冲击_振动_静碾复合压实滚轮与土壤系统的动力学模型

1、Vo l. 23 No. 5Sep. 2003第23卷第5期2003年9月长安大学学报(自然科学版)Jour nal of Cha ng 'an Un iversity (Natural Scien ce Editi on)文章编号：1671-8879( 2003) 05-0056- 04冲击+振动+静碾复合压实滚轮与土壤系统的动力学模型杨人凤1,张永新1,汤710068)(1.长安大学 工程机械学院，陕西 西安 710064; 2.陕西省公路物资公司，陕西 西安摘 要：从土体粘弹塑性理论出发，以冲击+振动+静碾复合压实装置及被作用介质-土壤为整体分析了土体在冲击+振动+静碾复合压实作

2、用下的形变特点，以及如何用粘性、弹性、塑性三元件 的恰当组合反映土体的这种应力应变特性，并由此建立了冲击+振动+静碾复合压实滚轮与土壤系统的动力学模型和相应的运动微分方程，指出了在压实过程中土体的变形不仅与压实设备提供的压实力的性质和大小有关，而且与被压土壤的特性参数密切相关。关键词：道路工程；冲击振动；复合压实技术；本构关系；动力学模型：运动微分方程中图分类号:U415. 521; U416文献标识码：ASystem's dynamic model of soil and composite compaction roller1 1 2YA NG Ren-feng , ZH AN G

3、 Yong-xin ,TA NG J ian(1. School of Eng ineering Machinery, Chang an University, Xi an 710064, China;2. Shannxi Provincial Hig hway M ateriel Suply Company, Xi'an 710068, China)Abstract : With adhesive，elastic and plastic theory, taking the composite compaction equipment that comb ined im pact i

4、on, vibrati on and static force with medium -soil as a whole body, this paper an aly zed the soil's deformatio n characteristic un der the composite compact ion action. And how to use the adhesive, elastic and plastic three components to express the special perfo rmanee betw een the stress and s

5、tra in of the soil was a nalyzed. A dyn amic model and kin etic differe ntial equatio n of the whole system w as set up. It was po in ted out that the soil's deform atio n has not only a relati on with the performanee and the value of the compact force, but also has a closed relation with the so

6、il's characteristic.Key words : ro ad engin eeri ng； impactio n and vibratiio n； com posite compact ion tech no logy； relati on betw ee n stress a nd stra in; dyn amic model； kin etic differe ntial equati onVo l. 23 No. 5Sep. 2003Vo l. 23 No. 5Sep. 2003压实就是通过专门的机构或设备给被压材料施 以作用力，强迫其颗粒产生移动，重新排列得更加

7、密 实的过程。不同的机构或设备，由于其工作原理的不 同会产生不同的作用力，作用力的性质不同，又会引 起被压材料变形的巨大差异。为了追求好的压实效 果和高的压实效率，人们一直在孜孜不倦地探讨新 的压实方法和各种复合压实技术。在压实技术和压实机械的发展历程中，振动压收稿日期:2003-05-13:i: 1 绘® i ；i n ( p h inn Ajracienri c 1cm ioia 1 卜"rr ronir Pig I作者简介：杨人凤(1960-),女,山西河津人，长安大学副教授，博士 .路机的出现曾是压实机械发展过程中的一个划时代 的革命，从此压实效果的增长不再简单地依

8、靠重量 或线压力的增加来实现。而是利用振动来减弱被压 材料内部的摩擦力和粘聚力，在垂直压力的作用下 克服这些内部阻力来实现压实的物理过程，它是将振动技术与静碾技术结合为一体的复合压实技术；轮胎压路机无论在公路基层还是面层的碾压中，均获得了比钢轮静碾压路机更好的压实效果，分析其I louse：. All riwhts reserved. h(lp/7www£nlci.Tt第5期杨人凤，等：冲击+振动+静碾复合压实滚轮与土壤系统的动力学模型57压实机理，它是结合搓揉作用和静碾作用于一体复 合压实技术的一种体现形式；在公路高填方压实和 路基大厚度铺层碾压中，1andPAC的非圆型滚轮冲 击

9、式压路机有着其他压路机无法比拟的高压实生产 率,分析其工作原理，它是将冲击、静碾及搓揉结合 为一体的又一种复合压实技术的应用。由此可见，复合压实技术已成为压实技术领域里能够实现强化压 实的一个新的发展趋势。冲击+振动+静碾复合压实设备 ，是压实技 术领域里又一个大胆的创新，作者经过大量的实验 证明了冲击+振动+静碾复合压实设备不仅对于厚 铺层地基压实有着其它压实设备无法比拟的压实效 果，而且对粘土、亚粘土、土石混填及高于最佳含水 量的土均有较好的压实作用。并且具备非圆型滚轮 不具备的灵活机动性和较好的压实均匀性，因此该复合压实设备既有重大的理论创新又具有不可估量 的工程应用价值。本文主要从理论

10、上分析土壤在冲 击+振动+静碾作用下的受力特点和变形特点，在了解其压实机理问的基础上，建立了这一复合压实设备与土壤系统的动力学模型。1冲击+振动+静碾复合压实设备的 工作原理冲击+振动+静碾复合压实设备的原理见图 1。 该设备由布置在轮毂内的振动机构和布置在轮毂与 轮缘间的冲击机构组成。振动机构包括安装在轮轴上 的2个偏心块，当电动机驱动轮轴转动时，偏心块由 键联结带动同步运转即产生连续地振动作用。图1冲击+振动+静碾滚轮原理图冲击机构由若干个冲击块及其特殊的轨道组成 ， 随着碾轮的滚动，当偏心块升至最高点时，自由下落 冲击轮毂或轮缘，碾轮连续滚动，冲击块就可对碾轮 产生连续的、均衡的冲击力，

11、所以碾轮在滚动过程中 作用给土壤的是冲击+振动+静碾的复合压实力。2 土体的几点假设要研究机器-土壤系统的动力学模型，必然要涉 及土壤的本构模型。由于土是自然历史的产物，是由 固体颗粒、水和气体组成的多相组合体，具有不均匀 性，且含有多种矿物质。这就造成了它们应力-应变关系要比金属材料复杂得多。土体作为一般的连续 介质，可具有粘性、弹性、塑性和流变性。当其所处的 应力状态不同，所呈现的主要特性也将会随之发生 变化，要建立机器-地面力学系统的动力学模型，必 须研究土体模型。土体是一个非常复杂且多变的介质 ，为了使我 们的研究能够解决实际的工程问题 ，必须对实际静 态土体作一定的简化和假设：(1)

12、 连续性假设，假设土体是连续介质，土塑性 力学也属于一般的连续介质力学范畴。(2) 一般情况下，假设土体材料是均质的，各向 同性和小变形。3常用的土体本构模型理论经典土力学在变形计算中本构模型采用线性弹 性模型，即广义胡克定律。在稳定分析中采用刚塑性 模型。实际工程中土的应力-应变关系是很复杂的具有非线性、弹塑性、粘塑性、剪胀性各向异性等性 状。同时，应力路径，强度发挥度以及土的组成、结构、 状态和温度等均对其有影响。实际中，没有任何一种 模型能考虑所有这些因素，也没有任何一种模型能够 适用于所有土壤和其加载情况。土的本构理论研究目 前有二种倾向：一类是为了建立用于解决实际工程问 题的实用模型

13、；另一类是为了进一步揭示土体某些应 力应变特性的内在规律的比较精细的理论模型。所有这些模型也可分为弹性模型、弹塑性模型、粘弹塑性 模型、内时塑性模型以及损伤模型等。3. 1弹性体模型弹性体模型又分为线性弹性模型和非线性弹性 模型，而非线性弹性模型又包括弹性模型、超弹性模 型、次弹性模型(bypoelastic model)和E-B非线性 弹性模型。无论哪种弹性模型，其基本理论还是广义 胡克定律。采用折线、双曲线，对数曲线以及样条函 数来拟合或逼近土体应力-应变试验曲线而得之。 其 精髓就是认为土体是一个广义的弹性体。其应力和 应变之间由一个广义的弹性模型矩阵相联系。一般 表达式为岛1 即 hm

14、 眩.AL dR| = DtdE58长安大学学报（自然科学版）2003 年式中:dR为土体应力增值矩阵；dE为土体微应变 矩阵;Dt为广义弹性模量矩阵。3. 2 土体弹塑性模型理论土体的弹塑性理论又分为塑性增量理论（塑性流动理论）和塑性全量理论（塑性形变理论）。弹性增 量理论是将物体在弹塑性变形阶段的应变E分为两部分：弹性应变 宵和塑性应变Ep,表达式为dE = dE+ d。其中，弹性应变增量dE可以用广义胡克 定律计算；塑性应变增量dE可根据塑性增量理论 计算。塑性形变理论则是在应力和应变之间建立对应的关系。该理论的实质是把弹塑性变形过程看 成是非线性弹性变形过程。3. 3粘弹塑性模型弹性、

15、塑性和粘性是连续介质的三种基本性质。 各在一定条件下独自反映材料本构关系的一个方面 的特性。尤其是在考虑土体应力-应变关系受时间的 影响时，需要用这一类的模型，如粘弹性模型、粘塑 性模型、粘弹塑性模型来描述土的性状。理想弹性模型、理想塑性模型（刚塑性模型）和 理想粘性模型是反映土壤三种性质的理想模型，称为简单模型。实际工程材料 （包括土壤）的本构关系 可以用这些简单模型的各种组合来构成。如土体受 压时的模型，由线性弹簧和刚塑体串联组成，见图 2; Kelvin模型，由线性弹簧和牛顿粘壶并联组成， 见图3。图2 土体受压时常用的模型图 3 Kelvin模型当土体在振动+冲击+静碾作用下，其内部的

16、 应力变化情况较复杂。振动会使土体内部颗粒间的 连结力明显减弱，同时振动会使土体发生部分弹性 变形和塑性变形。而冲击力的作用直接剪断颗粒间 的连接，使土体发生流变，其变形量远远大于振动引 起的形变。因此，在冲击+振动+静碾作用下，土体 不仅包含粘性、弹塑性小变形元件，还包括刚塑体这 一较大变形元件。4冲击+振动+静碾压实滚轮与土壤 系统的动力学模型根据以上对土体在振动 +冲击+静碾联合作用 下的土壤本构模型的研究，可得出如下复合作用压 实滚轮与土壤系统的动力学模型。图4所示的动力学模型准确地反映了冲击 +振动+静碾复合压路机在压实过程中的动态特性（其中,Ed为土壤塑性变形模量），但要建立该模型

17、的运 动微分方程却存在着较大的困难，因为它存在着一叫（可略去不计）图4冲击+振动+静碾压实滚轮与土壤系统的动力学模型（1） 冲击时刻的不确定性。质量 m的冲击块在 质量md的滚轮内的运动是什么位置时发生冲击，不仅取决于初始条件而且与碾轮的滚动速度有关，这两者都有某种不确定性。（2） 土壤弹性变形刚度的不确定性。 在发生冲击 的瞬间，土壤受到急剧的压缩，弹簧刚度发生很大的 变化,在没有冲击和冲击发生的瞬间会有很大的不同。因此需要对上述模型作出适当的简化，在下列条件下可以将上述模型进行脱耦处理。（1）考虑到m下落到md而发生冲击的瞬间，其 冲击速度会大大高于 md的运动速度，因此，假定md 上下运

18、动速度 与m的冲击速度相 比，可以略去不 计。即在考虑冲击作用时，可以将md看作是静止不 动的。（2）考虑到在冲击+振动+静碾联合作用下，土 壤的弹性变形远小于其塑性变形，可以认为在发生 冲击时，土壤弹性变形与塑性变形相比可以略去不 计。即在考虑冲击作用时，可以认为弹簧 ks没有受 到压缩。脱耦后图4的模型转变为图5所示的模型。图5（ a）为冲击工况的动力学模型 ，对其建立运动微分第5期杨人凤，等：冲击+振动+静碾复合压实滚轮与土壤系统的动力学模型59方程为(m + md)X + Cs2X + Q= T(t)式中：m为冲击块质量；Cs2为土壤受冲击时的阻尼 系数;T(t)为冲击力函数；md为碾

19、轮质量；Q为土壤 的内摩擦力；X为土壤的垂直变形。T (t)可以看成是脉冲函数，也可从功能互等的 角度出发，以等效的平均功来代替,即可看成是同样 功的方波函数，以上两种函数均易于计算。图5( b)为脱耦后振动工况的动力学模型，其运动微分方程为r ?mfXf + Cf(Xf- Xd)+ kf(Xf- Xd)= 0? ? mdXd+ Cf(Xd- Xf)+ kf(Xd- Xf)-?cs1Xd- ksXd= F(Xt)式中：mf为压路机车架及上车身质量 ；md为压路机 碾轮质量；Xf为车架位移坐标；Xd为压路机碾轮垂 直位移的坐标；kf为车架弹簧刚度系数；Cf为车架振动作用下土壤的刚度系数；F(Xt)为压路机的激振力。5结语本文经过分析给出了冲击 +振动+静碾复合压 实滚轮与土壤系统的动力学模型，这模型是建立在 对该装置的压实机理深入剖析的基础上，充分反映了该压实设备及被作用介质在整个压实过程中所呈 现的动力学关系。经过脱耦处理后的模型非常简单、 直观且易于求解。由于图5(a)、(b)两模型之间是依 靠Q和Cs2作为振动作用的函数联系起来的，因此弄清楚Q和C2随振动作用的参数(振动频率f ,振 动幅度Fa)的变化而变化的规律，仍需要进一步的 实验才能解决。但该模型仍可为下一步的研究工作 提供一定的理论基础。参考