（机械设计及理论专业论文）仿冲击振动压实机理的试验研究.pdf

摘要 本文结合压实机械的特点和发展趋势，以探讨新的压实理论与压实技术为目 的，对具有自主知识产权的仿冲击振动压实装置的压实机理进行了理论分析和试 验研究，提出了振动压实与冲击压实联合作用的方法，旨在探求土壤深层压实及 粘性土压实难题解决方案，提高我国道路建设装备的研制水平。论文主要内容概 括如下： 在振动、冲击压实理论研究及前期小型振动压实机和双频振动压实机研究成 果的基础上，将振动压实方法和冲击压实方法有机地结合，提出了仿冲击振动压 实的新理念。 利用自行研制的仿冲击振动压实装置在室内土槽中进行了不同工况的试验研 究，分析在不同频率、振幅、作业速度下仿冲击振动对土壤压实的效果及其影响， 确定了压实机参数的取值范围。验证了采用特殊结构设计的压实轮既可以实现冲 击压实的大影响深度和高压实度，又可以保证压实路面的平整性和均匀性。 从土壤性质及其压实机理出发，采用理论和试验相结合的方法，分析了土壤 在仿冲击振动作用下被压实的机理。通过测量和观测仪器记录土体内部各点在冲 击与振动联合作用下的内应力值，并用数学手段拟合试验数据，得到土内应力的 分布和变化规律，揭示了士体在压实过程中的动态特性。 将机械工程和土壤力学有机结合，对压实装置一土壤系统动态性能进行研究， 建立了系统的动力学模型。这一研究既补充和完善了压实技术与理论，又为仿冲 击振动压实机工业化奠定了基础。 以试验结果及理论分析为依据，探讨压实度与压实工艺参数之间的关系，建 立了各参数之间规律性的联系。实例验证所建立的数学模型在工程实践中具有普 遍意义及参考价值。 本文对新的压实理论和方法的研究，为进一步解决土壤深层压实及粘性土压 实难题提供了一个可行方案。 关键词：仿冲击振动 压实机理 试验研究动态特性压实规律 a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p i n gt e n d e n c yo ft h ec o m p a c t i o n e q u i p m e n t ，a n dp r o b i n gi n t o t h en e wc o m p a c t i o nt h e o r ya n dt e c h n o l o g y ，t h et h e s i s s t u d i e st h e c o m p a c t i o nm e c h a n i s m o fi m p a c t - l i k ev i b r a t o r yr o l l e r d e s i g n e db y o u r s e l v e so nt h et h e o r ya n de x p e r i m e n t i tp u t sf o r w a r dt h em e t h o do fv i b r a t o r ya n d i m p a c t i n gc o m p a c t i o ni no r d e rt os o l v et h ec o m p a c t i o np r o b l e mo fs o i li nd e p t ha n d c l a ya n dt oi m p r o v e t h es t u d yl e v e lo f e q u i p m e n ti nr o a db u i l d i n g b a s e do nt h et h e o r yo fv i b r a t o r ya n di m p a c t i n gc o m p a c t i o n ，t h er e s e a r c ho fs m a l l v i b r a t o r yr o l l e ra n dt h ed o u b l ef r e q u e n c yr o l l e r i nt h ep a s t ，t h et h e s i sc o m b i n e s v i b r a t o r yc o m p a c t i o nw i t hi m p a c t i n gc o m p a c t i o na n dp u t sf o r w a r di m p a c t l i k e v i b r a t o r yc o m p a c t i o nt h e o r yw h i c hi sa1 2 e wi d e a t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n su s i n gi m p a c t l i k ev i b r a t o r yr o l l e r ， t h et h e s i sa n a l y z e ss o i lc o m p a c t i o ne f f e c t i nd i f f e r e n tf r e q u e n c y , a m p l i t u d ea n dw o r k s p e e d i tm a k e st h er a n g eo fr o l l e rp a r a m e t e r sa n dv a l i d a t e st h a tt h er o l l e rw i t hs p e c i a l d e s i g nn o to n l ym a k e st h em o r ei n f l u e n t i a ld e p t ha n dh i g h e rc o m p a c t i o nd e g r e e ，b u t a l s oa s s u r e st h es m o o t h n e s sa n dw e l l d i s t r i b u t e do f r o a d a c c o r d i n g t ot h es o i lc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o m p a c t i o nm e c h a n i s m ，t h et h e s i sa n a l y z e s t h ec o m p a c t i o nt h e o r ya f f e c t e db yi m p a c t - l i k ev i b r a t i o na n dr e c o r d st h ei n n e rs o i l s t r e s sr e s u l t e db yi m p a c t i o na n dv i b r a t i o n i tg e t st h ed i s t r i b u t i n ga n dc h a n g i n gl a wo f t h es o i ls t r e s sb yt h ec l o s e dd a t aa n do p e n so u tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si nt h e c o m p a c t i o np r o c e s s c o m b i n i n gt h em e c h a n i ce n g i n e e r i n gw i t hs o i lm e c h a n i c s ，t h et h e s i s s t u d i e st h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ec o m p a c t i o ne q u i p m e n ta n ds o i l i t s e t su pd y n a m i cm o d e lf o rt h es y s t e m ，t h er e s e a r c hw o r ki m p r o v e st h ec o m p a c t i o n t e c h n o l o g ya n dm a k e saf o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no fi m p a c t l i k ev i b r a t o r yr o l l e r t h et h e s i sd i s c u s s e st h er e l a t i o nb e t w e e nc o m p a c t i o nd e g r e ea n dt h ec o m p a c t i o n p a r a m e t e r sb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h e o r ya n a l y s i s i ts e t su pt h er e l a t i o n a m o n ge v e r yp a r a m e t e r sa n dr e a s o n a b l em a t c h i n g e x a m p l e sv a l i d a t e ds h o w st h a tt h e m o d e lh a st h er e f e r e n c ev a l u ei ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e ， t h es t u d yo nt h ec o m p a c t i o nt h e o r ya n dm e t h o di n t h i st h e s i sp r o v i d e st h e r e a s o n a b l es c h e m ef o rs o l v i n gt h ec o m p a c t i o np r o b l e mo fs o i li nd e p t ha n dc l a y k e yw o r d s ：i m p a c t l i k ev i b r a t i o n c o m p a c t i o nt h e o r ye x p e r i m e n t a ls t u d y d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s c o m p a c t i o nl a w 长安大学博士学位论文1 绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 近年来，我国高速道路和重载车辆的发展对道路压实提出了更高的要求。由 于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，加之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，由 于路基、底基层、基层或面层材料压实不足，部分道路过早出现了车辙、裂缝、 沉陷和水损坏，甚至出现了路面局部产生剪切破坏的现象 1j 。实践证骐：对路基和 路面进行认真压实，是提高公路强度、承载力和稳定性的经济而有效的手段。我 国最常用的路面结构为4 c m 表面层+ 5 e m 中面层+ 6 c m 底面层。摊铺时每层4 6 c m ， 温度1 6 0 左右，而摊铺层下层的温度较低，一般为2 0 ，摊铺层底部l 2 c m 厚 度范围内温度急剧降低，不管如何碾压此处的密实都将较差，仅仅是上部被压实 了，所以3 层摊铺实际上是形成了6 个疏密程度不同的层次，留下了在高速行车 和重车反复作用下破坏的潜在缺陷。因此，有人提出了复合式沥青混合料路面摊 铺工艺，将路面分两层，同时一次摊铺成型【2 j ，这就要解决厚层压实的可行性。我 国基层设计厚度一般为3 8 c m 左右，现采用分层摊铺和分层压实，若能一次摊铺并 压实，基层整体结构性好，不但可以提高施工速度，还可适当减薄原设计厚度， 做到多、快、好、省。 目前国内外大量使用的压实机械主要是振动压路机和冲击式压路机。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，使土壤颗粒产生共振，处 于高频振动状态，因而使颗粒间空隙减少，密实度提高，从而获得较大的表面压 实度。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，对土壤的影响深度受铺层厚度的加 大衰减很快。当铺层厚度超过3 0 0 m m ，振动压实的作用将明显减弱，使得施工中必 须严格控制每铺层厚和作业速度，限制了旌工生产率的提高。 冲击式压路机采用低频高振幅原理，利用专门的设备对被压材料施以冲击作 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，重新排列， 从而变得更加密实。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。随着土石密实度增加，其影响深度也逐渐增加，尤其在高填方、 塌陷性土壤压实方面具有潜在优势。但由于冲击作用力的不连续性，使得冲击压 故= 受大学博士学位论文 1 绪论 实后的路面均匀性和平整度差。由于以上两种压路机各有其难以克服的缺陷，因 而均无法同时在质量和效率上满足人们的要求。 另外，粘性土压实是一个世界性难题，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，如何提高压实效率和效果，即如何加大填料铺层厚度，提高压实质量 和生产率以及解决粘性土压实难题成为现阶段值得研究的课题，必须在压实机械、 压实方法及压实理论上加以突破，开发适合我国国情的有效、机动、灵活的道路 建设设备。本课题的研究将对全国工业和道路建设产生积极的影响，并具有一定 的实践指导意义。 1 2 压实机械及技术的发展 1 2 1 传统压实方法 压实是向被压材料加载，克服其颗粒间的摩擦力、粘着力，排除颗粒间的空 气和水分，使颗粒发生位移，相互靠近，以使其在预定的寿命内承受载荷。传统压 实方法有滚压、振动压实和冲击压实【3 】【”。 滚压是用具有一定重量的滚轮慢速滚过铺层，用静压力使铺层材料获得永久 残余变形。随滚压次数的增加，材料的压实度增加，而永久残余变形减小，最后 实际变形等于零。为了进一步提高被压材料的压实度，必须用较重的滚轮来滚压。 但是依靠静载荷( 自重) 压实，材料颗粒之间的摩擦力阻止颗粒相互间的运动， 随着静载荷的增加，颗粒问的摩擦力也增加。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，有时得不到要求的压实效果，反而会破坏被压实材 料的结构。滚压的特点是：循环延续时间长，材料应力状态的变化速度不大，但 应力较大。 振动压实是利用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 其产生接近自身固有频率的振动，颗粒问的摩擦力实际上被消除，在这种状态下， 小的颗粒充填到大的颗粒材料的空隙中，材料处于容积尽量小的状态，压实度增 加。振实的特点是：表面应力不大、过程时间短、加载频率大，可广泛用于粘性 小的材料，如砂土、水泥混凝土混合料。 冲击压实是工作机构从一定的高度落在被压材料的表面上，使其受冲击后产 生很大的应力，达到压实的目的。由于在冲击时应力作用时间很短，工作装置会 长安大学博士学位论文1 绪论 对被压材料产生比振动压实大得多的冲击压实力和强大的冲击能量。有资料表明 “”：对被冲击压实材料表面上所产生的最大应力、冲击持续时间和冲击效率对压 实具有决定性的意义。冲击压实的特点是：压实影响深度大，适于粘性土的压实。 1 2 2 压实理论 1 2 。2 。l 单频振动压实理论 目前振动压实技术的基础理论研究可归纳为以下几种学说“1 ： 1 内部摩擦减小学说：由于振动作用使被振压材料的内部摩擦阻力急剧减 小，剪切强度降低，抗压阻力变得很小，材料在重力作用下易于压实。 2 共振学说：当激振频率与压实材料的固有频率一致时，振动压实最为有效。 实践证明利用共振现象进行压实效果显著。但由于材料的固有频率是变化的，要 求激振器的频率做相应的变化比较困难。 3 反复载荷学说：振动所产生的周期性压缩运动的作用，使被压材料受反复 载荷作用而达到振动压实的目的。实验表明：该学说在低频率范围内有一定的现 实性，而在高频率范围内并无充足的理论依据。实验表明，在高频范围内，振动 压实的效果远远超过反复载荷的作用效果。 4 交变剪应变学说：利用土力学交变剪应变原理，振动使土壤产生剪应变， 使被压材料的颗粒重新排列而达到密实效果。 以上各种学说是从不同的角度对振动压实机理进行解释，然而土壤的种类繁 多，实际工况各异，且被压实材料多为非匀质异性材料，影响压实的因素很多， 因此各学说都有待进一步的试验研究和探讨。 1 2 2 ，2 混沌振动压实理论 混沌振动是一种由确定性系统产生对于初始条件极为敏感而具有内在随机性 和长期预测不可能性的往复非周期运动。研究表明，满足一定条件的非线性振动 系统，受确定性激励后也会产生貌似无规则的振动响应一混沌振动，它是混沌理论 与机械振动理论相结合而形成的一门新兴学科”3 。 混沌振动作为机械振动理论的新分支，正在成为一个日趋活跃的研究领域。 对于确定性机械系统，产生混沌振动的先决条件是系统的非线性，如分段的或不 连续变化的系统刚度、阻尼和表面摩擦。此外，由于局部冲击而造成的局部变形 和弹性波也将导致系统的非线性”“”1 。 对于混沌振动，目前主要研究机械系统中的混沌行为，其研究内容大致可分为 如下几个方面“”： 长安大学博士学位论文 1 绪论 1 混沌振动的识别； 2 混沌振动产生的机理及通向混沌的途径； 3 混沌振动特征参数的计算： 4 混沌振动的控制； 5 混沌振动研究的方法： 6 混沌振动理论在工程中的应用。 非线性系统当参数改变经过某些特定的值时，解的性质发生改变，即相轨迹 的拓扑结构发生改变。这种由于参数的改变而引起相轨迹的性状发生突变的现象 称为分叉。在非线性系统中分又有时是不可避免的，甚至可以说是非线性系统中 最普遍的一种力学现象，许多情况下，非线性系统出现分叉、倍周期会导致混沌 现象“。 近年来出现的混沌振动压实理论“”“：由于主频附近许多振动频率的联合作 用，引起各种大小不一颗粒的振动，从而使其间的摩擦显著变小，呈现出运动状态 而充填间隙，因而有比单频振动更好的振动减摩机制与更高的振动压实质量。 混沌激振压实的主要理论有： 1 共振理论 由于被压实集料成份非常复杂，物理力学性能多种多样，不同成份的固有频 率各不相同，集料各种成分的固有频率构成一个频域。传统的单一频率激振只能 激起某一种集料散体的共振，无法使全频域共振，达不到最密实碾压，而混沌激 振压路装置所具有的宽频带混沌激振能接近全频域共振。 2 冲击理论 振动压实装置的压实效果与振动轮的动量有关。混沌振动的速度变化比单频 振动剧烈( 振动轮的动量变化大) ，使振动轮对地面的冲量适当加大，故混沌激振 比单频激振的压实效果好。 3 减摩理论 混沌激振的宽幅域以其大振幅的冲击作用及小振幅的减摩作用使大小不同颗 粒间的咬合摩擦与滑动摩擦进一步减小，呈现动态而充填集料的孔隙，从而使混 沌激振压路装置比传统单频振动压路装置的总体碾压效应更近于最密实碾压。 1 2 3 压实机械的发展 纵观压实机械技术研究和发展动态，具有向操作智能化、结构模块化、一机 多用化和安全环保化方向发展的总体要求和趋势。近十年来，国内外压路机新机 长安大学博士学位论文 l 绪论 型主要有”m ”： 1 三轮铰接静碾压路机：采用液压传动、铰接转向、全轮驱动、前后轮等直 径等线压力、弯道压实前后轮搭接重合，既有三轮压路机行驶稳定性好的优点， 又有两轮压路机碾压面平整的优点，适于压实碎石路基和沥青砼路面。 2 振荡式振动压路机：振荡压实实际上是一种振动与揉搓相结合的压实方 法。振动轮内的两根偏心轴作同向同步旋转，其偏心块的相位角为1 8 0 。，激振力 的合力沿滚轮径向为零，滚轮在圆周方向产生一个交变扭转力矩，激励土体产生 水平振动。振动轮不会跳起地面，振动波不会向两侧传播，从而改善了机器本身 的工作条件并减轻了对环境的振动污染，在压实沥青路面和r c c 路面时已显示了 众所公认的良好效果。 3 垂振式振动压路机：其振动机构为两根振动轴在水平方向对称配置，两轴 作反向同步旋转，激振力在水平方向的合力为零，产生了理论上纯粹的垂直振动。 压实土壤时的压实度可达1 0 0 以上，铺层厚度大，生产率大幅度地提高。 4 冲击式压路机：冲击式压路机使用的是多边形滚轮，滚轮的一个角触地时 其重心抬高积蓄了势能，随着滚轮向前倒下便对地面产生了巨大的冲击力。滚轮 由牵引车拖行，以每秒3 5 次顺序地冲击地面，这种剧烈的冲击具有地震波的传 播特性，其压实深度能随压实遍数的增加而递增。冲击式压路机在重型压实领域， 特别是在高填方、塌陷性土壤和干砂压实方面具有很大的潜在优势。 5 智能压路机：所谓智能压路机就是一种能根据土质变化状况可自动调节振 动频率和振幅的压路机。智能压实系统可使振动轮在垂直或水平振动的两个极限 或其间的任何状态下工作。在碾压低密实度材料时振动轮在垂直方向输出最大激 振力，在碾压高密实度材料时振幅的输出为水平方向。智能自动变幅压实系统能 自动选择与被压实材料密实度状况相匹配的振幅，从而消除材料出现压实不足或 过压实现象。提高了压实度的均匀程度，能够消除振动轮的跳振，避免粗骨料破 碎。 6 薄层路面振动压路机：戴纳帕克公司研制的c c 2 3 2 型串联压路机高频低幅 振动，具有较其它低频机型大得多的碾压力度，其主要目标是碾压4 0 m m 以下、 含碎石多的薄层路面，适合于路面磨耗层的压实。 7 路肩专用压路机：美国r o a d t e c 公司的t r 7 5 型压路机- - n 安装了2 个压 实滚轮，另- - n 为驱动行走的轮胎。轮胎行走在路面上，两个滚轮可伸缩调节， 以改变碾压宽度。此机型可以防止路肩被压塌或者路面被碾伤。 长安大学博士学位论文1 绪论 8 沟槽专用压路机：沟槽压路机4 个滚轮全驱动，可就地转向，机架窄于压 实宽度，并且加装了遥控操纵装置。其工作质量大都在1 2 5 t 左右，压实宽度5 0 0 8 0 0 r a m 的居多。这种压路机的激振力大( 可为机器重力的4 5 倍) ，适合于压实 沟渠和管道建筑基础等。 9 ，履带式压路机：加拿大研制的被称为h i p a c ( h o ti m p a c ta s p h a l t c o m p a c t o r ) 的压路机采用前后两条橡胶履带来代替传统的钢轮和胶轮，能够较好 地消除沥青表面层的细小纹理，使它密封防渗，减小沥青面层的变形，提高平整 度。目前该项研究又有了进一步的发展：将橡胶带改为金属履带，并且随机带有 金属履带加热装置，工作时用加热后的金属履带来完成压实工作。 1 0 多边形钢轮压路机“”：宝马公司研制的多边形钢轮由同轴的三段八边形 钢轮组成，并与相邻的每段交错布置。在钢轮两端为焊接的钢环，可以防止中间 的一段钢轮棱角正好接地时钢轮倾斜，并可以使压路机在坚固的土路基上转场时 有较快的行走速度。多边形钢轮内部装有可变振幅激振器，在压实的不同阶段能 自动探测所需的振动能量大小，并随之自动调整输出压力大小。其有效振动力的 作用方向在滚动压实过程中从平面到棱角，或反过来从棱角到平面是不断变化的。 钢轮上的平面通过向地面施加集中的垂直压力进行压实，棱角会使土壤产生变形， 推挤力使土壤产生局部的移位。多边形钢轮压路机的优势在于有优异的深度效应， 可以用于基层土壤的后期压实或将铺层的厚度提高一倍。 1 1 混沌振动压路机“：混沌激振原理是在非线性振动中当系统参数满足一 定条件时，即使在确定性输入下仍输出不规则的非简谐振动。我国在1 9 9 6 年研制 成功具有强几何菲线性及物理非线性台勺c v e - 2 型混沌激振器，将其装在振动轴上 以替代常规振动压路机单频偏心振动轴，其振动轮产生由主频下的宽频带和宽幅 带组成的混沌振动，可比常规振动压路机更有效地压实各类土壤铺层及岩石填方。 在西北高速公路建设中使用表明其压实度为9 4 1 2 ，其压实效率比常规振动压路 机提高1 0 以上。 1 2 4 压实机械与技术发展趋势o ” 1 压实理论的研究更加显示出综合研究的特点，即从工作介质的材料特性、 力学基础、施工方法及机器结构、运动学与动力学的综合角度来研究压实作业过 程。压实技术和压实机械的发展将越来越多地依靠压实理论的新突破。 2 ，压实机械的发展将带有多种施力方法综合作用的特点，即通过静压、揉搓、 振动、捣实、冲击等多种方法的联合作用来强化压实过程。 长安大学博士学位论文1 绪论 3 试验研究与计算机仿真技术的结合将成为更加重要的研究手段。 c a d c a e c a m p d m 技术的应用将使压实机械的研究从构思、设计、制造、试验、使 用、维修到管理的全过程成为高度自动化和现代化的工作过程。 4 技术革命和高科技将继续推动压实机械向自动化、智能化、无人化和机器 人化的方向发展。碾压作业连续控制技术、工业设计技术等在压实机械中的应用 也为提高压实机械的作业性能、操作舒适性和压实质量提供了保障。 1 3压实技术分析 与静压实相比，振动压实为动载荷作用，压实力大，适应材料范围较广，压 实效率较高。但是随着社会的发展与进步，振动压实显现出如下缺陷： 1 诱发了振源周围建筑物的振动和噪声。2 0 0 2 年陕西省府店一级公路改造工 程中，振动压路机使沿路多处农民的土坯房出现裂缝等损伤，引起了多次纠纷与 群众上访，类似事件在宁夏固原等地也曾发生。 2 振动压实能量利用率低，浪费严重。施工单位为评价上述事件中沿路农民 的损失，曾委托交通部西安筑路机械测试中心对振动传播规律进行了测定。测试 证明在压路机滚轮与地层动态耦合的压实中，所传输的振动能量以空间波( 压缩 波和剪切波) 和界面波两种形式分布”“”，见图l l 所示。界面波是地面振动的 主要传播形式，界面波的波型主要与表面或接近表面的土壤结构有关。界面波的 振幅随着离压路机的距离的增长而呈负指数函数规律衰减，振动能量的2 3 以界面 波沿地面表层在大约一个波长区域深度内向四周传播而引起环境振动，其余1 1 3 以 压缩波和剪切波向纵深传播起压实作用。振动波的传播规律决定了振动压实过程 中大部分能量耗散掉，造成了对环境的严重影响，也注定了振动压路机效能的低 下，能量利用率低。 3 落后的间接激振方式。如图1 2 所示，振动压路机是利用装在轮内或轮 外的质量较小但振动强度很大的激振器去带动质量很大的碾轮对材料施力，影响 了旋力效果，激振器轴承寿命短。 4 振动压实存在工作稳定性问题“，滚轮不规则的跳离地面将导致不均匀 压实，路面平整度不能保证，且不能在桥梁施工中应用。 5 由于压实作用深度原因，对粘性土壤压实效果差。 振荡压实技术利用交变剪应力与正压力对材料产生搓揉作用，压实表面平整， 对环境影响小。由于压实影响深度浅，较适合于薄层路面与特殊沥青混合料的压 实1 。 长安大学博士学位论文 1 绪论 图1 1 振动压路机能量传播示意图 图1 2 振动轮结构示意图 冲击作用能对地面产生比静压力更大的作用力，如图l 一3 所示。从表面传至 土层内的压力波也比振动压实作用更深。冲击压路机碾压速度( 1 2 1 4 k m h ) 要 比静碾和振动压路机高得多，压实的有效深度可达1 2 m 。由于每次冲击均会留 下未压实的区域，必须多遍错开作业才可能保证必要的压实均匀度。周期的冲击 要作用于牵引车上，使牵引车匹配困难且操作人员易疲劳。这种压实机的碾轮就 是激振器，直接向被压材料施力，冲击能量大而集中，适合于填层较厚的底基层 压实、基层补强压实及废旧水泥混凝土路面破碎等作业“。 ，一上一 ，一一 ，一j 、 。i f | 、 二_ _ _ _ 二二二= 三_ 乏二7 ：埠：三一一：三= 乏j ：l ! 二 j 二：。：一一：! ：，。：，一：、立：一。j i - 圈1 - - 3 冲击式压路机工作轮轮心轨迹 12 1 一偏心盘2 一偏心环3 一偏心轴 a 一回转中心b 一偏心轴中心线 c 一偏心环中心线d 一偏心盘中心线 圈1 4 混沌激振器结构示意圈图 卜碾轮2 一辐板3 一轮毂4 一轮轴5 一冲击块 l 一5 冲击振动机构原理图 长安大学博士学位论文 1 绪论 混沌压实技术是我国自主研究压实机理的一次尝试。混沌振动有着比简谐振 动更宽的振动频带，更剧烈的速度变化，因而更有利于振动压实，如图l 一4 所示。 由于受结构的限制，利用这种技术研制的工业样机证明了它要比同规格的振动压 路机能耗高6 左右，但效率高1 0 以上。 随着公路现代化施工的发展，路基铺层厚度不断加大，特别是高速公路进入 山区以来，填平沟壑造成的高填方量剧增，而同时作业效率的要求又愈来愈高， 缩短工期就意味着经济效益的提高，这就使得人们不得不探索新的、更高效的压 实方法和压实技术，于是复合压实技术便引起了关注。如振动和冲击复合压实技 术。”，如图1 5 所示：振动和振荡复合压实技术。”等。虽然它们在不同程度上提 高了压实效果，但不同压实方式的组合并没有从根本上弥补各自的不足，机器复 杂的结构限制了其实际应用。 因而，从强化压实过程、提高压实效果及效率出发，迫切需要探讨新的压实 机理及压实技术，研制开发适合国情的的道路建设装备。 1 4 目前国内研究现状 我国振动压路机生产的突破性进展是在8 0 年代中期开始引进国外生产技术后 形成的，在技术性能方面，国内知名企业的高性能全液压振动压路机已基本实现 与国际先进水平同步发展。但在产品可靠性方面，与国外先进水平还有很大差距， 主要表现在早期故障率较高。此外专有技术含量不商，未掌握压实控制核心技术， 与国外的差距尤其突出；基础液压元件和传动部件虽然已有引进，但质量仍未完 全过关，制造厂选择的余地较小，主机的制造工艺也存在较大差距；压实技术前 瞻性的研究工作不够，基础较弱，难于为创造新的压实原理和技术、开发新的机 型和品种提供理论支撑。 目前国内在压路机方面的研究主要集中在以下几个方面： 1 压实技术及压实机理研究。”； 2 振动压路机的设计参数选取“”“； 3 压路机的动态性能试验研究。： 4 压路机整机性能的优化嘲叫”3 ； 5 压路机一土壤系统的动力学特性研究。”叫删： 6 压路机性能计算机仿真“”“1 。 近年来，国内一些科研院校的专家学者对冲击压实技术做了一些基础理论研 究和试验，取得了一定的成果。如太原科技大学的张洪教授从理论上分析了影响 长安大学博士学位论文 1 绪论 滚动冲击压实性能的因素以及机械性能与结构参数的关系，提出了有益的建议”； 河北大学的何柏岩等对冲击压路机的运动学从理论上做了有益的探讨，分析了冲 击压路机的主要设计参数之间的相互影响，提出了参数选择的方法“。 1 5 论文主要研究内容 本课题组从9 5 年起探索新的压实理论和方法，提出了一项具有我国独立知识 产权的解决方案，研制了一台频率、振幅可调的试验样机。试验结果显示该样机 综合了冲击压实和振动压实的优势，具有仿冲击振动压实的特点，理论上可适应 不同介质压实的需要，为解决土壤厚层压实及粘性土压实难题开辟了一条道路。 本文主要研究内容如下： 1 仿冲击振动压实技术的试验研究 利用仿冲击振动压实试验装置在室内土槽进行不同工况的试验，通过对试验 数据的归纳、分析，研究在不同频率、振幅、工作速度下仿冲击振动对土壤压实 效果的影响。在试验数据的基础上对仿冲击振动压实的作用机理进行研究。 2 仿冲击振动压实动力学模型的研究 在试验研究的基础上，从仿冲击振动压实作用的机理出发，提出仿冲击振动 压实装罱的动力学模型，在此基础上分析压实机的动态响应，为进一步深入研究 提供理论基础。 3 仿冲击振动压实规律的研究 以试验结果及理论分析为依据，探讨压实度与压实工艺参数之间的关系，建 立各参数之间规律性的联系及合理匹配。对振动频率、振幅、工作速度等几个对 压实度有重要影响的参数进行分析比较，寻求压实效果较好的工况和机器参数组 合。 本文最终研究目的是探讨新的压实理论，为解决土壤深层压实及粘性土压实 难题提供个可行方案。 长安大学博士学位论文 2 土壤的性质及其压实 第二章土壤的性质及其压实 在仿冲击振动压实过程中，作业对象主要是土壤，压实机械与土壤之间的相 互作用是动态的、复杂的。土壤作为被压材料，其性质影响着压实机械的特性， 其类型对所能达到的压实度也有明显影响。因而研究机械的压实作用必须了解土 壤的性质及其压实机理。本文试验材料为级配土，试验是在实验室的大型土槽中 完成的。 2 1 土壤的性质 21 i 土的成份 土是岩石经风化作用后的产物，由各种大小不同的土粒组成集台体。这些土 粒之间的联结是比较微弱的，既不显示固体特性，也不表现为液体性能，而是与 空气、水组合在一起，显现出一种分散性物质的特征”。因此，土是由颗粒( 固 相) 、水( 液相) 和气( 气相) 所组成的三相体系。各相的性质及相对含量的大小 直接影响土体的性质。 2 1 2 土的结构及作用力 土粒形成土体的骨架，土粒大小和形状、矿物成分及其排列和联结特征是决 定士的物理力学性质的重要囡素。土的结构，按其颗粒的排列及联结有单粒结构、 蜂窝结构和絮状结构。絮状结构使土具有孔隙性、粘聚性和弹性这些性质与土 的强度和变形有密切的联系。土体的强度主要取决于粒间的联结，土的工程性质 主要受粒间的各种相互作用力( 粒间吸引力和粒间排斥力) 制约。 2 1 ，3 土的物理特性指标 从物理的角度，可利用土壤固、液、气三柏在体积上和质量上的比例关系来 反映土的干湿程度和紧密程度。土的三相组成 见图2 1 。图中符号意义如下： m 。一土粒质量； 。一土中水质量i m 一土的总质量，聊= 聊，+ m 。： t 、吒、k 一土粒、土中水、土中气体体 积： 一土中孔隙体积，= k + 屹： 吒一土中孔隙体积，一一k + 屹： el j 工 二二二水二二二h 黼v 图2 一l 土的三棚组成示意圈 长安大学博士学位论文 2 土壤的性质及其压实 第二章土壤的性质及其压实 在仿冲击振动压实过程中，作业对象主要是土壤，压实机械与土壤之间的相 互作用是动态的、复杂的。土壤作为被压材料，其性质影响着压实机械的特性， 其类型对所能达到的压实度也有明显影响，因而研究机械的压实作用必须了解土 壤的性质及其压实机理。本文试验材料为级配土，试验是在实验室的大型土槽中 完成的。 2 1 土壤的性质 2 1 1 土的成份 土是岩石经风化作用后的产物，由各种大小不同的土粒组成集合体。这些土 粒之间的联结是比较微弱的，既不显示固体特性，也不表现为液体性能，而是与 空气、水组合在一起，显现出一种分散性物质的特征“。因此，土是由颗粒( 固 相) 、水( 液相) 和气( 气相) 所组成的三相体系。各相的性质及相对含量的大小 直接影响土体的性质。 2 ，1 2 土的结构及作用力 土粒形成土体的骨架，土粒大小和形状、矿物成分及其排列和联结特征是决 定土的物理力学性质的重要因素。土的结构，按其颗粒的排列及联结有单粒结构、 蜂窝结构和絮状结构。絮状结构使土具有孔隙性、粘聚性和弹性，这些性质与土 的强度和变形有密切的联系。土体的强度主要取决于粒间的联结，土的工程性质 主要受粒间的各种相互作用力( 粒间吸引力和粒间排斥力) 制约。 2 1 3 土的物理特性指标 从物理的角度，可利用土壤固、液、气三相在体积上和质量上的比例关系来 反映土的干湿程度和紧密程度。土的三相组成 见图2 1 。图中符号意义如下： m ，一土粒质量； m 。一土中水质量； m 一土的总质量，聊= m ，+ m 。； 、圪、圪一土粒、士中水、土中气体体 积： k 一土中孔隙体积，k = k + 屹： 一l l 一 一 7e t ； 一 t i 二二二水二二二 、， v 溅 l ： 图2 1 士的三相组成示意图 长安大学博士学位论文2 土壤的性质及其压实 矿一土的总体积，v = 一+ + 圪； 与压实有关的物理特性指标定义如下： 土的含水量( w ) ：土中水的质量与土粒质量之比，w ：堡。1 0 0 坍5 土的密度( 户) ：土单位体积的质量，p = 等 土的干密度( 几) ：土单位体积中固体颗粒部分的质量，几= 等 土的孔隙比( p ) ：土中孔隙体积与土粒体积之比，p ：堡 k 土的孔隙率( ”) ：土中孔隙所占体积与总体积之比，h ：1 0 0 。 v 2 1 4 动载荷作用下土的力学特性 在周期性的循环荷载下，土的变形、强度特性已不能用静力条件下的概念和 指标来表示，而需要了鳃动态的应力应变和强度特性。影响土的动态变形特性的 因素有周围压力、孔隙比、颗粒组成、含水量等，同时还受到应变幅值的影响， 而且后者最为显著。当土应变在1 0 一1 0 叫时，土的特性可认为是弹性性质：当 应变在1 0 1 0 2 时，土表现为弹塑性性质；当应变超过1 0 1 时，土将破坏或产 生液化、压密等现象n 。 试验研究表明，对于某种既定土样而言，当动应变幅值小于l o - 5 数量级时， 的弹性模量，剪切模量以及阻尼比可视作常量。随着动应变幅值的增大，土的 模量逐步减小，阻尼比逐步加大。阻尼比是衡量土体吸收振动能量的尺度，它与 弹性模量及剪切模量是建立机器土壤动力学模型时所需的重要参数。 在周期性循环载荷下土的动强度有可能高于或低于静强度，这要视土的类别、 所处的应力状态以及加载速度、循环次数而定。动载荷反复作用次数越少，动强 度越高：随着反复作用次数的增加，土的强度逐渐降低，超过一定次数时，动强 度接近甚至低于静强度了。动强度还与初始剪应力的大小有关，初始剪应力越大， 载荷反复作用次数对土强度的影响越小。 压实作业时，随着压实度的增加，土的孔隙比减少，土体弹性模量增加，而 刚度与模量有正比关系，所以刚度在增加，相应土的阻尼比在减小。 长安大学博士学位论文 2 土壤的性质及其压实 2 2 土的压实机理 土的压实性是指土体在短暂不规则荷载作用下密度增加的性状。在外力作用 下土的压实机理，可以用结合水膜润滑及电化学性质等理论来解释。一般认为， 粘性土中含水量较低时，由于土粒表面的结合水膜较薄，土粒间距较小，引力增 大，土粒的相对位移阻力大且比较难以克服，因此压实效果较差。随着土中含水 量增加，结合水膜增厚，土粒间距也逐渐增加，此时斥力增加而引力相对减小， 压实功能较易克服粒间引力使土粒相互移位，压实效果较好。但当土中含水量继 续增加时，孔隙中过多的水分不易立即排出，阻止土粒的靠拢，同时排不出去的 气体，以封闭气泡的形式存在于土体内，击实仅能导致土粒更高程度的定向排列， 而土体几乎不发生体积变化，所以压实效果反而下降。 1 ： el c 型 l 一 图2 2 击实曲线 图2 3 不同击数下的击实曲线 实验室内所得击实曲线( 如图2 2 所示) 反映土的压实特性如下： 1 对于某一土样，在一定的击实功能作用下，只有当土的含水量为某一适宜 值时，土样才能达到最密实，在击实曲线上反映一峰值，其对应的横、纵坐标值 为最优含水量和最大干密度。 2 土在击实过程中，通过土粒的相互位移，很容易将土中气体挤出，但对于 粘性土，要挤出土中水分来达到压实不是短时加载就能办到的。因此，压实实质 上不是挤出土中水分而是挤出土中气体来达到压实目的的。当土的含水量接近或 大于最优含水量时，击实土不可能被击实到完全饱和状态，击实曲线必然位于饱 和曲线的左侧而不可能与饱和曲线有交点“，见图2 3 所示。 3 当含水量低于最优含水量时，干密度受含水量变化的影响较大，即含水量 变化对干密度的影响在偏干时比偏湿时更加明显“。 衡量压实质量高低的指标为压实度，定义为工地压实时要求达到的干密度与 长安大学博士学位论文 2 土壤的性质及其压实 室内击实试验所得到的最大干密度之比，表示为： 压实度= 篆圳。 2 3 影响压实的主要因素 影响土压实性的因素很多，内在因素主要有土的含水量、土类及级配、击实 功能等，外在因素有碾压层的厚度、压实机械的类型和功能、碾压遍数、碾压速 度等”1 。 2 3 1 含水量的影响 前巳述及，对较干( 含水量较小) 的和较湿( 含水量较大) 的土进行夯实或 碾压，都不能使土充分压实：只有当含水量控制为某一适宜值即最优含水量时， 士才能得到充分压实，得到土的最大干密度。 实践表明，当压实土达到最大干密度时，其强度并非最大。研究发现，在含 水量小于最优含水量时，土的抗剪强度和模量均比最优含水量时高，但将其浸水 饱和后，则强度损失很大，只有在最优含水量时浸水饱和后的强度损失最小，压 实士的稳定性最好。 2 3 2 土类及级配的影响 在相同击实功能条件下，土壤的类型和级配不同，所体现的压实特性也不同。 不同类型的土壤对于各种类型的压实作用方式，其敏感性也不同；级配良好的土 壤，在压实过程中，除了各种颗粒在外力作用下，逐渐互相靠近趋于密实外，大 小颗粒互相镶嵌，小颗粒自动进入大颗粒的缝隙之中，使总体空隙体积减小，密 实度提高，所以呈现了较好的压实特性。实践证明，均匀颗粒的砂及单一尺寸的 砾石和碎石，都难于碾压密实。 2 3 3 击实功能的影响 对于同一种土，其最佳含水量和最大干密度是随击实功而变化的。击实功能 增加时，能克服土壤颗粒间的阻力，会使土的最大干密度增加，最佳含水量减小， 如图2 - 3 所示。同时，当含水量较低时击数( 能量) 的影响较为显著。因而击实 功的大小对压实效果有重要的影响。对于厚铺层或难以压实的土壤，为了得到规 定的压实效果，提高设备的击实功是解决此类问题、实现强化压实的主要途径之 一。但当含水量较高时，含水量与干密度的关系曲线趋近于饱和曲线，靠加大击 实功能来提高土的密实度是无效的。一般正常碾压时，击实功越大压实效果越好。 1 4 长安大学博士学位论文2 土壤的性质及其压实 2 3 4 压实厚度的影响 在相同压实条件下( 土质、湿度、压实能不变) ，由实测不同深度土层的密 度得知，土基的密实度随深度而递减“，而不同压实