键词冲击 对比试验 压路机动平衡 压实效果 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr o a di n v e s t m e n ta n di t sb u i l d i n gs c a l e ，t h ed e m a n df o r c o m p a c t i o no ft h er o a da l s or i s e s ，w h i c ht r a d i t i o n a lc o m p a c t i n gm a c h i n e sc a n n o tm e e t u n d e rm a n yc i r c u m s t a n c e s t h i sp a p e rd e s i g n st h ev i b r a t i n gr o a dm i l e rw i t has p e c i a l s t r u c t u r eo fd y n a m i cb a l a n c e b e e a n s ei ti n t e g r a t e sa d v a n t a g e so fv i b r a t i n gr o l l e ra n d i m p a c tr o l l e r , t h i sm i l e rn o to n l yc a na c h i e v eah i 曲d e g r e eo fc o m p a c t i o n ，b u ta l s oc a n a s s u r cf l a t n e s sa n du n i f o r m i t yo fr o a ds u r f a c e t h e nt h r o u g ht h ea b u n d a n tc o m p a r a t i v e e x p e r i m e n t ，a s c e r t a i n i n gt h ep a r a m e t e r s b o u n do ft h er o a dr o l l e r , a n dm a k i n gs o m e a n a l y s i sa b o u tt h ee f f e c t s ，o f t h ep a r a m e t e r sl i k ef r e q u e n c y , s w i n ga n ds t e p p e ds p e e de t c ， o nc o m p a c t i o ne f f e c t v a l i d a t i n gt h a tt h ea n a l y s i so f t h e o r yi sc o r r e c t k e yw o r d s ： i m p a c t r o a dr o l l e r d y n a m i cb a l a n c e c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n tc o m p a c t i o ne f f e c t i i 第一章绪论 压路机是公路、铁路、水坝、机场等工程基础建设中不可缺少的压实机械，它 可消除被压实材料中的空隙，降低渗透性，减少因水的渗入而引起被压实材料的软 化和膨胀，使被压实材料保持稳定压实状态，从而满足这些工程基础的密实度要求。 而压路机所能达到的密实度直接由压路机结构、参数的设计和控制决定，因此压路 机的设计及控制，各参数的最优化组合就成为压路机研究领域的重要组成部分。 1 1 压路机的研究现状 纵观世界压路机发展史，出现了两次创造性的飞跃：第次的飞跃是振动压实 技术和振动压路机械的出现，从此压实效果的增长不再是简单地依赖于质量或静线 压力的增大；液压技术在压路机上的应用促成了第二次的飞跃，液压传动的引入使 振动参数的调节成为可能，在2 0 世纪7 0 年代末期出现了调频、调幅式的振动压路 机，为压实工作参数的优化调节奠定了基础。目前，随着工程要求的不断提高，压 路机的发展越来越趋向振动化、液压化、自动化，不同种类的压路机都在不断地更 新换代。 1 1 1 国外压路机发展概况。” 世界压路机发展已有上百年的历史。目前，世界上牛产压路机的丰要围家有德 国、瑞典、美国、日本等。全世界主要压路机制造企业有1 0 0 0 家左右，德国、日本 各有2 0 来家，美国有几十家，其余主要分布在瑞典、前苏联等国。全世界1 9 8 7 年 产量达2 0 0 0 0 多台，以后多年来一直保持在2 2 0 0 0 2 5 0 0 0 台之间。进入9 0 年代后 有较大增长，现已达到5 万台左右。一直保持第一位的是德国宝马，占国际市场2 3 左右。第二位是瑞典戴纳帕克，占2 0 左右。其它的主要制造企业还有德国的凯斯 一威博麦士，美国的卡特彼勒、德莱塞、英格索兰，日本的酒井重工、小松制造所、 川崎重工、三菱重工等。日本酒井是世界上静碾压路机最大的制造企业。 全世界范围内的压路枫，绝大部分均为振动压路机，且几乎都是全液压驱动、 液压振动。其中绝大多数振动压路机为铰接式双驱( 前后轮都驱动) ，一部分为双 驱全振，一部分为双驱单振( 前振) ，另有少部分为单驱单振( 后驱前振) 。双驱双 振最大自重1 2 t 左右，双驱单振，最大可达2 0 t 以上。另外，国外压路机变频变 幅也比较普遍。同时还普遍采用了自锁减速器、压力喷雾洒水、三级制动、三级减 振、落物及翻车保护等先进结构。近年来还出现了蟹行机构、装配式凸块瓦、部分 式振动轮、气力悬挂减振、随机检测及故障自动报警等先进技术。特别是微电子技 术在压路机上的应用，使压路机发展到了一个崭新的阶段。 国外在2 0 世纪7 0 一8 0 年代，修建高速公路高峰期用l o t 以上大吨位振动压路 机较多，最大达2 2 t 以上。8 0 年代以后直到现在，发达国家的高速公路进入维护 期，小吨位振动压路机占了绝大部分，其中小吨位双钢轮占了很大比例。 目前，世界压路机已经发展到了第三代。除了继承以前的先进技术及先进结构 外，主要在外观造型、操纵安全舒适性及压实性能等方面有突破。世界上目前著名 压路机制造企业所推出的第三代产品，都采用了流线型、大倾角的外型设计，且机 罩可借助空气弹簧打开，既美观又十分方便维护保养，带翻车保护、造型优美的宽 敞明亮的驾驶室，内部空间比老一代增加了3 0 以上，且室内噪声很小。加上可调 高度及倾角的方向盘，舒适的高靠背坐椅等，使驾驶人员倍感舒适、安全。微电子 技术在第三代产品上得到了广泛应用。比如宝马公司的第三代产品采用液压阀自动 控制，使压路机上、下坡时具有更好的牵引性及爬坡性能。在其“h ”型产品上装 有自动滑转系统，使该机能在大于5 0 9 6 的坡道上作业。 1 1 2 国内压路机发展概况。2 1 压路机是我国建筑机械中量大面广的机种之一，也是起步最早的建筑机械机种 之一。1 9 4 0 年在大连诞生了我国第一台动力压路机，当时是用蒸汽做动力的。1 9 5 2 年在上海厦门路机械厂( 洛阳建筑机械厂前身) ，第一次制造了两台光轮内燃压路 机，开创了我国内燃自行式压路机的制造历史。从1 9 6 2 年开始由原建工部统一安 排，先后由徐工、上海工程厂( 现上海金泰) 及三明重机厂研制成功了多种规格、 型号的两轮及三轮内燃自行式静碾压路机。到1 9 8 3 年，徐工研制成功了当时最大 的3 y 1 8 2 1 型三轮静碾压路机。至此，静碾压路机基本形成系列，压路机专业制造 行业也基本形成。这时，压路机制造企业由6 0 年代的8 家，7 0 年代的1 2 家，发展 到8 0 年代的近3 0 家。 8 0 年代前，国外振动压路机已很普遍，且已具备了相当高的技术水平。而我 国8 0 年代前的振动压路机还很少，基本上未推向市场。1 9 6 5 年洛建与长沙建机所 2 共同研制了我国第1 台振动压路机y z 4 5 。1 9 7 4 年厂所再次合作，又研制成功了y z 8 b 振动压路机。由于技术上、质量上不很成熟，这两种产品基本上未推向市场。进入 8 0 年代后，洛建又先后开发了两种型号的拖式及手扶式振动压路机。徐工从1 9 8 3 年先后研制成功了y z 2 、y z j i o a e y 及y z s 0 6 手扶式振动压路机。这些振动压路机技 术水平较低，品种规格也不全，满足彳i 了国民经济快速发展的需要，在这种情况r ， 于1 9 8 4 年及1 9 8 6 年徐工、洛建先后引进了世界上最先进的瑞典戴纳帕克 ( d y n a p a c ) ，德国宝马( b o m a g ) 系列振动压路机技术，从此，我国振动压路机走 上了蓬勃发展的道路。 8 0 年代后期及9 0 年代，山东公路机械厂、湖南江麓、四川i 成工，先后引进了 日本k a w a s h a k i 、德国c a s e v i b r o m a x 、西班牙l e b - - r e r o 公司等国外主要压路 机制造公司1 8 t 以下的振动压路机制造技术，缩短了与世界先进水平的差距，形成 了我国比较完善的振动压路机产品系列，同时也形成了徐工( 徐卅工程机械厂) 、 洛建( 洛阳建筑机械厂) 、三明重型( 三明重型机械有限公司) 、江阴交工( 江阴交 通工程厂) 、上海金泰( 上海金泰股份有限公司) 、江麓( 江麓一浩利工程机械有限 公司) 、山东公路( 山东公路机械厂) 等一批重点骨干压路机企q k 。 目前我国已有专营及兼营压路机制造企业7 0 多家，在液压振动压路机方面取 得了很大的发展。如三明重型机器有限公司开发的y z c i o 串联式全液压双钢轮振动 压路机，通过推动驱动泵上手动伺服阀的手柄可实现无级变速和前进、倒退；前后 双驱动轮，双振幅压实；制动安全可行，驱动与制动互锁；振动快速起振和停止， 避免对路面局部过度压实或压实不够造成表面不平整的现象，振动的起振、停止和 洒水全部为自动控制。y z t 0 6 小型拖式振动压路机是一种拖式轻型振动压实机械， 体积小、重量轻、结构简单紧凑、操作方便、造价低，特别适用于公路和城市的养 护工作以及小型路面或场地的施工。徐州工程机械制造厂1 9 8 6 年研制的y z c l 2 型 双频双幅串联式振动压路机，采用全液压传动和全电液控制，具有前后轮驱动、前 后轮振动、两个频率两个振幅、自动与手动控制振动、自动与手动控制喷雾洒水、 三级减震、三级制动、铰接式转向与摇摆、作业速度恒定等技术性能。湖南长沙三 一重工，最近推出y z l 2 和y z 2 0 振动压路机，可以实现全液压驱动和振动、无人驾 驶等智能化功能。长沙矿山研究院在研制成功y z j l 9 a 的基础上又开发了地面遥控 的振动压路机。其遥控系统由控制台、无线电发射装置、机载接收装置等组成，接 到信号后控制压路机各作业系统完成各种动作。它是一套电、气、液、机械联合系 统，共控制1 1 个动作：左转、右转、前进、后退、停车、前振、后振、停振、刹 车、熄火和喇叭。驾驶员既可手工操作又可在地面直视l o o m 距离内实现视距遥控。 该系统可靠性高、抗干扰能力强、操纵方便、实现无人驾驶，对危险路面压实增加 安全性，同时延长了机器的使用寿命。此外，江麓一浩利工程机械有限公司和国防 科技大学也合作开发了w 1 1 0 2 d z 型无人驾驶压路机。 总之，这几十年来，国内所开发的振动压路机在性能和先进性上已取得了长足 的进展但由于起步较晚，整体水平与国外先进水平相比仍有较大差距，主要表现 在重型和超重型振动压路机生产数量和品种仍然较少，路肩和沟槽等专用压实设备 缺乏，振动技术落后，产品的自动化、智能化程度低，产品舒适性较差，整机设计 环保意识较弱等方面。我国入世后，随着进口工程机械产品关税的降低，国外先进 的振动压实设备将会对国内产品产生较大的冲击。 1 2 振动压路机发展趋势 纵观振动压路机发展简史，振动压路机发展水平及发展趋势可归纳为o “： ( 1 ) 液压化 6 0 年代，国外大中型振动压路机已经采用液压技术，7 0 年代推出的全液压振 动压路机，使得压路机的传动系统大大简化、操作简便、省力。特别是液压传动使 行走机构实现了无级变速；使振动系统能够根据施工要求在较大范围内调频和变 幅，振动压路机的使用性能和应用范围得到大大改善和提高。同时，液压化为机器 自动检测和控制提供了条件。近年来，液压技术开始逐步应用于小型振动压路机和 振动平板夯，而且液压系统的污染控制方面受到了更多的重视。 ( 2 ) 系列化 为了满足不同施工条件的要求，国外压实机械产品系列不断扩大和完善。就振 动压路机丽言，从自重仅3 0 0 k g 的手扶式振动压路机直到1 8 t 的大型振动压路机， 都按不同的系列进行生产。根据用户的不同要求，一种产品又派生出多种变型产品。 瑞典戴纳帕克( d y n a p a c ) 公司的c a 2 5 s 振动压路机派生出压实粘土用的c a 2 5 p 、双 轮驱动的c a 2 5 d 和压实面层的c a 2 5 r 等型号。德国韦伯麦克( v i b i o 姒x ) 公司在其 1 5 t 重的小型振动压路机w 1 5 2 上派生出w 1 5 2 k 型压路机。德国b o m a g 公司在b w g o s 手扶振动压路机的基础上派生出带有转向和司机座椅的b w 9 0 s l 型振动压路机。 ( 3 ) 标准化 标准化包括两个方面内容。一方面，为了适应施工工艺，产品性能参数尽可能 标准化。例如，振动轮尺寸、静线压力、激振频率、振幅、行驶速度等。另一方面， 为了简化加工工艺，降低成本，生产厂家尽力将本公司零件标准化。例如，瑞典戴 纳帕克公司正在改进c a l 5 、c a 2 5 、c a 3 0 、c a 5 1 机型的设计，使其零件在一定范围 内尽可能通用，如分动箱、减速器、驱动桥等，便于组织大批量生产。另外，标准 化有利于采用模块组合设计方法，将一台机器分成不同的模块，提高新产品开发速 度，满足一机多用的需要。 ( 4 ) 一机多用 实现一机多用的途径主要有两条：一是改进对振动结构的操作控制，使压路机 具有垂直振动、水平振动( 振荡) 、调频调幅和静碾压功能，根据需要随时变通， 发挥各种振动压实方法的特点。二是在压路机上增加附属装置( 如推土铲、路面刮 平修整机、凿岩机等) ，增加其专用功能。 ( 5 ) 电子化、智能化 微电子技术、计算机技术和遥感技术的发展，推动了压路机的电子化进程。各 种电子元器件、电液伺服机构以及压实度检测装置的应用，克服了压实检测靠经验 判断或取样化验的缺点，确保了整个压实面质量的一致性，提高了施工效率。例如， 在德国b o m a g 、h a m m 、瑞典d y n a p a c 等公司的压路机产品上，微电子技术已在各工 作系统中被广泛应用，如工作系统的监控、驱动系统的防滑转装置、整机的故障自 动检测系统等。压路机实现电子化，是其向高性能、自动化、智能化方向发展的标 志。 在智能化的应用上，德国b o m a g 公司已将网络传输和卫星定位系统( g p s ) 应 用于相应的产品上。它通过安装在压路机上的g p s 脉冲装置，将整机的工作情况如 整机的工作区域、工作轨迹、碾压密实度的色彩比较等g p s 信号，经反馈装置传输 到空间卫星上；空间卫星将汇集到的信息形成图像或数据信息重新发送到安装在压 路机上的g p s 接收装雹上并在p c 机上显示；并可同时通过地面的g p s 信号反馈装 置向安装在压路机上的g p s 脉冲接收装置发出指令，启动自动调幅机构，随时调节 工作激振力的大小，以达到路面规定的密实度要求。有的压路机还在机身周围布置 方向传感器和超声波发射、接收装置，压路机在行驶时若遇到障碍，接收装置就会 接收到障碍物反射回的反射波，触发警报器，提醒驾驶员注意；如果和操作人员的 手持式传感、遥控器相连接，就能实现信息的远距离自由传递，并实现整机的无人 驾驶。 ( 6 ) 舒适化、方便化 工程机械的舒适性涉及面很广，如司机的驾驶环境、操作过程、维护及保养等， 其中最主要的是驾驶环境。目前，国外振动压路机的驾驶室有逐渐向汽车驾驶室标 准靠近的趋势，表现在内部结构大量采用模块化成形零件，外观考究，整体布置舒 适合理，并根据压路机经常需要前后行驶作业的特点，特别注意追求视野宽阔，并 配备有换气、空调、暖风、电视监测等设施。在操纵及控制方面，大量采用电控或 电液联控，使操作轻便灵活。在驾驶室整体设计上，加大了人机工程造型艺术的应 用，驾驶室的四周设有超大钢化玻璃门窗，豪华司机座椅可前后、左右、上下滑动 和移动，靠背角度可任意调节，驾驶室可整体翻转或滑移，提高了对设备内部维修 养护的方便性。在驾驶室与机身之间设置多层电子橡胶阻尼元件，振动轮与机身采 用柔性联接，使压路机的驱动部分与振动部分处在两个单元上，动力靠液压系统传 过去，而振动轮的振动却很少能传过来；加上驾驶室采用优质电子橡胶元件，振动 轮与框架之间装有弹性减振器，使座椅的振幅由1 2 m m 降到0 5 0 r a m 以下，妥善解 决了既要提高振动效果又要防止有害振动这一矛盾，极大地提高了操作的舒适性和 维护的方便性，体现了很高的人机造型艺术。 ( 7 ) 安全化 在安全性方面，国内外压路机生产厂家普遍开始采用防倾翻及落物保护的驾驶 室或独立的防倾翻及落物保护装置( r o p s f o p s ) ，并配有重型工程座椅及安全带， 以适应特殊施工的要求，保障驾驶人员的人身安全等。在刹车系统上普遍采用了钳 盘式气推液的无动力制动系统，可在失去动力的紧急情况下，实现整机的有效制动。 在驱动系统中，通过采用防滑转技术，极大地提高了整机的驱动性能，使整机的爬 坡能力达到5 0 以上。如采用这项技术的英国b e n f o r d 公司研制的s p 2 0 1 2 d h c 振 动压路机能够在1 ：2 的斜坡上压实含8 膨润土浓缩沙子的材料，且进行几次振 动压实就能达到规定的密实度。 1 3 课题的来源及其研究意义 近十多年来，我国高等级公路的建设已取得令人瞩目的成就，但仍然存在着许 多有待研究的课题。首先，我国公路建设工期较短，路基压实后很少留有自然沉降 期，大面积路段沉降时有发生。其次，我国土地资源紧张，地质条件复杂，高填方 工程、软地基工程、碎石夹土工程随处可见。第三，我国资源分布不均，适合高等 级公路使用的沥青主要依赖进口，道路面层摊铺较薄，这就需要提高路基的压实效 6 果。第四，我国交通运输管理尚未完全规范，车辆超载现象严重，道路承载能力有 待进一步提高。高速公路外道较内道变形严重是许多在高速公路上行驶过的司机都 有过的切身体验。由于以上问题的客观存在，使得提高路基的压实成为高等级公路 建设中必须解决的课题，也使得道路养护作为公路建设中一项重要的工程任务，成 为了保证道路畅通、提高道路使用寿命的关键环节之一。对道路小面积损坏进行及 时修补，并保证其质量是防止大面积损坏、降低维修费用的重要措施，而对于道路 小面积作业，常规的人力方法费时费力，又往往不能保证质量；使用大型设备，投 资大又无法发挥其效益，造成浪费。因此，加速研究开发有效、机动、灵活的道路 建设和维修设备，将对全国工业和道路建设和维修现代化起到良好的促进作用。 建筑业作为工业化国家的三大支柱产业之一，在我国改革开放以来取得了巨大 的发展近年来城乡建设规模宏大，各种住宅楼、商品房、丁= 业基础设施、水利1 ： 程、市政工程等遍布全国。建筑业的发展也带动了建筑机械的l j 步发展，各类上壤 压实机械的需求量猛增。而且，随着工程质量要求的不断提高，对压实机械技术性 能也提出了更高的要求。目前世界上大量使用的压实机械主要有振动压路机和冲击 式压路机，二者相比各有其优缺点。 振动压路机是通过激振器发出通常为2 5 - - 5 0 h z 之间的振动波，这种正弦波的 振动载荷使土壤颗粒产生共振，处于高频振动状态，使其颗粒间的内摩擦力丧失贻 尽，而振动压路机的自重压力迫使这些颗粒迅速地重新排队，特别是小颗粒将无孔 不入地迅速掺入到大颗粒之间，将水分与空气挤出来。那些较大颗粒( 如石块) 的 棱角也因受不了这种高频冲击力而被敲掉，因而使颗粒间空隙减少，密实度提高。 但由于目前市场上大部分振动压路机采用的是单频振动，振动频率偏高，振幅偏小 被压材料承受的单位载荷比较低，压实影响深度浅。 冲击式压路机是利用专门的设备对被压材料旎以冲击作用力，破坏被压材料内 部颗粒之间原来的连接，强迫颗粒产生移动，进行重新排列，变得更加密实u 4 【2 ”。 由于冲击压力波较振动压力波能传至更深的层面，所以，冲击压实输出能量大，能 获得最大的压实深度。但由于冲击作用力的不连续性，使得冲击压实后的路面均匀 性和平整度差，故冲击压实只是在基础压实和老路面破坏上应用较广。 由于以上两种压路机各有其难以克服的弊端，因此均无法同时在质量和效率上 满足人们的要求。市场呼唤一种技术更先进、适用性更强、压实效果更好、效率更 高的压实机械产品。 因此，我们提出了研发小型仿冲击压实机这一课题。该压实机具有如下儿个特 点： 1 由于小型压实机不具备足够的能量，所以应用传统的产品，即使是国际名 牌，也对压实粘性土很困难。而本压实机因设计了特殊的动平衡结构，故在较小能 量驱动下就可以实现冲击压实，具备了压实粘土的能力。 2 由于其特殊结构，此压路机振动、噪声小，能量损失少，向土壤深层传递 能量大，深层压实度好。 3 结构紧凑，外观新颖，整体压实效果好，性价比高。 4 完全具有自主知识产权。 所以，这种新产品具有广阔的发展前景和良好的经济、社会效益。 1 4 本文主要内容和研究方法 为适应压实材料的多样性及材料在压实过程中物理一力学性能的不断变化，人 们已采用了双频双幅的变频变幅振动压实技术，以便在不同的压实场合变换振动频 率及振幅。但由于被压实材料的颗粒大小和组成不同，即使在压实过程中变换振动 频率及振幅，采用单频振动也很难使压实材料达到共振压实的预想效果。为了强化 压实过程，可以采用多频振动压实技术。多频振动是由两个或两个以上的简谐振动 复合而成的。 另外，粘性土压实仍是一个世界性难题，目前较好的办法是采用夯实技术，如 冲击夯和冲击式压路机。但冲击夯作业速度慢，均匀性、连续性差：冲击式压路机 的多边形凸轮在产生冲击压实的同时也存在使牵引车承受冲击载荷问题，造成发动 机输出功率频繁变化，且存在压实复位现象，致使压实的均匀性变差。因此，有必 要设计一种新的机构来解决粘性土压实问题，这种机构既能实现冲击压实，又能避 免冲击夯和冲击式压路机存在的问题。 基于以上两点分析，同时考虑小型压实机械市场前景看好，本文制定如下研究 任务： 1 探讨新的压实理论和方法，做到技术创新。本文设计了具有独特动平衡结 构的仿冲击型振动压实轮，并通过大量试验对其效果进行验证、评价。 2 设计、制造试验样机。该样机在满足试验需要的基础上，采用工业设计的 方法而力求结构紧凑、外观新颖，易于试验过程中进行动力学参数的调节。 3 开展试验工作，测试样机的各项性能。对振动频率、振幅、行进速度等几 个对压实度有重要影响的参数进行正交化试验设计，确定了这几个参数与压实度的 关系及其规律。 4 本文最终目的是提出新的压实理论：设计制造出具有我国独立知识产权的 小型压实设备，该设备能适应不同土壤介质压实的需要；为解决粘性土压实难题提 供一个较好方案：解决土壤深层压实难题。 9 第二章振动压实原理 2 1土的压实机理与特性 2 1 1 土壤的压实原理 压实是通过施加外力使被压实材料提高压实度的过程“1 。土的压实( 如图2 一1 ) 可归纳为五种不同的压实原理：静压力作用压实、振动压实、冲击压实、振荡压实 。”和夯实。 静压 、莲j 、尊) 二 j i _ ? 龋 弋专、7 苫一 一、静作用压实 光轮压路机和轮胎压路机，靠自身重力压实土，它属于静力作用压实。静力作 用压实土，克服土的颗粒之间的摩擦力首先进行大范围运动，随着静载荷的增加， 颗粒间的摩擦力也增加。因此，静力作用压实有一个极限的压实效果和影响深度， 无限地增加静载荷，也不能得到相应的压实效果，反而会破坏表层土的结构。 二、冲击压实和夯实 振动冲击夯和冲击式压路机都是利用冲击力进行工作。当冲击滚轮与土表面接 触时，冲击力产生的压力波传入土中，使土的颗粒运动，冲击载荷的影响深度比静 载荷的影响深度要大。所以，冲击压实比静力作用压实的压实效果要好。 三、振动压实”1 振动压实用快速、连续地反复冲击土的方式工作。振动产生的压力波从土的表 面向深处传播，使土颗粒处于振动状态，振动降低了颗粒间的内摩擦力，在这种状 态下，小的土颗粒充填到大颗粒土的孔隙中，使土处于容积尽量小的状态。对于土 的振动压实机理有三种学说： 1 散体共振学说 根据物理学原理，如果激振频率与散体振动的固有频率一致，则振动密实能得 到最好的效果。但在实际工作中，由于散体的固有频率随着振动压实的过程在不断 变化，要求激振机构的频率也作相应的变化，这就使得激振机构的频率必须有一个 较大的调节范围。 2 重复冲击学说 利用振动在散体上所产生的周期性的压缩运动作用，使散体密实。为此就需要 增大机械在与散体接触前瞬问的动量，这就需要使机械具有大振幅和增人振动部分 的质量。 3 内摩擦减少学说 散体的内摩擦力因振动作用而急剧减小，使剪切强度下降到只要较小的负荷就 能很容易地压实，为此就需要使激振机构在振动过程中始终保持着和散体的接触， 即散体的振动频率、振幅与激振机构的频率、振幅相同，才能得到最好的压实效果， 在这种情况下激振机构传递给散体的纯粹是振动能量，为了达到这一工作状态，就 必须使激振机构具有不离开被压实材料的振动。 四、振荡压实 振荡压实是利用压轮产生的扭振力的作用，施加于土上一水平方向交变剪切力 激励土体，使土产生水平方向( 切向) 振动，土在交变剪应力及压轮静载荷作用下 得以压实。 2 1 2 土壤的几个常用术语b 盯。” 含水量： 土中水的质量皿占固体颗粒质量腮的百分数，即 珊：堡1 0 0 ( 2 1 ) m 湿密度y ： 单位体积土的质量，即 。：兰：监坠( 2 - - 2 ) 。 vv 干密度y 。： 包括孔隙在内的单位体积土的固体颗粒的质量，即 y ，：坠： 兰 ( 2 3 ) 心2 矿2 再南面 呓一 最佳含水量c o ：粘土能压到最密实时，即获得最大干密度时的含水量。对于 各种土壤，其值一般需在实验室试验测出。 压实度占：土经压实后的干密度与该土的标准干密度( 通常即为最大干密度) 之比，常用百分数表示。如记实际干密度为，硅测，标准干密度为乃一，则 占：塑1 0 0 ( 2 - 4 ) y d m 日x m 口 气 y a v p 肌w水 v w 7 ” 1 ， r ，行s 土粒 v s 圈2 2 土壤的三相围 孔隙比b土中孔隙的体积与固体颗粒的体积之比，即 。：堡：! 盟( 2 - 5 ) k以 一般o 1 0 的土是疏松的高压缩性土。 孔隙率7 ：土的孔隙率是土中孔隙所占体积与总体积之比，以百分数计，即 矿 月= 卫1 0 0 ( 2 6 ) y 饱和度s ：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比，以百分数计，即 丁， s = 卫x 1 0 0 ( 2 7 ) 吒 当s = 1 0 0 时，土为饱和土。 2 1 3 土壤压实的物理过程 土是固体颗粒、水和空气组成的三相分散体系。外力作用可使土颗粒重新排列， 互相靠近，让小颗粒嵌入大颗粒的空隙中，同时排出空气和水分，从而增加单位体 积内土壤颗粒的数量，使土体变得更为密实而获得更高的承载能力，这一过程称为 土的压实。 1 土壤压实物理过程的实现需要两个基本条件“”： 为了使土壤的颗粒重新排列，必须对土壤施加必要的外力和功，以克服其内部 阻力，使颗粒发生相对滑移，这是压实的第一个基本条件。 压实的第二个基本条件是土体必须在压实过程中保持必要的稳定结构而不在 外力作用下发生“流动”。 在讨论土壤压实过程的第一个基本条件时，需要指出施加给土壤的外力和功并 非都能有效促使土壤颗粒发生位移而变得更加密实。在某些情况下，施加给土壤的 外部功可能只有一部分转变为克服土壤内部阻力的有效压实功。因此，这里存在着 一个压实效率的问题。最明显的例子是在振动轮压实土壤时，相当一部分振动能量 将消耗在使滚轮脱离地面“弹跳”的过程中，这些功就是压实过程中消耗的无用功。 此外，被压土壤所处的状态不同，需要的外力或压实功也不同。对比静碾压实与振 动压实，振动压实与静力作用一样需要垂直压力来克服土壤颗粒之间的内部阻力， 使之重新排列而变得更加密实，但由于振动作用大大削弱了颗粒之间的内摩擦和粘 结力，因而在同样大小的垂直压力下，压实效果要比静碾压实要好得多，也可以说 要达到同样的压实效果，振动压实所需的垂直压力要小得多。 在讨论第二个基本条件时，最为明显的例子是振动轮压实干砂的情况。此时可 以看到砂粒在振动轮的前方和侧向急剧地向外拥翻，而滚轮则陷入砂中无法前进。 垂直压力和振动作用虽然同样是克服了砂粒的内摩擦而促使颗粒发生位移，但这种 位移只是促使砂粒发生流动，向外拥翻，而不能使之变得密实。 2 土壤压实的物理过程受被压材料性质的影响 不同性质的土壤在接受外部功使其转化为克服内部阻力的有效压实功方面的 能力是不同的。高强度的粘性土壤由于土的颗粒之间有很大的内聚力，在振动作用 下，几乎不产生颗粒之间的相对运动，它对外部激振作用的响应表现为土体的整体 运动。因此粘性土需要更大的压实力才能进行有效的压实。同时还需要指出，同样 的土壤接受以不同方式施加的外力的“敏感性”是才i 同的，例如粘性土对接受冲击 和夯实作用的效率要比接受振动作用的效率大得多。 2 1 4 土壤的压实特性 1 土壤压实特性的特点 1 ) 土体的压缩变形主要是由于孔隙的减小所引起的，因而土体受外力作用产 生的压缩包括三个部分：土粒固体部分的压缩；土体内的孔隙中水的压缩；水和空 气从孔隙中被挤出以及封闭气体被压缩。由于水和土粒本身的可压缩性都很小，所 以，我们可以认为土的压缩过程主要是土中孔隙减小，颗粒重新排列的过程。 2 ) 饱和土的压缩需要一定的时间才能完成，因为饱和土的空隙中全部充满着 水，要使孔隙减小，首先必须使土中的水份被挤出。土的颗粒越粗，孔隙越大，则 透水性越大，土中水分就越快被挤出，土的压缩也就越快。粘土颗粒细小，则压缩 较困难，我们称这个过程为渗透流固结过程，这个过程也是粘土在压缩特性上区别 于其它材料的一大特点。 另外，还可以看出，疏松的土壤在压实时，呈现出明显的塑性特性，会产生较 大的塑性变形，随着土壤的密实，其塑性特性逐步减弱，弹性特性开始出现，这一 阶段称为弹塑性变形阶段，土体呈现弹塑性特性。但是，土体在变形很小时就进入 弹塑性变形阶段，基本上不存在弹性阶段，在变形很小时，也伴随着不可恢复的塑 性变形，这就是土体的主要变形特征。正是由于这一特征，才使得土的应力一应变 关系比金属材料的应力一应变关系复杂得多。 2 粘结性和自流排水土壤的压实特性 这类土壤包括石块、卵石、砾石和砂等，它们的基本单位为单粒结构，颗粒之 间没有凝聚力，仅有摩擦力，当外力大于颗粒之间的摩擦力时，就可使颗粒产生相 对移动，甚至重新排列，所以这类土壤易于压实，是较理想的建筑材料，尤其是经 过良好级配的这类土壤，容易达到理想的压实度。从压实工艺方面看，有振动力对 这类土壤的压实是很有帮助的，适当的振动力不仅可以减小颗粒之间的摩擦，而且 可使细粒土壤进入粗颗粒孔隙之中，使其获得较大的干密度。 3 粉砂和粘土的压实特性 这类土壤虽然在性质上还与其具体的矿物成分、形状、结构及表面电荷等有关， 但都属于细粒土壤，具有许多细粒土壤的共性。由于其颗粒细小，重力作用已显得 微不足道，因此各种粒间作用表现显著，化学键、分子键、离子一静电力及毛细力 产都使土粒间产生吸引力。由于其内部作用力较大，因而它们的压实要困难得多。 这类土壤的压实效果与其含水量、气候条件、压实工艺等因素有着直接的关系，其 中含水量的影响尤为重要。 2 2 振动压实机理 2 1 1 振动在土中的传播 在与压路机动态耦合地层的压实中，所传输的振动能量以空间波( 压力波及剪 力波) 和表面波两种形式分布，有时以两种波的组合形式出现。其波幅取决于激振 器类型和所传递能量的大小。 所传递振动能量的衰减，随着与振源距离增加而增加。这是由于能量密度的减 4 少导致振幅以几何级数降低，而且由于振动能量被吸收，导致频率下降，引起材料 的阻尼作用。因此，高频振动的衰减程度要比低频振动的大。振动传播可能局部地 受到严重干扰或阻碍，如填铺层极度分离、建筑物密集、地层断裂及几个振源的相 互干扰等。在各摊铺层以高密度差分割开的情况下，地下水的存在或负载未作用于 地面，振动将集中地沿着表面传播。 与源自爆炸的振动相比较，由位于表面的振动设备所产生的振动波的传播，明 显地小于前者。但是，在压实过程中，有件事实必须加以考虑，就是表面波和空间 波都对建筑物产生影响。 2 2 2 振动压实机理陉州”3 土在压实过程中，无论是静碾压实还是振动压实，只有当土中产生的剪切应力 f 大于土的抗剪强度f ，时，才能够使土颗粒重新排列，土体压密变实。要搞清楚振 动压实机理，就要探讨振动对土剪应力r 和抗剪强度f ，的影响。 1 振动对压实材料剪应力的影响 图2 3 是在土层下2 0 c m 处静、动压力( 由单频振动压实产生) 测试结果，土承 受的压力助静压力睛动压力腔和，即 p = 只+ b ( 2 8 ) 土体压力瑚最大值尼邢最小值b 。为 p m 。= 尸j 十l b 。l ，= 0 一1 只。 ( 2 - 9 ) 振动压实过程中土体承受的最大压力户0 大于静碾压过程中土体承受的压力只， 即振动压实过程中土体承受的最大剪切应力大于静碾压实过程中上体承受的剪切 应力，使得由振动产生的剪应力f 大于土的抗剪强度r ，压实效果提高。 分析图2 3 还可知，级料在强迫振动时的位移近似地按正弦曲线规律进行， 有利于材料内部摩擦减小，剪切强度降低，阻力变小。依据共振学说，当激振频率 与被压实材料的固有频率一致时，振动压实最有效。然而，由于材料的固有频率是 变化的，要求激振器的频率作相应的变化是困难的，但是利用多个频率共同作用进 行压实是比较容易的，即采用不同频率和振幅的激振力来取代图2 3 中的动静压 力。这样，一方面易使振动产生的剪切应力f 大于土的抗剪强度f ，另一方面使激 振器的激振频率具有更宽的频率范围，以适应被压材料，改善压实效果。 压力p 时间r 一一一 a 小振幅测试结果 b 大振幅测试结果 图2 3土体深度2 0 a m 处的静、动态压力测试结粜 实际上，在图2 3 中所示的测试中，静态压力可以认为是在一定时间内的加 载和卸载过程。相对于动态加载过程，这个过程又可以视为一低频大振幅的激振力， 因此在压实机自重作用下的恒定压力的基础上，再采用不同频率和振幅的激振力产 生合成振动，使得振动压实冲击能量扩散和传递到更深的土壤，提高压实度。这个 理论也是和振动压实的压力波波动学说相一致的。 2 振动对不同压实材料抗剪强度r ，的影响 振动压实对土体中剪切应力的影响与被压实土的种类无关，但是土体抗剪强度 却与土的种类有着密切的联系。 土的抗剪强度r ，可由库仑定律表示为 rr = c + 盯t g p ( 2 一1 0 ) 式中：c 土的粘聚力，p a ； 盯土的法向应力，p a ： 土的内摩擦角，r a d 。 粘土结构为聚粒结构或絮凝结构，粘土颗粒细小，颗粒的矿物成分、颗粒的结 构型式以及土一水系统的相互作用和胶结物质的存在，形成了复杂的物理化学现象。 在压实过程中形成的剪阻力主要是粘聚力c 。粘土的抗剪强度可以简化为： 0 = c ( 2 1 1 ) 砂土的结构是单粒结构，它的粘聚力很小或非常微弱，它在压实过程中形成的 剪阻力主要是土粒间的摩擦力，其抗剪强度可以简化为： 1 - ，= 口t g 妒 ( 2 1 2 ) 土粒间摩擦力是由颗粒的滑动摩擦、咬合摩擦、颗粒破碎效应和重新排列效应 所组成。振动压实过程中的砂土的剪阻力主要是由颗粒间的滑动摩擦所引起。 滑动摩擦力是颗粒接触面粗糙不平形成的微细咬合作用。颗粒间距离的微弱增 长，会使微细咬合作用产生很大的衰减。如果振动能使颗粒质点间的距离产生微弱 1 6 的增长，就会使滑动摩擦力减小。振动压实过程中，振动轮下面的土体颗粒也随着 振动。土体振动加速度口为 口= 4 口2 f2 a c o s ( 2 妒+ 口1 ( 2 1 3 ) 式中：彳振幅，i l l ： ，1 激振频率，h z ： 目振动频率的相位角，r a d ： t 时问，s 。 因此土颗粒的惯性力伪 = 4 z2 f 2 m a c o s ( 2 矿+ o )( 2 - - 1 4 ) 式中：脚。土颗粒质量，瞻。 令e 为振动强度 p=4万2f2ag(2-15) 则有 ，= m i g e c o s ( c o t + 口) ( 2 一1 6 ) 由式( 2 1 6 ) 可以看出，土颗粒惯性力屿颗粒质量m 。和振动强度e 成正比。 当振动强度e 较小时，或土颗粒质量晰。较小时，土颗粒的惯性力弛较小，它将在 自己原来的位置振动。当振动强度e 和土颗粒质量埘。足够大时，土颗粒的惯性力 足以克服周围其它土颗粒粘聚力c 的作用，使土颗粒偏离自己原来的位置。具有良 好级配的砂土，相邻土体颗粒间的粒径大小不同，即它们的颗粒质量不同，因此相 邻土颗粒在具有相同振动强度e 时，它们具有的惯性力大小不同。这种差别必然会 使颗粒质点问的距离发生微小的变化，对颗粒间的微细咬合作用产生很大的衰减， 导致内摩擦角p 的减小，即内摩擦力仃t g p 减小。 粘土的颗粒质量m 。与砂土颗粒质量相比要小得多，同时它的粘聚力c 很大，振 动不容易使土颗粒的惯性力，达到足以克服周围其它土颗粒粘聚力c 的作用，因此 振动对粘土的滑动摩擦力影响很小，粘聚力c 是粘土抗剪强度r ，的主要成分，振动 对粘土抗剪强度f ，影响可以忽略不计。 砂土土颗粒质量m 。大，粘聚力c 小，振动可以显著减小砂土的滑动摩擦，对砂 土的抗剪强度f ，影响很大，与颗粒均匀砂土相比振动对级配良好的砂土抗剪强度 r ，影响更加显著。r c c 材料中含有较大的骨料，振动可以有效地减小它的滑动摩擦， 但对它的咬合摩擦影响不大。 综上所述，振动可以显著减小滑动摩擦。由于滑动摩擦对粘土、r c c 材料和砂 土等不同材料的抗剪强度所起的作用不同，所以振动对不同材料的抗剪强度影响是 不同的。在条件相同的情况下，与静碾压实比较，振动砂土的压实效果最好，其次 是r c c 材料，再次是粘土【1 5 11 2 8 1 。 3 振幅、激振频率对压实效果的影响【3 0 】 振动频率和振幅对压实效果有 很大的影响。瑞典d y n a p a c 公司根据试 验得到粘聚力不大、颗粒间能有相对 运动的土的压实效果与振动频率和振 幅之间的关系曲线，见图2 4 。1 。由图 可见，与振动频率相比，振幅变化对 压实效果的影响远比频率变化所带来 的影响大。当振动频率从2 5 h z 到5 0 h z 范围内变化时，振动压路机压实效果 曲线呈平缓状态。说明在合理的工作 i 压实效果 ( 压实度) 、 厂 振幅2 r 一1 ? 振幅a l 旦 2 55 0 振动频率( h z ) 圈2 4 频率和振卜压实效果关系田 频率范围内，工作频率对压实效果影响不大。而在同一频率区段，当工作振幅从爿 增) j , n 2 a 时，其压实效果曲线发生了跳跃性的变化，振幅增大，压实效果明显提高。 正常振动压实过程中，振动轮与土始终接触在起。振动轮振幅的大小既反映了土 体变形的大小，也反映了土体动压力的大小。振幅越大，在土体中产生的动压力也 越大，土体承受的剪应力越大。由式( 2 1 5 ) 可知，当激振频率一定时振幅越大振 动强度越大，越有利于减小抗剪强度。因此大振幅可以提高压实效果。但是振幅过 大，振动压实过程中振动轮会出现与地面分离的现象，即“跳振”现象。严重的“跳 振”现象会使振动压路机行驶失去方向性，同时也会影响路面的平整度，这对压实 是不利的。 理论分析和试验结果都表明振动轮与土构成的振动系统是弱非线性振动系统， 近似按线性系统计算。增大振动强度e 会显著减小砂土的滑动摩擦，但是当振动强 度e 足够大时，进一步增加振动强度e 对减小内摩擦力将失去作用，摩擦系数辔p 趋 于常数。对于砂土，当激振频率在主共振点附近时，由于振动强度p 较低，此时振 动对减小砂土抗剪强度的作用较小，不利于提高压实效果，提高激振频率可以显著 提高振动强度p ，减小土的抗剪强度，提高振动压实效果。但过分增大激振频率国也 是不利的。当振动强度达到一定程度后，土的抗剪强度趋于常数，同时由于激振频 率远离主共振点，振幅减小，使土的动压力( 即土体承受的剪应力) 减小，降低了压 实效果。图2 5 是一定深度土体的抗剪强度厂 厂 厂几r i f ，和剪应力f 与激振频率功的函数关系。当振 i 卜叫弋靠去_ _ h 动频率珊在抗剪强度f ，和剪应力f 曲线交叉1 卜寸二 _ ! 厂r 二2 兰卜 点。的左侧时，即振动频率低于交叉点。所对r _ f 寸弋卅十广什1 篙霎雾裂薹戮竺篙篡e 再哥器蜀絮 的抗剪强度f ，土体不能被压实。振动频率一_ t 7 l _ _ 广r 刊每书岳d 高于交叉点。所对应的频率功。时，土体才能被+ 7 斗+ l 一+ 菇一+ f 。 压实。上层厚度越薄，剪应力曲线会平行向上p 1 斫、。市寸导= 丰岳 移动，抗剪强度曲线会平行向下移动，两条曲广 7 1 _ _ _ 丁f l 叮 线交点向左侧移动，有利于压实：反之两条曲 。l d 一去一i 叫匆。