半刚性基层振动设计方法-振动成型论文

半刚性基层振动设计方法——谢雷陈云赵晓静主题词：半刚性基层材料重型击实法静压法收缩裂缝结构性破坏设计方法评价标准振动成型一、论文简介：长期以来，半刚性基层材料以室内重型击实法确定最大干密度及最佳含水量，用静压法试件强度作为设计标准控制二灰掺量。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已不合适；混合料分别在静压与振动作用下其力学特性有所不同，结果导致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。应工程建设需要，更先进的振动成型设计方法应然而生，经实践证明此种设计方法更能有效提高工程实体质量，增加路面实用寿命。二、课题的提出长期以来，半刚性材料基层因强度高、稳定性好、刚度大、造价低，得到广泛应用，但现实中也有实际缺点，主要为抗拉强度低、沥青面层的层间粘结困难、抗冲刷性能差、维修困难。为了更好的发挥其优良性能，尽量克服其潜在的缺点，这就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，基于此两点要求，经过大量的理论与实践，振动成型设计方法较为成熟的浮现在大家面前。三、现有重型击实法设计方法的弊端1、规范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无评价指标。2、规范规定的混合料级配范围太宽。而此范围内，不同级配的混合料其抗裂能力却有很大差异，因此不同级配的水泥稳定碎石或石灰粉煤灰碎石混合料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。偏细、抗裂差，易施工偏细、抗裂差，易施工偏粗、抗裂好，施工难度大偏粗、抗裂好，施工难度大3、室内试验确定半刚性基层混合料最大干密度、最佳含水量的重型击实试验方法及测定混合料无侧限抗压强度的试件成型方式与现场碾压方式不匹配。由此衍生了一系列问题：压实标准低：超百问题严重，未发挥碾压设备的优势。更严重的是，室内试验标准已严重阻碍了科技进步及生产的发展，使得承包商对使用新工艺、新设备没有积极性。（压实度达到较高标准对基层混合料强度、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；另一方面，压实度的提高可以大大减少基层混合料中的微裂隙，从而提高基层混合料抗疲劳能力。）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；石灰粉煤灰碎石混合料的二灰掺量达到20%几乎成为共识；施工后的石灰粉煤灰碎石基层表观密实、特别是光滑（级配不良）事实上已成为石灰粉煤灰碎石基层质量控制的重要标准；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20％二灰掺量的石灰粉煤灰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出现了严重的早期破坏现象，石灰粉煤灰碎石基层检测结果表明，压实度大于97％的仅占20％。如上所述，水泥稳定碎石或石灰粉煤灰碎石混合料出现早期破坏与室内成型方式的不合理、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，提高压实度标准。但最佳级配范围如何确定，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。四、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。作为室内试验设备，不可能在机械组成上完全模拟振动压路机，但其压实效果能与现场压路机的现场压实效果等效。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。振动机现场压实机理：（重力、振动力）１．石料颗粒间由静摩擦变动摩擦，相互移动达到密实。２．高频振动作用使水分子产生液化，颗粒间摩擦力减小。五、振动成型试验过程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.振动成型压实机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0～50Hz，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。3、振动参数范围⑴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b＝2Rsinβ计算，由此可计算出接地宽度b为23.04cm。振动压路机产生的接地压力为140kPa左右。在《土工试验规程》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14kPa～400kPa范围可变。⑵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25～30Hz，压实底基层25～40Hz，对压实粒状材料和结合料的稳定基层为33～55Hz。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：1.4～2.0mm，压实次基层：0.8mm～2.0mm，对压实粒状料和结合料的稳定基层取振幅为0.4～0.8mm。振动压路机常用振幅有1.7mm、0.8mm、0.4mm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～2.5mm。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；ω：角频率；A：振幅。⑶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0～15min。4、半刚性材料振动压实参数石灰粉煤灰碎石混合料振动成型参数为：振动频率30Hz，偏心块夹角300，激振力7612N，静面压力140kPa，振幅1.4mm，振动总时间2min.表面振动压实成型试件设备示意图如下：上车系统下上车系统下车系统偏心块六、工程实践验证振动成型工艺具有以下优点：1、采用振动成型方法，各种参数模拟现场振动压路机效果，即振动成型试件结构和力学特性与振动碾压施作的基层芯样接近。2、与传统方法相比，试件密度提高2～3％,即现场压实度提高2～3％。3、采用振动成型方式设计的石灰粉煤灰碎石半刚性材料级配组成与传统设计结果相比有重大改进，主要表现为强度提高1.5～2倍，相同二灰剂量下，振动成型试件干缩抗裂系数是静压成型条件下的1.5倍左右，表明振动成型材料抗裂能力大幅度提高。4、密度提高，级配范围较规范窄，上下限均为骨架密实结构，0.075mm通过率低，相对级配更为合理，可显著提高基层抗裂性能工程单位在不增加任何设备的情况下能够达到规定的压实度，施做的基层抗裂能力强、路用性能好。筛孔尺寸(mm)原始级配(%)振实级配(%)击实级配(%)31.51001001001993.896.196.91686.389.790.513.277.482.383.79.568.872.375.54.7542.6630.230.636.15、用振动法设计的石灰粉煤灰碎石混合料可应用于工程实践。与静压法相比，振动法优化的混合料具有更为优良的路用性能，试验路观测表明，课题提出的石灰粉煤灰碎石混合料有好的抗裂及抗冲刷能力，且此种混合料在振动压实作用下施作的基层弯沉值小，表明基层板体性好，承载能力高，有着优良的路用性能。与静压法相比，用振动成型方式得出的混合料各项指标控制工程质量更为有效。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发锅炉的单片机控制系统基