丰津公路半刚性基层材料振动成型设计方法介绍

1、振动成型设计方法介绍（文件编号：FJ001）天津市市政工程研究院2010年4月半刚性基层材料振动成型设计方法介绍1半刚性基层材料设计现状几十年来，半刚性基层材料的应用及研究虽然取得了丰硕的成果，但远未达到完善的程度。半刚性基层沥青路面路用性能并不是都获得了预期的效果，工程实践中出现的问题主要表现为存在收缩裂缝，当有水渗入后可能出现唧浆现象；当结构组合设计不合理或半刚性基层自身存在质量问题时，往往会发生结构性破坏。这些问题的存在与当前半刚性基层材料设计方法和评价标准落后于当前技术发展水平息息相关。 室内成型方式与现场碾压方式不匹配众所周知，室内试验要准确、有效地预测与控制现场施工质量，应满足两个

2、最基本的条件，首先要求试件成型方式能够最大限度地模拟基层施工条件，使室内成果与基层实际应用效果有可比性；其次要求各种性能评价指标切实反映基层在其服务环境下的服务质量。如今施工现场大量使用振动压路机及轮胎压路机，而室内却采用重型击实法确定最佳含水量及最大干密度，用静压法试件强度作为设计标准控制水泥剂量。由此衍生出一系列问题：重型击实法确定的最佳含水量及最大干密度作为现场振动压实度的控制指标是否合适；混合料分别在静压与振动作用下其力学特性或许不同，那么用何种成型方式制作的试件，其强度控制现场质量更有效；用静压法进行室内研究所优化的配合比（包括级配、水泥含量等）在振动压实条件下路用性能是否最优。1.

3、2 半刚性材料质量控制指标单一现行规范公路路面基层施工技术规范（JTJ 034-2000）对混合料路用性能要求相对简单。除原材料性质外，对混合料只要求7天龄期的饱水无侧限抗压强度达到要求即可，而对混合料抗裂能力既无标准试验方法，也没有评价指标，这就使得设计或施工时只注重提高强度，甚至有可能导致强度过大；至于由此造成的许多负面影响（刚度过大、抗裂能力差等）却很少引起重视。1.3 现场压实标准偏低压实度达到较高标准对半刚性材料强度、抗裂能力及抗疲劳能力的提高均有显著作用。压实度的增加可以大幅度提高半刚性材料强度，与此相适应，在较低的胶结料剂量下即可满足强度要求，而胶结料剂量的降低则可以显著提高半刚

4、性材料的抗裂能力；另一方面，压实度的提高可以大大减少半刚性材料的微裂隙，从而提高其抗疲劳能力。因此，适当提高压实度标准，能够使半刚性材料在强度满足要求的前提下具有较好的抗裂能力及抗疲劳能力。目前，压实度标准的适当提高有坚实的物质基础，与20年前的压实施工机械相比，如今的施工压实设备在性能及压实功能上有质的飞跃。而20年前的压实控制标准为室内重型击实法确定的最大干密度，因此有理由认为用性能大幅度提高的压实设备应该铺筑出压实度更高的、质量更好的基层。但如室内成型条件不加改变，还沿用重型击实法，只能导致现今的筑路机械修筑出与以前相差无几的半刚性基层，更严重的是，室内试验标准已严重阻碍了科技进步及生产

5、的发展，使得承包商对使用新工艺、新设备没有积极性。现行规范规定的级配范围太宽，难以保证工程质量现行规范公路路面基层施工技术规范（JTJ 034-2000）规定的混合料级配范围太宽。在此范围内，不同级配的混合料其力学性能有很大差异，因此，不同级配半刚性材料的各种力学指标即使全部满足规范要求，也很难说这些混合料具有良好的抗裂能力。正是由于以上原因，导致了对半刚性基层认识上的一些偏差，比如，工程技术人员对半刚性基层在沥青面层铺筑前大量出现裂缝现象（不正常）已司空见惯；水泥稳定级配碎石混合料的水泥剂量应达到56以上（过高）几乎成为共识；施工后的水泥碎石基层表观密实、特别是光滑（级配不良）事实上已成为水

6、泥稳定级配碎石基层质量控制的重要标准；工程中为达到设计强度指标及保证路面芯样完整，提高水泥剂量（非唯一方式）几乎成为最有效的手段；现场芯样无侧限抗压强度往往远大于室内静压法成型试件强度的原因（室内成型方式与现场不匹配）很少被考虑；现有压实设备下，无需对施工工艺严格控制也能达到较高的压实度（压实度超百现象普遍存在，其实质是重型击实法确定的压实度标准偏低）已被接受，但正是在压实度容易达到的情况下，基层的压实反而被忽视：某高速公路6的水泥剂量的水泥碎石基层一个月后仍不能取出完整芯样，实测其压实度仅92；山西晋阳高速公路通车不到一年时间就出现了严重的早期破坏现象，水泥稳定级配碎石基层检测结果表明，压实

7、度大于97的仅占20，芯样完整的钻芯却占总数的52，且强度较高，在如此之低的压实度下仍能取出完整芯样，可见水泥剂量之高。如上所述，半刚性材料出现早期破坏与室内成型方式的不合理及标准单一导致结合料剂量过高、压实度标准偏低、级配不良等有密切关系。因此为进一步提高路用性能，现实的措施是在合理的级配范围内，适当降低结合料剂量、提高压实度标准。但最佳级配范围如何确定，结合料剂量降低多少，压实度标准提高到什么程度，却需要以科学的方法去开发能够模拟现场压实工况的室内试件成型方式并提出切实可行的施工控制标准。因此，半刚性基层沥青路面出现早期破坏现象并不表明半刚性基层沥青路面路用性能差，更不等于半刚性基层沥青路

8、面不适宜作高等级路面的结构，只是工程实践中出现的一些问题反映出目前采用的材料设计、评价指标及试验方法等方面尚需进一步研究并改进。2 振动成型设备基本原理以高标准进行路基路面的压实是保证路基路面具有较高的强度和稳定性的经济有效的技术措施。常用的压实机械是压路机，压路机可分为振动压路机和静力压路机。振动压路机在压实机械的发展史上是一项突破性的科技进步，从此压实效果的提高不再是依靠压实机械的自重来实现。振动压路机自20世纪30年代问世以来，得到了迅速的推广和应用，在20世纪60年代占领了世界压实机械市场，成为压实机械领域的主导产品。为适应交通事业迅速发展的需要，我国压路机行业也得到了大力的发展。八十

9、年代以前我国主要以生产静力压路机为主，八十年代后期至现在，振动压路机已是筑路工程必备的压实设备。振动压实之所以得到如此长足的发展，是由于静力压路机与振动压路机相比压实能力有很大的局限性，压实厚度受到限制，而且光面静力压路机在压实作业中容易产生虚压现象。而振动压路机压实效果好，影响深度大，生产效率高，且适用对象广。我国公路、建筑部门室内常用的确定材料最佳含水量及最大干密度的方法是击实法，相应测定材料的技术指标的试件成型方式是静力压实方式。击实方法在室内通过施加冲击荷载对被压材料进行压实，与现场夯实过程一致，与现场静力压路机的作用过程虽不尽相同，但就通过对材料产生剪应力使之压实这一效果来说是相似的

10、。但与振动压实通过高频振动作用使材料产生液化来压密的过程是完全不同的。静力压实成型试件的方法和静力压路机滚压的机理是相同的，但是和振动压路机的振动压实机理则不同。室内试验作为现场施工质量控制的基础，应当力求使室内试验真正模拟现场的施工压实工艺。击实试验用来确定现场材料密实度的标准值，在国内外已有成功的经验，具有较为广泛的应用基础和适用性，但若用此方法研究目前广泛在路基路面施工压实过程中应用的振动压实工艺效果显然很牵强。而且振动压实机理与静力压实机理不同，形成的被压材料内部结构也有所差别。虽然静力压实试件的试验方法简单、易于操作且应用广泛，但室内测定的材料的技术指标和现场振动压实下所实现的材料的

11、技术指标是有所不同的。由此衍生出一系列问题：重型击实法确定的最佳含水量及最大干密度作为控制施工质量的技术指标是否合适；以静压法或振动法成型的试件其物理力学性质或许不同，那么用何种成型方式制作的试件强度控制现场质量更有效；用静压法进行室内研究所优化的配合比（包括级配、水泥剂量等）在振动压实条件下路用性能是否最优。因此有必要使用新的室内压实试验方法。为模拟振动压实对材料的作用，采用自上而下振动的振动成型压实机。研究使用该成型机进行振动压实试验，确定材料的最佳含水量、最大干密度及振动成型试件测定无侧限抗压强度。2.1 振动成型压实机械的数学模型振动压实机械作为室内试验设备，不可能在机械组成上完全模拟

12、振动压路机，但必须使其压实效果能与现场压路机的现场压实效果等效。为了使振动成型压实机能模拟施工现场振动压实效果，振动成型压实机的“振动成型压实机被压材料”的动态响应必须和“振动压路机被压材料”的动态响应模型基本相同。压实过程是压路机和被压材料发生复杂的相互动态作用的过程，因而对压路机的特性研究不能脱离被压实材料，应将振动压路机和被压材料作为一个闭环系统来考虑。对振动压路机的具体数学模型，1977年，美国学者E.T.seling和T.Syoo进行了较系统的研究，在完全弹性理论的基础上建立了“振动压路机被压材料”系统两个自由度的动力学模型。对振动压路机的压实机理及影响因素做了较为详细的分析，模型运

13、动方程如下： 式中：m2：振动轮质量；m1：振动轮框架质量；k1：减震器刚度；c1：振动器阻尼；k2：被压实材料刚度；c2：被压实材料阻尼；F0：偏心轴旋转产生的离心力；Fs：振动轮对被压实材料的作用力；E.T.seling和T.Syoo用振动压路机试验结果验证了此模型，大量的现场测试数据和研究工作都证实此模型的理论分析结果和实测结果是基本吻合的，可以真实反映“振动压路机被压材料”系统的实际动态响应。2.2 振动成型压实机械结构所用的振动成型压实机由两个在垂直平面上对称布置的振动器施加振动力。振动器用两个自位轴承把偏心块支撑在振动轴的轴承上，通过偏心块的高速旋转对被压材料施加呈正弦规律变化的激

14、振力。为了使激振力有级可调，把激振器的偏心块设计成由固定偏心块和活动偏心块组成，通过花键齿调节活动偏心块和固定偏心块的相对夹角实现激振力的可调。花键齿分为4隔实现激振力在同一频率下的四级可调。两个振动器的偏心块转速相等但方向相反，当振动轴带动偏心块高速旋转时，两个偏心块产生的离心力的水平分量相互抵消，垂直分量相互叠加，从而形成垂直方向的正弦激振力。使振动系统在理论上产生垂直振动，减少横向力的剪切作用，保证压实设备的稳定性。振动成型压路机基本按照振动压路机的结构模型设计，其压实系统在结构上分为上下两部分，下车系统提供激振力和部分静面压力，上车系统提供另外一部分静面压力，振动成型压实机的上下车重量

15、按照下车：整车0.6设计。用减震器把上下车系统联结起来，减震器采用振动压实平板夯所用的减震器，使上车系统模拟振动压路机的机架对振动轮的束缚作用，同时通过上车的束缚作用使下车有规律地振动。由于振幅的影响因素主要是下车系统，而压实的静重是通过上下车的共同重量实现，这种设计还可以减小静面压力和振幅的相关性，实现静面压力和振幅的单因素可调。通过添加配重块的方法实现上下车重量的调整。采用变频器实现振动频率的无级可调，根据市场上振动压路机常用的频率和材料固有的频率范围，选择频率范围050Hz，同时为减少振动对电机和变频系统的破坏作用及控制压实系统的重量，使系统能够模拟较小静面压力下的振动压实状况，在设计时

16、将电机和变频系统移出，采用软轴和万向节传动。使用手动葫芦调节压实系统行程。由于高频振动对设备损伤较大，为保证结构稳定性，设计的较小的13kPa的静面压力不容易实现。为此设备配有两套加载系统，一套按照振动压路机的数学模型设计，具有两个振动器可以实现较大的静面压力和激振力。另一套只配有一个激振器，按照无人驾驶的振动压路机设计，没有上车系统约束，可以实现较小的静面压力和激振力。根据试验目的，该设备配备了用于压密和成型的两套压头，以及用于上下车系统和单系统的各自的压头。2.3 振动压实机械参数范围 静压力范围现有的大多数可用于路面、路基压实的大中型振动压路机的静线压力为300N/cm左右。用于路基压实

17、的大中型压路机的轮径已趋于一致，一般在1500mm左右，滚轮接地面积可用b2Rsin计算，由此可计算出接地宽度b为。振动压路机产生的接地压力为140kPa左右。在公路土工试验规程（JTG E40-2007）中通过应用表面振实仪法测粗粒土的最大干密度试验所用的静面压力为13.8kPa，代表性的振动压路机产生的接地静面压力为140kPa，为摸索出与现有振动压路机的压实效果相应的室内试验所用的静面压力，振动成型压实机的静面压力实现在14kPa400kPa范围可变。 振动频率、振幅、激振力范围根据振动压实理论，每一种材料都有不同的自振频率，激振频率与自振频率一致时可达到最好的压实效果。振动压路机设计频

18、率一般比被压材料的自振频率的变化范围大一些。目前市场上用于压实的大中型振动压路机的振动频率的范围是：压实路基2530Hz，压实底基层2540Hz，对压实粒状材料和结合料的稳定基层为3355Hz。而且从常用的振动压路机的参数来看，压路机的常用振动频率为30、35、40Hz等，最大为48Hz。因此，研究用振动设备振动频率实现50Hz以内可调。振幅直接影响压实深度，同样的振动质量及振动频率时，提高振幅可以增加压实效果的影响深度。但振幅过高会对减震带来困难。根据长期试验及施工经验，结合施工要求及压实对象，振动压路机振幅选择如下：压实路基：1.42.0mm，压实次基层：，对压实粒状料和结合料的稳定基层取

19、振幅为0.40.8mm。振动压路机常用振幅有、等。为能够模拟常用振动压路机的振幅，振动成型压实机的振幅设计的可变范围为0mm。激振力是影响压实效果的主要参数之一。根据确定的静面压力和振幅范围及频率范围可根据公式确定激振力范围。激振力公式如下：其中m：下车系统质量；：角频率；A：振幅。振动压实时间范围振动压实过程中，被压材料颗粒由静止的初压状态变化为运动状态要有一个过程，过渡过程持续的时间与被压材料颗粒的粘聚力和吸附力有关，也与振动压路机的振动轮的线荷载有关，线荷载越大所需时间越短。如果振动压实时间过长必然会导致混合料内部分层，因此振动压实存在一最佳压实时间。振动压实时，材料相邻颗粒的质量差别越

20、大，它们之间的粘结力越弱则其相对位移将越大。当用振动法压实无机结合料稳定粒料时，在颇大程度上将出现混合料的触变性质，在振动开始时，混合料稀释，其性质近似于液体或半干状材料，振动终了时，各颗粒间的粘结力被恢复。这样，具有较大质量的颗粒在振动时得到较大的惯性力，首先脱离相邻的粒料向下运动。如果含有不同大小颗粒的材料进行长时间的振动，则有可能出现分层现象。因此振动时间应确定在材料具有最大密度和大颗粒之间的空隙由小颗粒填满时结束。研究所用振动压实成型机械时间范围确定为015min。2.4 半刚性材料振动压实参数半刚性材料振动成型参数为：振动频率30Hz，偏心块夹角30°，激振力7612N，静

21、面压力140kPa，振幅，振动总时间2min。图1 振动成型压实设备3 振动成型设计法科研成果（1）改变了传统的重型击实法及静压成型法，采用更能够模拟现场压实方式的振动法进行室内试验及检测。改变成型方式进行半刚性材料设计并大规模应用于实际工程，在国内外属于首次。（2）采用振动成型方式设计的水泥稳定级配碎石半刚性材料的级配组成与传统设计结果相比有重大改进，主要表现为水泥剂量降低，同时强度提高、抗裂能力提高。与国内外同类技术相比，水泥剂量降低1.01.5，强度提高1.52倍，而且，在相同水泥剂量下，振动成型试件干缩抗裂系数是静压成型条件下的1.5倍，表明振动成型材料抗裂能力大幅度提高，（3）与国内外同类技术相比，设计的半刚性材料密度标准提高1.021.04倍。且实际工程经验表明，用传统的碾压方式，在不增加设备投资的情况下完全可以达到新的设计方法的压实度要求。（4）提出了新的半刚性材料干缩试验方法及评价指标。（5）以振动成型方式为试验手段，以强度满足要求、抗裂能力最佳为判据，提出了水泥稳定级配碎石混合料的配合比设计优化方法及优化结果。（6）振动碾压施作的基层芯样无侧限抗压强度大于室内静压法制作试件的无侧限抗压强度，而更接近于振动成型试件的无侧限抗压强度，由此表明，室内用静压法试件强度控制现场施工质量要求过高，导致水泥含量高、基层强度过高、抗裂能力差。而振动成型试件无侧限抗压