（机械设计及理论专业论文）冲击振动压路机模型对黄土压实试验的研究.pdf

捅要 黄土在我国华北、西北地区分布广泛，是这些地区公路路基填筑的主要材料。然而 黄土是一种特殊土，孔隙发育，具有湿陷性，遇水会使土基沉陷，从而使路面产生破坏， 若对其进行特殊处理又会大大增加工程开支。研究黄土的压实特性，采用正确的压实方 法及压实工艺是提高黄土路基承载能力和抗变形能力经济而有效的措施。 本文从黄土物理力学性质入手，对黄土颗粒组成及液塑限进行了研究，通过重型击 实试验得到了黄土击实曲线，确定了黄土最佳含水量及最大干密度。利用冲击振动复合 压路机模型对黄土进行了实验室压实试验。研究了黄土在冲击+ 静碾、冲击+ 振动+ 静碾、 振动+ 静碾三种工况下的压实特性，对比分析了三种工况下压实度变化规律，并对黄土 冲击振动压实机理进行了分析。试验过程中利用压力传感器采集黄土中的动态压力信 号，对其进行处理与分析，揭示了冲击振动作用在黄土中的传播规律。这些研究为解决 黄土压实这一难题提供了理论基础。 最后对冲击振动复合压实设备的激振机构进行了参数化设计，为今后该设备的产品 化、系列化提供了一条方便快捷的途径。 关键词：黄土；冲击振动；复合压实；激振机构；参数设计 a b s t r a c t t h el o e s si sw i d e l yd i s t r i b u t e di nn o r t ha n dn o n h 、e s tc h i n a ，w h i c hi st h em a i nm a t e r i a l o fh i g h w a ys u b g r a d ef i l l i n gi nt h e s e2 u r e a s h o w e v e r ，l o e s si sas p e c i a ls o i lw i t ht h ef - e a t u r e so f p o r o s i t yd e v e l o p m e n ta n dc o l l a p s i b i l i 劬w 1 1 i c hw i l ll e ts o i ls i n kw i m w a t e rs ot h a tt h er o a d w i l lb ed a m a g e d i tw i l lb eg r e a t l yi n c r e a s e de x p e n d i t u r ei ft h el o e s sb e i n gt r e a t e ds p e c i a n y t h er e s e a r c ho ft h el o e s sc o m p a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s2 u l du s i n gt h ec o r r e c tm e t h o do f c o m p a c t i o na n dc o m p a c t i o np r o c e s sa r em a i nm e a s u r e st oi m p r o v et h eb e 撕n gc a p a c i t ya n d a j l t i _ d e f o m a t i o na b i l i t yo ft h el o e s sr o a d b e d b e g i i l l l i n gw i t ht h ep h y s i c a lp r o p e n yo fl o e s s ，t h i sa n i c l es t u d i e st h ep e l l e tf o ml i q u i d l i m i ta n dl i m i tp l a s t i co ft h el o e s s a c c o r d i n gt ot h eh e a 、，) ，c o m p a c te x p e r i m e n t ，t h ep 印e rg e t s t h ec o m p a c t i o nc u r 、，eo ft h e1 0 e s sa 1 1 dt h e nc o n f i 肌so p t i m u mm o i s t u r ec o n t e n ta i l db i g g e s t d d rd e n s i t yo ft h el o e s s u s i n gt h em o d e lo fp r o d u c t i o n i m p a c t i o na n dv i b r a t i o n r o l l e r m o d e l ，t h ep a p e rd ot h ec o m p a c te x p e r i m e n to ft h el o e s si nt h e1 a b o r a t o r y t h ec o m p a c t i o n c h a r a c t e r i s t i co ft h el o e s si ss t l l d i e dt h r o u 曲t h r e ec o n d i t i o nt h a ta r ei m p a c ta d d sv i b r a t o r ) r c o m p a c t i o n 、s t a t i cc o m p a c t i o na d d si m p a c ta n dv i b r a t o uc o m p a c t i o n ，i m p a c ta d d sv i b r a t o 巧 c o m p a c t i o n t h ed i s t 曲u t i n ga n dt r a n s f e 玎i n gr e g u l a t i o no ft h ed e g r e e o fc o m p a c t i o ni s a j l a l y z e du i l d e r t 1 1 r e ec o n d i t i o na n dt h ec o m p a c t i o nt h e o 巧i i lt h ei m p a c t i o n v i b r a t i o ni s r e s e a r c h e d i nt h ee x p e 打m e n t ，s o m ep r e s s m es e n s o r sa r eu s e dt oc o l l e c tt h ed y n 锄i cp r e s s u r e s i g n a l ，w h i c hi sp r o c e s s e da i l da n a l y z e dt or e v e a lt h ed i s t r i b u t i n ga n dt 啪s f e r r i n gr e g u i a t i o n i nt h e i m p a c t i o n v i b r a t i o n r e s e a r c h e si i lt h i sp 印e rp r o v i d et 王l eb a s i ct h e o 拶t os o l v et h e d i 伍c u l tp r o b l e mo fc o m p a c t i o no ft h el o e s s f i n a l l y ，t h j sp a p e rd e s i g np a r a m e t e r sf o r t h ei m p a c t i o na n dv i b r a t i o nc o m p o s i t ec o m p a c t t e c h n o l o g ye q u i p m e n tw h i c hp r o v i d eac o n v e n i e ma n de m c i e n tw a yf o rm ep r o d u c t i o na n d s e r i e so ft h ee q u i p m e n t k e y w o r d ：l o e s s ；i m p a c t i o na n dv i b r a t i o n ；c o m p o s i t ec o m p a c t ： e x c i t a t i o na g e n c i e s ； p a r 锄e t r i cd e s i g i l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文储签名：晦使崎 锣7 年争月绍日 论文知识产权权属声明。 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 2 叼年f 月2 留日 2 ，7 年i ，月2 日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 课题提出的背景及意义 随着我国经济的迅速发展，高速公路建设的规模日益增大。截止2 0 0 8 年底，我国 高速公路建设总里程已突破6 3 万公里，预计2 0 1 0 年我国高速公路通车总里程将达到 6 5 万公里。随着交通运输量的迅速增大，公路建设的进一步发展，对道路压实质量提 出了更高的要求。实践证明，在高速公路建设中，采用高标准对路基、路面进行有效的 压实是增加路基路面强度、提高路面承载能力并保持公路整体稳定性的一种最经济有效 的技术措施。虽然压实费用在整个建设费用中所占的比例很小，但其所起的作用却十分 巨大【2 9 】。 振动压路机与冲击式压路机是目前国内外大量使用的压实设备。振动压路机激振机 构产生的振动波可使土颗粒产生共振，使颗粒间的空隙减少，从而提高密实度。但现今 较常见的振动压路机多为单频振动，具有频率高，振幅小，被压材料单位体积内承受的 载荷较低等特点。随着铺层厚度的增加，振动波的作用影响深度将很快衰减，这导致施 工中须控制作业速度及铺层厚度，在很大程度上制约了施工生产效率的提高。 冲击式压路机与振动压路机相反，具有低频率，高振幅的特点。冲击式压路机产生 的冲击作用力可以破坏土颗粒间的连接，使颗粒产生移动，重新排列，有效提高密实度。 冲击压力波较振动压力波可传至更深的层面中，因此压实的作用深度大大增加。一台冲 击能量为1 5 的冲击式压路机压实遍数为1 5 遍2 0 遍，其5 m 深处的压实度可以达到 9 0 9 2 ，这使得冲击式压路机在厚填方，塌陷性土和干砂的压实中有着其他压实设 备不可比拟的优势。但冲击式压路机产生的冲击作用力并不连续，压实后路面的均匀性 和平整度很差。 鉴于以上两种压路机各自的优缺点，二者均无法同时在压实作用深度和路面平整度 上满足人们的要求。 我国华北地区和西北地区分布有大量的黄土。黄土是一种特殊土，工程性质复杂， 其最明显的特征是具有湿陷性，遇水会使路基发生沉陷从而产生不均匀沉降，导致路面 产生开裂。通过对黄土路基土的密度、湿度状况及路基强度与边坡度关系的调查分析、 对黄土路基地表水的处理、黄土路基病害与水土流失综合防治等方面进行的研究，入渗 和冲刷是影响稳定性的两个主要因素，而对黄土进行有效压实是防止水份渗入和冲刷的 第一章绪论 重要措施。因此，保证黄土路基达到标准的压实度，就显得尤为重要。 我国华北、西北地区其他路基建筑材料十分匮乏，充分利用当地材料修建公路可以 大大降低工程造价，这些地区高等级公路路基的填筑必然要大量采用黄土。黄土路基的 变形问题已经由铁道部门和公路部门做过长期的调查分析、沉降观测以及土工离心模型 试验研究。黄土具有结构性强的特点，遇水会发生湿陷，其强度减小，迅速软化。由于 黄土成分和性质的特殊性，其在工程界中具有十分特殊的地位。在天然状态下，黄土常 处于欠匝密状态，其弹性变形很小。压实后的黄土主要为压密变形，压密变形又分为湿 陷变形和压缩变形。黄土湿陷变形在浸水后，发展迅速，变形量也很大，这对以黄土为 路基的道路危害很大。资料表明，黄土经压实后，其干密度和强度提高，渗透性和压缩 性减小，而在天然状态，在一定压力范围之内，干密度和含水量相同时，黄土的湿陷性 较压实后的黄土要大很多。因此，黄土作为路基填料时，施工中应该保证其具有足够的 压实度，这样才能使路基具有很高的强度和很强的抗变形能力【l 】。 黄土作为路基材料对其压实特性、施工方法的研究也是当前公路建设急待解决的问 题。为此，对该地区高等级公路黄土材料进行全面的、系统的物理力学特性和可压实特 性等方面的广泛试验研究，以实际试验数据为基础进行深入的理论分析，揭示其动态形 变特性，探索其正确的压实方法、压实机理，同时结合被压材料特性对压实设备本身工 作参数进行合理地匹配是非常必要的，其研究内容为黄土路基设计、施工规程规范等的 制定提供科学依据，也可为黄土路基施工、养护、设计等方面提供技术指导。从目前和 长远来看，它产生的经济效益和社会效益也是十分显著的。高等级公路建设中近年来采 用了冲击压实、强夯等技术取得了比较好的技术经济效果。但是冲击夯的作业速度比较 慢，其均匀性和连续性较差，非圆形冲击压路机在产生冲击作用力进行压实的同时，存 在着使牵引车承受冲击载荷的问题，这使得牵引车发动机的输出功率变化频繁，同时还 存在着压实的复位现象，这导致其压实的均匀性也较差。 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 率以及解决黄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、机动和灵活的道路压实设备。本课题利 用冲击振动复合压路机模型，对黄土的压实特性进行了研究，具有一定的理论意义和实 用价值。 2 长安大学硕上学位论文 1 2 国内外研究概况 黄土在世界上分布较广，在世界各国中以我国西北地区黄土地层最厚，最完整，其 发育好，地层全，分布连续，特性较典型，在工程建筑方面属于具有特色的建材和地基。 结合国家基本建设，黄土一直是我国岩土工程界研究的对象。5 0 8 0 年代结合当时的基 本建设，对黄土的时代成因、基本性质、变形强度特性在广度和深度上的变化规律；对 黄土的湿陷变形特性、湿陷类型、评价标准、黄土地基的承载力与变形和处理方法如夯 实、挤密及不同类型的桩箱基的研究与实践都取得了显著成果，解决了许多实际工程问 题。8 0 9 0 年代对黄土的微结构进行了深入研究，指出黄土的骨架颗粒成分、形态、排 列方式、孔隙特征、胶结物种类以及胶结程度等对黄土的工程地质性质的重要影响，并 从微结构特征阐明黄土的结构强度与湿陷性本质，对黄土在静动载荷作用下的应力应变 关系和本构模型，在不同湿度、密度条件下的振陷与动强度特性等的研究也取得了创新 成果。汇总所取得的研究成果和实践经验，先后制订了“6 6 、7 8 、9 0 湿陷性黄土地区建 筑规范”，“规范”不仅反映了建国数十年来对黄土工程性质的研究成果与实践经验，并 为黄土地区工程建筑的设计施工提供了理论与实践基础。改革开放以来对黄土的研究又 有新的进展，如对非饱和土力学特性的理论和测试技术的研究，湿陷性黄土增减湿度后 湿陷性的变化和结构强度的研究及黄土层的湿陷性和湿陷性黄土深基处理新技术等都 取得令人瞩目的成果。同时结合工程实际，对黄土的变形强度问题的研究更加深入和广 泛，提出许多新问题和新技术，如深基坑开挖与支撑、饱和黄土地基的处理、高陡黄土 边坡路堑和水库岸坡的坍塌机理和增稳措施、加筋土的变形强度等的研究都获得了可喜 的成果。又如黄河上游龙羊峡电站库区南岸，高陡库岸坡滑塌机理与稳定性评估，以及 陕西宝鸡峡引渭工程9 8 l 【i i l 于渠高陡黄土边坡的坡形和坡比设计的研究与实践都取得了 很好的效果。在国外，苏联、东欧国家和美国对黄土的工程性质研究都较早，但多偏重 于黄土湿陷特性水土流失规律的研究，对黄土其他工程性质研究成果较少。随着我国经 济的不断发展，施工规模的日益扩大，道路和建筑填方材料的种类也逐渐增多，从颗粒 直径小于o 0 0 2 m m 的黏土到直径为1 m 或更大的石块；从含水量为1 的沙到含水量为 1 7 的黏土；还有水泥稳定土、冻土、矿渣以及其他土石混合料等。其中有些材料是比 较难压实的，尤其是形成较大厚度的铺层时，压实就更加困难。因此，如何通过强化压 实过程来提高生产率和作业质量就成为压实技术发展中一个引起人们普遍关注和追求 的方向【3 9 】。 第一章绪论 在高速公路、铁路、水坝和机场等大型工程的基础施工中，压实设备是不可缺少的， 世界上压实设备发展已有百余年历史，经历了从机械传动到液压传动，由静碾到振动， 由振动、振荡、冲击到几种压实方式复合的不同阶段，目前正朝着智能化的方向发展。 在对压实设备的研究中，由于国外起步早，产品相对成熟，其发展相对稳定。我国 对压实设备的研究，经历了引进吸收、自主开发等多个阶段，产品种类呈现多元化、系 列化的趋势，同时还出现了一批具有自主知识产权的创新技术，不但形成了一定的规模， 而且还具有一定的竞争力。目前，国内外对压实技术和压实设备的研究主要有以下几个 方面： 随着压实设备品种的不断完善，压实技术与压实设备的发展越来越依靠压实理论的 突破。最新的压实理论已经丌始注重被压实材料的工程性质、施工现场的压实工艺和压 实设备的参数匹配，显示出其综合性和系统化的特点。理论研究的主要内容包括：压实 技术与压实机理的研究；压路机动态性能的试验研究与计算机仿真；土压实特性的研究： “压路机一土”系统的动力学特性研究。 随着压实理论研究的深入及相关技术的不断进步，压实技术和压实设备发展迅速。 一方面是对传统机型的改进，应用最新的动态性能检测技术对传统机型的作业参数进行 合理优化匹配，提高传统机型的整机性能；另一方面是对新产品的开发，为适应不同的 施工材料，满足更高施工质量要求，必须研制新的压实设备，如对混沌压路机、仿冲击 压路机和冲击振动复合型压路机等机型的研究。 近些年来，计算机和微电子技术不断发展和成熟，已经渗透到了国民经济的各个领 域，智能化压实设备也在这股潮流的推动下应运而生。智能化压实是压实技术发展的最 终目标，也是压实理论、压实工艺和机电液一体化结合的产物。目前智能化压实技术的 研究主要在压路机的完全自动调节、检测技术的高度自动化、压实的实时控制技术、智 能化压实击实等方面。 1 3 主要研究内容 本文主要对黄土进行了室内试验研究和理论分析，研究内容包括： 1 、黄土性质研究 通过含水量试验、界限含水量试验、颗粒大小分析试验、击实试验等分析黄土的基 本物理性质，为黄土压实研究奠定基础。 2 、黄土压实标准研究 4 长安人学硕士学位论文 通过重型击实试验绘制黄土击实曲线，确定黄土最大干密度及最佳含水量，作为试 验的压实度标准。 3 、黄土压实特性研究 在试验室进行压实试验，对比分析各压实工况，研究压实度传播规律，确定黄土的 压实特性。 4 、压应力在黄土中的分布及传递规律研究 在黄土中按一定规律埋放压力传感器，试验过程中采集黄土中的动态压力信号，通 过对压力信号进行分析和处理，研究黄土中应力分布规律及传递规律。 5 、冲击振动复合压路机激振机构参数化设计 对冲击振动复合压路机激振机构进行参数化设计。利用v b 语言与p r o e 结合，开 发压路机的参数化设计系统，为以后冲击振动复合压路机的产品化、系列化提供方便快 捷的设计途径。 5 第二章压实技术及冲击振动复合压实设备 第二章压实技术及冲击振动复合压实设备 2 1 压实概述 压实是提高被压材料强度和稳定性的一种有效方法。压实的过程是利用压实设备对 被压材料加载，将被压材料固体颗粒问的空气和水份排出，同时克服松散材料中固体颗 粒间的摩擦力与粘聚力，使固体颗粒重新排列，互相靠近，从而提高密实度。对路基和 路面进行有效的压实，能显著提高其承载能力和稳定性，减少水份渗透，从而达到： 1 、渗透性小，能有效预防雨水和其他自由水的侵入，保证路基和路面的稳定性； 2 、能经受行车荷载的反复作用而不产生结构性的破坏； 3 、能经受重车荷载的反复作用而不产生过大的压缩变形。 对路基进行有效的压实，当其压实度较高时，能极大的减小路基和路面在使用过程 中由于土体固结和行车荷载等因素而产生的变形。 2 1 1 压实的物理过程 对路面结构层或路基进行压实时，在压实设备的短时荷载或振动荷载的作用下，被 压实材料会产生不同的物理过程。以粘性土压实为例，通常情况下压实所产生的物理现 象主要有以下四个方面： 1 、使单个土颗粒重新排列和相互靠近； 2 、使小颗粒进入大颗粒的孔隙中； 3 、使大小土块重新排列和相互靠近； 4 、使土块内部的土颗粒重新排列和相互靠近。 以上物理过程可以增加单位体积内的固体颗粒数目，减小孔隙率，提高被压材料的 密实度。对于粘性土，通常认为其单位体积内主要包括固体颗粒、空气和水份三部分， 称为三相体。在三相体中，土的固体颗粒和水份是不可压缩的。因此，只有通过压实将 其中的水份和空气排出，才能使单位体积内的固体颗粒增加。在一般的压实施工作业中， 可以将粘性土中的空气从孔隙中排出，但一般的短时碾压并不能将其中的水份挤出，压 实度越高，单位体积内的固体颗粒愈多，空气愈少，直至将其中的空气全部排出，此时 土的理论最大密实度就是土中的空气为零，土中的含水量为最佳含水量，土体接近于两 相体的密实度【1 8 】。 6 长安大学硕士学位论文 2 1 2 压实方法 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。到目前为止，现代压实技术所采用的压实方 法可以归纳为：静力、振动、揉搓、夯实和冲击四种。 静力压实依靠压路机自身的重量，在碾轮滚过铺层材料时使其产生永久残余变形。 但碾压次数增多后，被压材料的密实度逐渐提高，永久残余变形随之减小，直至实际变 形为零。用较重的碾轮来碾压，会进一步提高被压材料的密实度。但是无限地增加静载 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。同时依靠静载荷( 自 重) 压实，颗粒间的摩擦力也会随着静载荷的增加而增加。静载荷由于受滚轮尺寸的限 制不可能无限的增加，因此，有限的静力只能引起被压材料较小的变形，获得较低的压 实度。 振动压实依靠压实设备的激振机构产生接近于被压材料固有频率的振动，使被压材 料产生共振，此时被压材料颗粒间的摩擦力迅速减小，小颗粒会随着振动填充到大颗粒 间的空隙中，材料容积将变得尽量小，其密实度增加。振动压实的特点是：加载频率大、 克服摩擦力有限、表面应力不大、过程时间短、对于内聚力( 粘聚力) 几乎无作用，所 以，可广泛用于粘性小的材料。 揉搓作用中的揉可以对被压材料局部施加较大的垂直压力，其本质是一种压入作 用，可以破坏压头下方局部材料与周围材料之间的联系，使得压头下方的材料受到很大 的压缩而变得更加密实。搓可以对被压材料施加交变剪切力，从而使被压材料发生相对 滑移，使其重新排列，变得更加密实。揉搓作用力仅在表层某一范围内传递，可以在表 面压实度和表面平整度方面获得较好的效果。 夯实和冲击压实的冲击应力作用时间短，工作装置会对被压材料产生很大的冲击作 用力，破坏材料内部颗粒间的连接，强迫颗粒产生相对移动，重新排列，变得更为密实。 冲击压力波较振动压力波能传至更深的层面，所以，冲击压实能获得最大的压实深度， 适于粘性土的压实。 2 2 压实设备对压实的影响 压实技术是一项综合技术，包含内容多，涉及面广，因而影响压实的因素必然较多， 例如被压材料的性质、压实设备、压实工艺等，而现代压实技术决定压实设备是影响压 实的一个重要因素。压实设备对压实的影响主要有以下几个方面： 7 第_ 二章压实技术及冲击振动复合压实设备 1 、线压力 沿碾轮轴向单位长度上的压力即为线压力。线压力包括静线压力和动线压力，其中 静线压力主要来源于压路机的重量。一般来讲，大吨位的压路机，其线压力高，则压实 效果较小吨位的压路机要好。所以为了提高静碾压路机的压实效果，主要途径就是增加 压路机的重量。但它有一界限值，在这一界限值下，适当增加压路机的线压力就可以提 高压实效果。超过这一界限后，再盲目的增加压路机的线压力，不仅不能提高压实效果， 还会产生“剥切”或“挤出”现象，即将碾轮下的土向旁边挤出，这种现象常发生在碾压塑 性较大的土质时，这显然不利于压实效果的提高。动线压力产生于激振力( 振动压路机) 或冲击力( 冲击压路机或夯实机) ，对振动压路机而言，激振力的大小直接受限于振动 系统的参数一振幅、频率。在同样的振动质量下，增加动线压力就意味着增加激振力， 那么碾轮的振幅就会提高，而振幅的设计是由该压路机的使用场合所决定的，如碾压基 层的压路机振幅较高，一般在0 8 2 o m m 之间，碾压面层的压路机振幅较低，多在0 4 o 8 m m 之间，过大的振幅会使压路机碾轮跳离地面，产生脱藕现象。这不仅不利于压实 效果的提高，反而会造成对整机的振动加剧进而影响机器各零件的使用寿命，对冲击式 压路机或夯实机，增加动线压力就是增加冲击作用力，这类机械冲击力的增加在原则上 希望大些好，但其常受限于具体的结构，不能无限地增加。 2 、压实力的作用方式 压实效果由于压实力的作用方式不同，有着很大的差异。相同吨位的压路机，静作 用力压实的有效深度最浅，其压实效果最差；振动压实在有效压实深度和压实效果上， 均比静作用力压实要好；冲击或夯实的压实度也比较高，其有效压实深度最大，但其压 实的均匀性及平整性方面不如振动压实好。此外，对于某些特殊土，采用有的作用方式 进行压实是非常困难的，甚至根本不起作用，如对黏性土的压实采用振动压实，几乎没 有什么效果，而冲击压实则能获得理想的压实度。所以，压实力的作用方式对压实效果 有显著的影响作用。在压实施工中，不仅要注意选择压路机的吨位，还要根据施工的具 体情况选用压实力的作用方式，这样才能获得满意的压实效果。 3 、压实功的大小 在压实过程中，只有输入的压实功所相应的作用力大于土内颗粒间的摩擦力或连接 力时，才能使土颗粒产生相对位移，相互靠近，趋于密实。否则，当输入的压实功所相 应的作用力小于土内颗粒间的摩擦力或连接力时，土颗粒间不会产生任何相对运动，因 而也就不可能实现压实。所以输入的压实功对压实效果有重要的影响。对于厚铺层填料 8 长安大学硕十学位论文 或难以压实的土，为了得到规定的压实效果，提高设备的压实功是解决这类问题、实现 强化压实的主要途径之一。一般而言，正常碾压时，压实功越大压实效果越好。 4 、碾轮的状态 碾压时，压路机碾轮分为从动轮和驱动轮，碾轮所处的状态不同，被压材料的受力 状态也不同。从动轮对被压材料施以向前推壅的作用力会造成碾压后压实表面的平整度 和压实效果变差。驱动轮将被压材料送入轮子底下，碾压后压实表面的平整度和压实效 果均较好。基于碾轮状态对压实的影响，产生了三轴式压路机和双驱双振压路机。 5 、碾轮的型式和材质 根据碾轮的型式，压路机可分为光钢轮、凸块碾、羊足碾等。根据碾轮的材质不同， 又可分为钢轮压路机和轮胎压路机。碾轮型式和材质的不同，压实的过程也不同，导致 压实的效果也有差异。轮胎压路机由于轮胎与被压材料的接触过程可能发生变形，因此 与光钢轮压路机相比，当被压材料疏松时，其与被压材料的接触面积大，导致线压力降 低；当被压材料密实时，其轮胎与被压材料的接触面积减小，线压力增大。因而轮胎压 路机具有碾轮线压力可随压实状况而变化的特点。在碾压过程中，轮胎与土的接触时间 较长，有利于土产生塑性变形。此外，轮胎对土有一定的揉搓作用，可消除碾压面层任 何细小的裂纹，获得较高的压实度和表面平整度。光轮压路机与凸块式压路机或羊足碾 相比，在同等吨位、同样轮宽的情况下，光轮压路机接地比压最小；而碾轮上的凸块和 羊足对土有较强的挤压揉搓和剪切作用，因而凸块碾轮和羊足碾较光钢轮压路机有较好 的压实度。 2 3 压实技术及设备发展趋势 2 0 世纪压实技术与压实设备的发展，有以下特点： l 、压实设备的进步与压实方法、压实技术的发展有十分密切的联系。压实技术的 进步往往会使压实设备产生突破性的进展，这已经成为创造全新的按不同原理工作的新 型压实设备的基础。新的压实技术与压实设备的产生依靠压实理论的突破，同时压实技 术与压实设备的发展又为新的压实理论的出现提供了支撑。压实理论的研究综合了材料 性能、施工工艺、力学以及结构学、运动学等多个学科来研究压实设备的作业过程。压 实技术则将静力压实、搓揉压实、振动压实、夯实及冲击等多种方法结合来强化压实过 程。 2 、压实理论与压实技术将试验研究与计算机仿真技术相结合，利用计算机辅助试 9 第二章压实技术及冲击振动复合压实设备 验、辅助设计、辅助管理、辅助制造以及辅助工程将压实设备的构想、设计、制造、试 验直到使用、维修、管理的全过程实现高度自动化和虚拟化，有效的提高了设计和使用 的效率，并节约了成本。 3 、压实机械与工作介质相互作用动力学过程的研究为探索新的压实方法和技术提 供着强大的理论支撑。 4 、现代新技术革命的兴起，特别是微电子技术、自动控制技术和计算机技术等高 科技的迅速发展引导着压实机械未来的发展方向。 5 、智能压路机成为一个发展趋势。 6 、复合式压实设备会有大的发展。单一的压实方法很难达到理想的压实效果，因 为各种压实机型有各自的优点，又有一定的局限性，而且现在的施工材料多种多样，即 使同一材料压实前后性质也有所变化，所以将静力压实、揉搓表层质量好的优点和振动 压实、冲击压实深度大的优点相结合，综合运用静力压实、振动压实、揉搓和冲击等多 种压实方法的复合压实技术，具有十分明显的优势。今后的压实设备将向着一机多用， 更加智能化复合型的方向发展。本文采用的压实设备就是具有静碾、冲击、振动多种作 用原理的复合型压路机。 2 4 冲击振动复合压实设备的优点和应用范围 振动压路机自推出到现在已有很长时间，它的特点也已被人熟知，具有生产率较高、 压实均匀、适应范围较广、机动性好等优点。而冲击压路机在2 0 世纪9 0 年代作为一种 新机种推向市场后，已大量应用于路基和堤坝的土石方压实中，对含水量为1 2 的 单一颗粒尺寸的砂和塑性指数达2 5 含水量达1 7 的饱和粘土，均取得了很好的压实效 果。非圆形冲击压路机对饱和粘土显示出了其独特的压实能力，在碾轮的强力揉搓作用 下，可将固体颗粒空隙间的水份挤出，从而有效保证下层土中含水量的降低，因而大大 改善了压实效果。此外，冲击压力波具有地震波的传播特点，比静压力波和振动压力波 传递的更远，因此，在压实深度方面，冲击压路机有着其他各种压路机无可比拟的优势， 在原地基的压实上，深度达4 5 m ，填方压实一次达o 5 1 o m ，其碾压速度高达1 2 1 5 k n ：汕。显而易见，冲击型压路机在高填方压实施工中具有其他机型无法比拟的高作业 效率。 冲击振动复合压路机结合了振动压路机与冲击压路机的优点。与非圆形冲击压路机 相比具有压实均匀性好、牵引负荷均衡、机动性好等优点；与传统的振动压路机相比具 1 0 长安大学硕十学位论文 有生产效率高、压实深度大，能适应从砂性土到粘性土各种土压实的优点，而且可以在 含水量很宽的范围内进行有效的压实。三种压实设备性能的比较见表2 1 。 表2 1 传统振动压路机、非圆形冲击压路机、冲击振动复合压路机技术性能对比 汰 传统振动压路机非圆形冲击压路机冲击振动复合压路机 生产效率低 高 高 压实深度浅深深 均匀性好 差较好 机动性好差好 牵引负荷小大较小 机器重量 小大较小 适用范围不适合粘性士压实不适合基层压实适用范罔宽 试验用的冲击振动复合压路机的另一重要优点是，可以关闭振动马达成为单纯的冲 击压路机，也可以锁住冲击机构成为单纯的振动压路机，因而可以做到一机多用，扩大 了应用范围。 根据冲击和振动复合压实的特点，这种技术和设备的预期应用范围有：干砂的深层 压实、土石混填料压实、粘性土的压实、高填方土的压实、桥头台背和沟槽底部的压实 ( 小型机具) 【2 9 】。 第三章冲击振动复合压路机模型对黄十的压实试验研究 第三章冲击振动复合压路机模型对黄土的压实试验研究 3 1 黄土特性 黄土或黄土状土是一种多孑l 隙、弱胶结的第四纪沉积物。我国黄土分布广范，6 6 的国土面积被黄土覆盖，黄土主要分布在我国中西部地区，其中以西北地区的黄土地层 最厚，最完整。黄土具有颜色淡黄至褐黄、大孔隙、结构疏松、具直立节理( 破坏时能 保持直壁) 、常含有盐类( 主要为碳酸盐与硫酸盐) 、成分均匀无层理和遇水具有湿陷性等 显著特点。 3 1 1 典型物理化学性质 黄土的颗粒粒径大部分为0 2 5 m m 以下，主要以粉粒( 0 0 5 o 0 0 5 m m ) 为主，含量多 大于5 0 ，一般土颗粒粒径大小在o 0 0 2 2 0 0 m m 之间。 黄土的粘粒部分( ( o 0 0 5 m m ) 基本上由粘土矿物组成，如蒙脱石、高岭石、绿高 岭石和水云母。根据粘土矿物的含量百分比，可将黄土分为蒙脱石黄土、蒙脱石一高岭 石黄土和蒙脱石一水云母黄土。粘土矿物成分和比例在某种程度上体现着黄土的湿陷 性，因为各种粘土矿物的亲水性不同。如高岭石和水云母等能促使黄土湿陷的发生与发 展，而蒙脱石、绿高岭石和水云母等具有特殊的膨胀性，可以阻止湿陷过程的发展。 黄土粉细砂粒部分( 0 1 0 0 5 m m ) ，其矿物同水不起作用，不影响湿陷过程。在粗 粒造岩矿物中，石英、长石和碳酸盐含量较大，对湿陷性无重大影响，而细散粘粒对湿 陷过程起重大积极作用，因其具有大的比表面积，会使黄土膨胀、收缩或湿陷，具有不 同的力学性质，如压缩、强度等。 粉粒在黄土颗粒组成中占绝对优势，而粒径为o 0 5 o 0 1 n u l l 粗粉粒含量最大，一 般在5 0 6 0 范围，其浸水活动性也最强。因此有人认为粉粒含量 7 0 者为重粉质 黄土，5 0 7 0 者为中粉质黄土， 5 0 者为轻粉质黄土。随着浸水，其团粒破坏特征 亦不同，所表现的湿陷性亦不同。 主要成分：黄土中轻矿物含量占矿物总含量的9 0 9 6 ，主要由石英、长石和云 母等组成；黄土中的重矿物含量较少，含量在4 1 0 之间；黄土的物理力学性质主 要由粘土矿物( 伊犁石) 的多少来决定。而一般土中的粘土与粗矿物成分所占的比例并 无规律，或大或小。 化学性质：黄土中的化学成份主要为2 0 3 和s i 0 2 ，二者含量占总量的6 0 ，其他 化学成分还有c a o 、f e o 和f e 2 0 等。一般土中的这些化学组成并无规律。 1 2 长安大学硕士学位论文 微观结构：黄土由结构单元( 单矿物、集合体和凝块) 、胶结物( 粘粒、有机质和c a c 0 3 ) 和空隙( 大孔隙、架空孔隙和粒间孔隙等) 三部分组成，它表明从空间结构体系的力学强 度和稳定性角度分析，构成黄土结构体系的支柱是骨架颗粒。骨架颗粒形态表征传力性 能和变形性质，骨架颗粒的连接形式直接影响黄土结构体系的胶结强度，骨架颗粒的排 列方式决定结构体系的稳定性。而一般土的微观结构则表现为单粒结构、片架结构和片 堆结构等形式。 3 1 2 物理力学性质 黄土物理力学性质的特殊性表现为压密性、振陷性和湿陷性这三个方面。黄土在动 静荷载及浸水后，均可引起振陷变形、湿陷变形和压密变形，振陷变形与湿陷变形分别 以振动和浸湿作为诱发因素，使黄土的结构破坏而发生附加湿陷，有时则表现为黄土液 化。黄土的湿陷性变形具有突变性、不可逆性和非连续性。 黄土与其他一般土相同，一定压应力作用下黄土会出现弹性变形、压密变形、塑性 变形和蠕变变形。对于经振动压实后的黄土其性质与一般土有明显的不同，其主要表现 为： 1 、湿陷性。压实黄土的湿陷性，随干容重和压实功的减小而增大，随含水量增加 而减小。 2 、饱和度、渗透性和压缩性。压实黄土的基本性质因含水量的不同而有很大区别， 表现为：其饱和度随含水量的增大而显著减小；渗透系数在最佳含水量附近有一个峰值； 当含水量稍大子最佳含水量时，土体随含水量的增加压缩性显著减小，土体的稳定性也 因水份增加而减弱。 3 、抗剪强度。压实黄土的抗剪强度随含水量和压实度的不同有一定的变化规律。 表现为：与含水量呈曲线变化关系，且在最佳含水量附近达到最大值；随压实度的 增大而增大，基本呈线性增长关系。 不同黄土的物理力学性质常随其成岩时代、成岩地区表现出一定的差异。一般新近 堆积黄土( 线) 的干重度较小，孔隙比较大，压缩变形大，渗透性强，干燥状态具有 定结构强度，浸水饱和后结构破坏，粘聚力迅速减小，且变化幅度大，呈现较强的湿 陷性，晚更新世黄土( 蟛s ) 的物理力学性质相似于新近堆积黄土，它们的结构强度均偏 低易变，遇水湿陷影响大，滑坡、冲蚀、土粒流失屡见不鲜，是黄河中游地区控制水土 流失的主要土类，是湿陷性黄土的主要埋藏地层；中更新世黄土( g z ) 是黄土地层的 第三章冲击振动复合压路机模型对黄土的压实试验研究 主体，由黄土、古土层和钙质结核层相间组成，质地比较密实，容重大、压缩性和渗透 性均较小，无湿陷性或在高压强下具有较微湿陷性，是良好的地基持力层；早更新世黄 土( q 1 ) 地层较薄，为黄褐色，较之中更新世黄土更密实，强度大，压缩性小，无湿陷 性，透水性也小。不同地层时代黄土的物理力学性质的变化趋势如表3 1 ，由表可以看 出其性质随生成之早晚而表现出一定的规律性。 表3 1 不同地层时代黄土的物理力学性质 物理性质力学性质 地层时代 干重度空隙比压缩性 渗透性抗剪强度湿陷特征 q 。 小 大高强低强 珐 较小较大较高较强较低 较强 q 2 较大较小较低较弱较高弱 g 大小低弱 鬲无 从方位上看，无论高原或阶地，由西北向东南，黄土的重度、含水量和强度都是由 小变大，而渗透性，压缩性和湿陷性都是由大变小，颗粒组成也是由粗变细，粘粒含量 由少变多，易溶盐由多变少等情况【2 1 。 3 2 试验方案设计与准备 3 2 1 试验方案设计 为了研究振动和冲击作用在黄土中的传播规律，论文在参考公路土工试验规程 ( j t ge 4 0 2 0 0 7 ) 以及振动压路机性能试验方法g b t4 4 7 8 1 9 9 5 的基础上与导师协商 制定试验方案如下： 1 、试验所用黄土基本物理指标的测定：包括含水量试验、颗粒组成分析试验、界 限含水量试验、击实试验。试验方法严格按照公路土工试验规程( j t ge 4 0 2 0 0 7 ) 执 行； 2 、参考振动压路机性能试验方法g b t4 4 7 8 1 9 9 5 制定压实度变化规律试验。 在黄土含水量基本相同的情况下做对比试验，测量每一种工况的压实度，分析冲击振动 压路机在碾压黄土时的压实度变化规律； 3 、将压力传感器分层掩埋在黄土内，采集不同工况下压力传感器压力信号的时域 曲线，对其进行处理分别得到频域和功率谱曲线，同时测量在不同压实工况条件下黄土 内压应力的大小，分析压应力在黄土中的分布规律和传递规律。 考虑冲击振动复合压路机模型结构的特殊性，压力传感器的掩埋需做特殊考虑，具 1 4 长安人学硕士学位论立 体布置如图3 1 所示，压力传感器按深度方向三层，长度方向三断面埋入。深度方向距 表面深度分别为5 c m 、1 5 c m 和2 5 c m ，用来测量不同深度压应力大小，长度方向的距离 分别为8 1 4 m m 和1 6 5 8 m m ，用来测量压实的不均匀性。 上 中 下 图3 1 压力传蓐器布置图 图3 l 中： 尉：三d 十三一月d = 三z 5 0 0 + ! 上z 5 0 0 = 8 1 4 m m 231 823l8 s 2 ：s 1 + ! ，出+ 三一z d = 土5 0 0 + 兰x l 5 0 0 = 1 6 5 8 m m 231 8231 8 式中：d 冲击压实滚轮的直径，d = 5 0 0 m m ； 去”d 冲击块的冲击间隔。 322 试验准备 压实试验装置为前面介绍的冲击振动复台压路机模型。试验地点选择在长安大学 ： 程机械学院动力学试验中心大土槽内，土槽长1 0 8o m 、宽7 5 m 、深25 m ，如图32 所 示。图33 为试验进行巾。 第三章冲dr 振动复古压路目l 模型对黄土的j 赏试验研究 1 、设备参数 碾轮：直径d = 5 0 0 ，删；轮宽口= 5 0 0 m m ；质量22 2 9 9 培 整机质量：盯25 7 5 置g 2 、试验条件 压路机碾压速度对材料所能达到的密实度有明显的影响。一般来说，碾压速度在一 定范围内与压实效果成反比碾压速度过快，压变度变差，同时传递到被压材料的能量 与碾压速度也成反比，在相同的碾j 乇遍数的情况下，碾压速度越高，所得的压实度越小， 为了达到相同的压实度，碾压速度越高，所需的碾压遍数就越多。所以应选择一个合适 的碾压速度进行试验才能获得比较好的效果。 试验在参考规范及有关资料的基础上初定的试验条件为：行驶速度v = l5 枷伯，匀 速前进，试验段长度为= 1 0 卅。试验开始前，首先由人工将土槽内黄上翻松4 0 0 m m ( 即 松铺厚度为4 0 0 m m ) ，并逐步洒水至击实试验测得最佳含水量上下一个百分点以内闷透 埋入动态应变式压力传感器。 3 、信号采集 信号聚集的主要仪器有d e w e 2 0 1 0 数字信号采集仪( 如图34 ) 、动态应变式压力 传感器( 如图35 ) 和一些辅助仪器。d e w e 2 0 1 0 数字信号采集仪需在动态应变式压力 传感器标定结束后，根据标定结果做必要设置，以符合试验要求。 圈 4d e w e 2 0 1 0 数字信号采集仪 3 23 压力传感器标定 压力传感器在使用之前必须先进行标定，确定每个电荷或微应变对应的压力值，同 时按标定数据对d e 呦1 0 数字信号采集仪进行相关设置以使试验数据准确。 压力传感器标定试验仪器：y u 6 0 a 型活塞式压力计和d 1 0 1 1 lt r i n m e t e r i t c 3 1 k ，如图3 6 所示。 长虫大学颤学位论文 圉i 6 标定仪器 标定步骤： 1