（机械设计及理论专业论文）双频振动压实作业参数的试验研究.pdf

l , f s s s _ b 3 摘要 本文首先以振动压路机为重点，介绍了国内外压实机械的概况和发展方向，结合我国 国情，论证了开发具有自己知识产权的小型压实机械产品的必要性。在过去6 年多的科研 努力基础上，本文对原有双频振动压路机进行了技术上和结构上的改造，并采用特殊结构 设计了振动前轮，以实现冲击压实。最后，通过大量的对比性试验，确定了双频振动压路 机两频率的取值范围，对双频振动压路机两频率比、对应振幅比和两频率相位差等参数对 压实效果的影响作了一定的分析工作，也验证了采用特殊结构设计的振动前轮能够实现冲 击压实，而且效果很好。最后依据试验，给出了双频振动压路机的力学模型。 关键词双频振动 对比试验 冲击 压实效果 卜 压路机 信号处理 a b s t r a c t t h eg e n e r a ls i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to fr o a dr o l l e r , e s p e c i a l l yv i b r a t i n gr o a dr o l l e r , a t h o m ea n da b r o a di s g i v e na tt h eb e g i n n i n go f t h i st h e s i s , t h i n k i n ga b o u tt h es i t u a t i o no fo u r c o u n t r y , d e m o n s t r a t i n gt h en e c e s s a r yt h a tw o r k i n go v e rt h es m a l lp m s s m gm a c h i n e r yp r o d u c t b e i n gt a k e n 、i t l lt h eo w nk n o w l e d g ep r o p e r t yr i g h t b a s i n go nt h ep a s ts i xy e a r s s c i e n t i f i c r e s e a r c h ，t h i st h e s i sr c c o n s t r u e t st h ep a s td o u b l ef r e q u e n c yv i b r a t i n gr o a dm i l e ro nt h et e c h n i q u e a n ds t r u c t u r e 。a n dd e s i g n st h ev i b m t i n gf r o n tw h e e l t h r o u g ha d o p t i n ge s p e c i a ls n u c t i i r et or e a l i z e i m p a c t i o np r e s s i n g a tl a s t , t h r o u g ht h ea b u n d a n tc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t , a s c e r t a i n i n gt h e d o u b l ef r e q u e n c y sb o u n do ft h ed o u b l ev i b r a t i n gr o a dr o l l e r , a n dm a k i n gs o m ea n a l y s i sa b o u t t h ee f f e c t s ，o ft h ep a r a m e t e r sl i k er a t i oo fd o u b l ef r e q u e n c y , s w i n ga n d a n g l ed i f f e r e n c ee t c ，o n c o m p a c t i o ne f f e c t v a l i d a t i n gt h a tt h ev i b r a t i n gf r o n tw h e e lc a nr e a l i z ei m p a e t i o np r e s s i n ga n d t h e c o m p a c t i o n e f f e c ti s g o o d a tl a s t , o f f e r i n g t h em e c h a n i c sm o d e l b a s i n g o nt h e e x p e r i m e n t a t i o n k e yw o r d s ：d o u b l ef r e q u e n c yv i b r a t i n gp m s s m g i m p a c t c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n tc o m p a c t i o ne f f e c t i i r o a dr o l l e r s i g n a ld i s p o s a l 1 1 1 简介 第1 章综述 1 1压实技术 压实是通过施力n # l - 力提高被压实材料压实度的过程。压实过程是向被压材料加载，克 服松散多相材料中固体颗粒间的摩擦力、粘聚力，排除固体颗粒间的空气和水分，使各颗 粒间发生位移而互相靠近。铺筑的材料经压实后，压实度增加。压实度用单位体积质量来 表征。 土工材料的压实是一个物理力学的综合作用过程，与其它土方机械的作业理论相比要 复杂得多。这不仅是因为被碾压材料的结构成份和物理力学性能随机性很大，还因为压实 作业不仅要有生产效率指标，而且要有压实质量指标。 一般说来，压实机械的生产效率和压实质量是一对矛盾体，而影响机械生产效率和压 实质量的是各种技术参数的匹配以及适宜的压实施力方法的选择；理论研究的任务在于， 根据工况条件如何使这些技术参数达到最佳组合和创造新的压实施力方法。 压实机械对土壤施加能量的大小及方法，对压实效果影响很大。现代压实技术所采用 的压实方法可归纳为静压、揉搓、振动、捣实和冲击五种形态，可简化为图1 1 所示的 旌力原理。与之相对应，出现了静碾压路机、轮胎压路机、振动压路机、捣实压路机与冲 击压路机五种作业原理的压路机。以及振动夯、冲击夯、蛙式夯等夯实机械。 i 厂_ 斧q 情口 静压 1 1 2 振动压实技术 揉搓振动捣实冲击 圈1 - - 1 土壤压实的麓力方法 如果说早期的压实技术从仿生学( 畜群踩踏) 开始，到发现轮胎的柔性压实作用是偶 发事件，那么振动压实技术和减振理论的应用就完全是经人类不懈努力而取得的成果了。 牛顿力学为压实机械与施工对象相互作用的研究提供了条件，现代动力学则为机械振动的 应用和避振奠定了理论基础。 无论是剐性轮压实还是轮胎压实，其静压力载荷对铺层材料的影响深度都是很有限 的。振动技术在压实工程中的应用，使得压实理论和压实机械产生了一次质的飞跃。振动 压路机发出的振动波可持续地向较深的纵深方向或水平方向扩散和传播。 目前，振动技术已被广泛应用到压实作业中，但其基础理论的研究尚有不同的学术流 派，常见的压实理论有土壤共振学说、反复荷载学说、内摩擦减少学说和交变剪应力学说。 无论利用哪一种学说来研究振动压实机理，从物理学原理上都能说明一定的问题，但又都 有局限性。这就导致了振动压实技术的许多关键问题，不得不通过试验去寻求答案，同时 也说明振动压实理论的研究还有很大的发展空间。 现代压实技术和压实机械的发展愈来愈多地依靠理论上的新突破，并成为创造全新压 实过程的理论支撑。压实理论的研究呈现出了浓厚的综合性特点，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。 上世纪末利用这种综合研究，创新研制出的振荡压路机和垂振式振动压路机都已进入了实 用阶段，一种产生非简谐振动的混沌振动压实方法也正处在试验阶段，并在某些特定的压 实作业中得到了很好的应用。例如振荡压路机有可能成为压实沥青面层和r c c 混凝士路面 的主要机种，垂振压路机能适应铺层l 1 5 m 碾压混凝土大坝的压实旌工。 这种综合研究的另一个特点是更加注重多种压实施力方法的综合利用，即通过静压、 揉搓、振动、捣实和冲击多种方法的联合作用来强化压实过程。冲击式压路机的问世就是 一个很好的例子，它使用的是多边形滚，而非传统的圆柱滚轮，具有3 5 个边的碾滚由 牵引车拖行，以每秒2 3 次顺序地对地面产生冲击。这种剧烈冲击具有地震波的传播特 性，其压实深度随碾压遍数而递增，影响深度可达5 m 。冲击压路机具有冲击、振动、捣实 和揉搓的综合作用，适合大型填方、塌陷性土壤和干砂填筑工程的压实。 1 2 振动压路机 压实作为强化工程结构物基础、堤坝及路面铺装层等的主要手段，早已为工程建设专 家们所熟知和应用。采用压实机械进行有效地压实，能显著地改善基础填方和路面结构层 的强度和刚度，提高其抗渗透能力和气候稳定性，在大多数情况下可以消除沉陷，从而提 高了工程的承载能力和使用寿命，并且大大减少了工程维修费用。 相对而言，振动压实机械有结构紧凑、耗材少和生产效率高等优点；而从压实效果来 看，利用振动压实使介质经压实后具有压实度高、承载能力强和防渗透性好等优点。因此， 在压实机械家族中，振动压路机占据了绝对的主导地位：目前在国际市场上振动压路机已 占到压路机总量的7 0 8 0 。 2 1 2 1 振动压路机的发展历史 压路机作为压实机械中最主要的机种经历了漫长的发展过程。最先出现的压路机是光 轮压路机和羊角碾压路机，这可以追溯到1 8 世纪制造的畜力牵引式光轮碾和羊角碾。至 于用圆石制成的石碾则在中国可以追溯到更为古老的年代。第一台蒸汽驱动的压路机出现 在1 9 世纪中叶，第一台内燃机驱动的压路机则诞生在2 0 世纪初期，随后出现的是轮胎压 路机。 这些类型的压路机都是静作用式的。为了增加压实效果，在相当长的时间内主要依靠 增加压路机的质量来实现，最大的轮胎压路机曾经重达近2 0 0 0 k n 。在2 0 世纪4 0 5 0 年代， 质量为5 0 7 0 t 的轮胎压路机曾广泛应用在飞机场、道路和堤坝等大型工程建设旌工中。 振动压实技术和振动压路机械的出现是压实机械发展史上一次划时代的革命，从此压 实效果的增长不再是简单地依赖于质量或静线压力的增大。 世界第一台拖式振动压路机出现在2 0 世纪4 0 年代，但真正大量投放市场是在5 0 年 代初期。最初出现的振动压路机吨位较小，主要用于压实砂石粒料，且品种较少，整体性 能较差。 随着振动压实理论研究的深入、减振材料和振动轴承的制造技术日臻完善、机器结构 的日趋紧凑合理，振动压路机在6 0 年代迅速地占领了世界压实机械市场，其机型也从小 型向中、大吨位的方向发展，同时在品种上也呈现多样性，如拖式振动、单轮振动、双轮 振动、组合振动、手扶振动及羊角式和凸块式的振动压路机等多种品种，其应用范围也扩 大到了粘性土壤及沥青混凝土压实，以及深层的和薄层的、宽阔地段的和狭窄地段的等几 乎所有的压实工作。到了7 0 年代初，振动压路机在世界压路机市场的销售总量中已占到 6 0 以上的份额，现在已突破了7 0 ，成了压实机械制造厂商的主导产品。 随着液压控制技术在振动压路机上的应用，使振动参数的调节成为可能。在2 0 世纪 7 0 年代末期出现了调频、调幅式的振动压路机，为压实工作参数的优化调节奠定了基础。 2 0 世纪8 0 9 0 年代是压实技术和压实机械蓬勃发展的时期。对新的压实技术和方法 的探索，出现了许多新的技术构想，其中尤以振荡压实技术和冲击压实技术最为成功。相 应于这两种技术的产品( 振荡压路机和非圆滚轮压路机) 在经过8 0 年代中期的模型和原 型试验阶段后，现在已经向市场提供系列产品。 步入2 0 世纪末期以来，电子技术和计算机的应用给压实机械带来了一场控制革命。 德国宝马( b o m a g ) 公司首创自动调幅压实系统。这种智能系统能根据被碾压物料密实度 的变化自动选择适宜的振幅，优化激振力的输出，从而消除材料出现压实不足或过压实现 象，提高了压实的均匀程度，避免了振动轮跳振引起的骨料破碎和机器损伤。 1 2 2 国内振动压路机发展现状 1 9 6 1 年原西安公路学院与西安筑路机械厂联合开发了3 t 自行式振动压路机，是我国 自行开发设计振动压实机械的起点。1 9 6 4 年洛阳建筑机械厂研制出4 5 t 振动压路机。1 9 7 4 年洛阳建筑机械厂与长沙建筑机械研究所合作开发了l o t 轮胎驱动振动压路机和1 4 t 拖式 振动压路机。进入8 0 年代，我国开始引进国外先进的压路机制造技术。1 9 8 3 年洛阳建筑 机械厂引进了美国h r t s e r 公司的技术，合作生产6 t 铰接式振动压路机。1 9 8 4 年徐州工程 机械厂引进瑞典戴纳帕克( d y n a p a c ) 公司的c a 2 5 轮胎驱动振动压路机和c c 2 1 型串联式 振动压路机技术。1 9 8 5 年温州冶金机械厂研制了1 9 t 振动压路机。1 9 8 7 年洛阳建筑机械 厂引进了德国宝马( b o m a g ) 公司b w 2 1 7 0 d 和b w 2 1 7 a d 振动压路机技术。江麓机械厂引进 了德国凯斯伟博麦士( c a s e - - v i b r o m a x ) 公司的w 1 1 0 2 系列振动压路机技术。1 9 9 9 年三一 重工集团引进了国外先进技术，开发研制了y z 系列振动压路机，该系列机型为全液压控 制、双轮驱动。 2 0 世纪8 0 年代后期，随着我国基础工业元件的发展，特别是液压泵、液压马达、振 动轮用轴承、橡胶减振器的引进生产，使振动压路机技术的总体水平和可靠性有了很大的 提高。在基础元件的支持下，振动压路机引进技术的消化吸收，国内大专院校和科研院所 的科研攻关，使我国自行开发和研制振动压路机的能力有了较大提高。1 9 9 8 年中国农业大 学开发研制的混沌( c h a o s ) 振动压路机，1 9 9 0 年原西安公路交通大学与徐州工程机械厂 共同开发的l o t 振荡压路机，都标志着我国振动压路机科研和产品开发达到了新的水平。 目前，我国有7 0 多家工程机械厂商生产振动压路机，初步具备了手扶系列、拖式系列、 自行系列等系列产品的生产能力，基本满足国内需要，并有一定的出口。 由于我国振动压路机起步较晚，整体水平与国外先进水平相比仍有较大差距，主要表 现在：产品的自主开发能力差，模仿设计现象严重，产品可靠性差；产品型号系列不全； 重型和超重型振动压路机数量和品种仍然较少；专用压实设备缺乏；综合技术经济指标和 自动控制方面仍低于国外先进水平。 1 2 3 振动压路机的发展趋势 毋庸置疑，未来的压实机械市场理应继续以振动压路机为主导，而适当保持轮胎压路 机和静碾光轮压路机的市场份额，并得有一定量全新技术产品问世( 例如真空压路机) 。 因此，振动压路机的发展决定了压实机械行业的前途命运。 纵观压实机械走过的历程，我们不难预测未来振动压路机技术的发展趋势。 1 高科技 工程机械在工程建设中代替人的体力劳动，但是还未能解决好人的体力和生理负担问 题，更不用说解脱人的精神和心理负担了。现代技术给机械赋予其灵性，使之成为智能型 机械，进而实现机器人化。有了灵性的工程机械应该是有思维头脑( 微电脑) 、感应器官 ( 传感器) 、神经网络( 光电传输) 、五脏六腑( 动力与传动) 及手足骨骼( 工作机构与行 走装置) 的机电液信一体化系统。 新的技术革命( 控制革命) 和现代高科技将推动振动压实机械向着自动化、智能化和 机器人化的方向推进。在压实过程和机器工作状态实时检测的基础上，压实机械将从局部 自动化过渡到全面自动化，并向着远距离遥控和无人化的方向发展。 压实机械智能化可以预测的目标是：将自适应和自学习技术引入控制之中，并在此基 础上实现压实作业的最优控制。机器可以按照土质的变化不断调整自身的各项工作参数 ( 振动频率、振幅、碾压速度和遍数等) 的组合，自动适应外部或内部工作状态的变化， 使压实作业始终在最优状态。 人工智能的应用必将加速压实机械的现代化进程，使其逐步接近智能化作业机器人的 目标。和其他路面机械相比较，由于压实作业过程的影响因素较少，所以，智能压路机有 可能成为工程机械智能化过程中最早推出的机种。 2 满意型 所谓“满意型”产品，主要是为了区别以往的( 标准型) 产品，标准型是制造的产品 只要符合有关企业的、行业的、国家的乃至国际通用的技术标准，就是一个合格产品。至 于是否满足用户的使用要求，就只能放在次要位置。“满意型”产品不仅要符合各级技术 标准，而且要从技术性能、工作可靠性、外观造型、使用习惯直到可以承受的造价等各个 角度达到完全满足用户各种不同的需求，使用户真的满意了才算合格产品。压实机械的作 业工况复杂多变，这就要求设计者和技术服务人员必须通晓工程承包商的施工方法和作业 工况，并了解其发展趋势，能在一个通用的“基型”产品基础上派生出若干个性化产品， 形成一个由“基型系列”和“变型系列”组成的产品族群，这就是一个“满意型”。 “满意型”产品的另一个概念是满足特种工况的专用设备，如适应于深填方压实、薄 层压实、斜坡压实、沟槽压实、路肩压实等具有特殊功能的压实机械，还有适应于高原气 候的、适用于沙漠松散土壤的、适用于狭小工区的压实机械以及能根据用户承受能力选用 不同配置方案的多价位产品等。 3 配置国际化 在压实机械的各大跨国公司中，一个明显的趋势是制造商集中力量进行设备组装。在 北美和欧洲，没有一家公司能单独地依靠自身力量发展高、精、尖产品。公司不再制造零 部件，这使得制造商与零部件供应商紧密合作，共同提高产品质量和降低产品成本。 4 舒适化 这些年，国外各大压实机械制造公司都投入了人力和资金进行安全舒适性研究和改 进，做到产品研发“以人为本”，强调保护驾驶员、保护环境。有的国家还对振动、噪声、 废气排放和防滚翻制定了新的技术标准。 驾驶舒适化是对驾驶员的劳动保护，是为了改善他们的劳动条件、减轻疲劳强度和保 障身体健康服务的。现在越来越多的压实机械采用了工业设计方法，提高产品的舒适性、 操作方便性和外形美观性等要求。 现在有的压路机上还设置了全密封驾驶室，在室内安装了空调器，甚至进行了防紫外 线辐射和防沙尘处理。 1 2 4 启示 在未来相当长的一段时间里，我国公路建设将在扩大内需的积极的财政政策和西部大 开发战略两项重大国策的刺激下继续快速发展。压实机械的国内市场前景一片大好。随着 我国加入y f f o 和全球经济一体化，中国市场进一步对外开放和进一步融入国际市场必不可 免。我们怎样去和技术实力强大的国外大公司竞争? 学习和引进国外先进技术固然是一个 重要方面。要想在国际市场占有一席之地，我们必须做到以下几点： 1 首先是要加强压实过程的理论研究，去发现和验证新的压实旌力方法，例如复合 振动、混沌振动和真空压实等，甚至创造出更具优越性的全新压实理论。 2 我们开发人员要不畏劳苦，深入到工地用户中去，掌握新工艺、新材料的施工方 法。要努力跟踪新的技术革命，实现高新技术在压实机械上的应用，适时地对产品进行更 新换代，推动压实机械的智能化发展进程。 3 开发应用计算机仿真、模块化设计、柔性化制造和虚拟化装配等新技术，制造出 “满意型”新产品。 4 利用工业设计技术，研究压实机械的市场需求与发展潮流，使机器功能与人机工 程紧密结合，产品技术性能与外观造型溶成一体，实现功能成本与销售价格的相互协调。 1 3 课题提出及其研究意义 公路建设中，道路养护是一项重要的工程任务，是保证道路畅通、提高道路使用寿命 的关键环节之一。对道路小面积损坏的及时修补，并保证其质量是防止大面积损坏、降低 维修费用的重要措施，而对于道路小面积作业，常规的人力方法费时费力，又往往不能保 证质量；使用大型设备，投资大又无法发挥其效益，造成浪费。加速研究开发有效、机动 灵活的道路维修设备将对全国工业和道路维修现代化起到促进作用。到2 0 0 1 年底全国公 路通车里程已达1 6 9 8 万公里，其中高速公路1 9 4 5 万公里。仅从需求量分析，如按每5 0 公里道路配备一台小型压实设备计算，全国就需近3 4 万台( 这里还不包括城市道路的需 求) 。 建筑业作为工业化国家的三大支柱产业之一，在我国改革开放以来取得了巨大的发 展，近年来城乡建设规模宏大，各种住宅楼、商品房、工业基础设施、水利工程、市政工 程等遍布全国。建筑业的发展也带动了建筑机械的同步发展，各类土壤压实机械的需求量 猛增。当然，随着工程质量要求的不断提高，对压实机械技术性能也提出了更高的要求， 但因国内土壤压实技术与小型压实设备一直比较落后，建筑单位仍在大量使用蛙式打夯 机。 蛙夯为2 0 世纪6 0 年代技术，从理论上分析它只能对土壤施加冲击力，振动波传递缺 乏连续性，又因其不具备足够能量、它与土壤间为面接触，导致压实效果差、影响深度浅。 另外，蛙夯还存在噪声大、耗能高、整体效率低下、无法夯实碎石基础等诸多缺点。由于 使用蛙夯达不到土壤压实标准，导致工程质量事故时有发生，在国际上，即使最落后的国 家也没有使用蛙夯的。为此机电部早在1 9 8 6 年起草了淘汰蛙夯的有关文件，苦于没有性 能先进、可靠的替代产品，致使蛙夯至今仍广泛应用。在西部大开发建设中，政府己彻底 将蛙式夯在采购文件中删除。 与蛙式打夯机相比较，振动平板夯和振动冲击夯是较先进的压实机械，国外己大量使 用，很多国外厂商也在我国设置了销售代理机构，占领我国市场。但由于平板夯振动频率 高、振幅小，其与被压材料的接触为一平面，被压材料承受的单位载荷比较低，压实影响 深度浅，因此仅仅适用于砂砾基层和沥青路面，而无法满足土壤压实的要求。冲击夯则存 在压实连续性差、效率过低等问题。还有不容忽视的一点：这些国外产品价格都很昂贵， 它们相对另外一种有较理想压实效果的小型轮式压路机产品更是如此。 市场呼唤一种技术更先进、适用性更强、压实效果更好、效率更高的小型压实机械产 品。 因此，我们提出了研发小型多频振动压实机这一课题。该压实机具有如下几个特点： 1 采用了新的压实技术多频振动压实技术。 2 由于小型压实机不具备足够的能量，所以应用传统的产品，即使是国际名牌，也 对压实粘性土很困难。而本压实机因设计了特殊结构，故能在较小能量驱动下就可以实现 冲击压实，具各了压实粘土的能力。 3 结构紧凑、外观新颖、压实效果好、性价比高。 4 完全具有自主知识产权。 这种新产品具有很好的发展前景和良好的经济效益与社会效益。 1 4 本文主要内容和研究方法 为适应压实材料的多样性及材料在压实过程中物理一力学性能的不断变化，人们已采 用了双频双幅的变频变幅振动压实技术，以便在不同的压实场合变换振动频率及振幅。但 由于被压实材料的颗粒大小和组成不同，即使在压实过程中变换振动频率及振幅，采用单 频振动也很难使压实材料达到共振压实的预想效果。为了强化压实过程，可以采用多频振 动压实技术。多频振动是由两个或两个以上的简谐振动复合而成的。 另外，粘性土压实仍是一个世界性难题，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，有必要设计一种新的机构来解 决粘性土压实问题，这种机构既能实现冲击压实，又能避免冲击夯和冲击式压路机存在的 问题。 基于以上两点分析，同时考虑小型压实机械市场前景看好，本文制定如下研究任务j 1 探讨新的压实理论和方法，做到技术创新。本文将继续完成双频振动压实理论的试 验验证工作；另外，本文设计了模仿多边形滚轮的冲击压实轮，通过试验对其效果进行验 证、评价。 2 设计、制造试验样机。该样机在满足试验需要的基础上，采用工业设计的方法而力 求结构紧凑、外观新颖、易于试验过程中进行动力学参数的调节。在样机设计完成之后， 采用p t c 公司的p r o e 软件进行了装配检验，以避免制造过程中有不必要的浪费。 3 开展试验工作，测试样机的各项性能。对频率大小、频率个数、振幅、双频振动中 两频率的相位角之差和各个频率下激振力的比例等几个对压实度有重要影响的参数进行 试验比较，确定了这几个参数与压实度的关系及其规律。 4 以试验结果为依据。对其压实机理进行探讨，建立样机滚轮一士壤相互作用的动力 学模型。 5 本文最终目的是提出新的压实理论；设计制造出具有我国独立知识产权的小型压实 设备，该设备能适应不同土壤介质压实的需要；为解决粘性土压实难题提供一个较好方案。 第2 章压实介质与振动压实机理 在研究、设计和开发压实机具时，压实机具的作用对象压实介质是设计者必须考 虑到的一个关键因素。本文所设计的压路机主要用于基层压实，故这里的压实介质主要指 土壤，路面材料此处不作讨论。 另外，本文所设计开发的压路机应用了振动压实理论，因此，对振动压实机理这里也 作一些简单介绍。 2 1 土的物理性质 土是由颗粒( 固相) 、水( 液相) 和气( 气相) 所组成的三相体系。土的三相组成物 质的性质、相对含量以及土的结构构造等因素在土的诸多物理性质上有不同的反映。而土 的物理性质又一定程度上决定了土的力学性质，所以物理性质是土的最基本的工程特性。 2 1 1 颗粒级配累计曲线 土粒大小是影响土的性质最主要的因素。土的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相 应地发生变化。土粒的大小称为粒度，通常以粒径表示。界于一定粒度范围内的土粒，称 为粒组。一般土粒粒组按国标土的分类标准( g b j l 4 5 - - 9 0 ) 嘲划分。 土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量( 土样各粒组质量占土粒 总质量的百分数) 来表示，称为土的颗粒级配。颗粒级配累计曲线是一种较全面、直观反 映颗粒级配的通用方法。累计曲线法的横坐标为粒径( 采用对数坐标) ；纵坐标为小于( 或 大于) 某粒径累计百分含量。累计曲线的坡度可大致反映土粒的均匀程度或级配是否良好： 曲线较陡，土粒较均匀，级配不良：曲线平缓，土粒不均匀，级配良好。 土粒粒径( _ ) 围2 1 某种土的黑杖级配曩计曲线 i)札栅刊害犁霉水扣k 。 蚰 印 舯 图2 1 给出某种土的颗粒级配累计曲线。其中，c u 和c c 分别是不均匀系数和曲率系 数，是评判土的级配好坏的两项主要指标，一般级配良好的土应有c 5 和c o = 1 3 ；d 6 0 、 d 3 0 及d l o 分别相当于小于某粒径土重累计百分含量为6 0 、3 0 及1 0 对应的粒径，分 别称为限制粒径，中值粒径和有效粒径。 对于级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，这一连锁充填效应，使 得其较容易被压实，且被压实后的土体强度和稳定性较好，透水性和压缩性也较小，因此 级配良好的土应是土木工程中优先选用的填方用土。 2 1 2 土的物理特性指标 依据图2 2 ，给出如下几个特性指标的定义。 2 - - 2 土壤的三捃田 含水量国：土中水的质量m 。占固体颗粒质量m | 的百分数，即 ：生1 0 0 ( 2 1 ) 册j 湿密度，：单位体积土的质量，即 ，：旦：旦坠 ( 2 2 ) vv 干密度，。： 单位体积固体颗粒的质量，即 ，。：盟：l ( 2 3 ) “ y1 + 0 o l t o 一 最佳含水量： 对于某种级配土，按规定击实试验法得到的干密度和含水量关系曲 线( 简称击实曲线，形如驼峰，可参见第五章图5 - - 3 ) 中，对应最大干密度的含水量称为 该种土的最佳含水量。 压实度占：土经压实后的干密度与该土的标准干密度( 通常即为最大干密度) 之比， 常用百分数表示。如记实际干密度为，接舅，标准干密度为儿。，则 j ：! 堡型1 0 0 ( 2 - - 4 ) y d 螂幔 孔隙比g ：土中孔隙的体积与固体颗粒的体积之比，即 p ：生：盟( 2 5 ) kk 一般e 1 0 的土是疏松的高压缩性土。 孔隙率一：土的孔隙率是土中孔隙所占体积与总体积之比，以百分数计，即： 月= 上1 0 0 ( 2 - - 6 ) v 饱和度s ：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比，以百分数计，即： 沪争x l o o ( 2 - 7 ) 当s r = 1 0 0 时，土为饱和土。 2 1 3 土壤的压实性 1 土壤压实的变形过程 土壤的压实变形是与土的压缩性能密切相关的。在压实过程中，土颗粒产生运动，相 互靠近，让小颗粒嵌入大颗粒的空隙中，强迫排除颗粒间的空气和水分，从而增加单位体 积内土壤颗粒的数量，使土壤具有压缩性。 土处于松散状态时压缩性好，外力很容易让其产生塑性变形。随着外力作用时间的推 移，土变得越来越密实，土体的弹性也越来越明显，一定时限后，该外力作用便只能使土 产生弹性变形而无法再让土产生塑性变形了，亦即无法进一步使土密实。 2 影响土壤压实性的主要因素 含水量 在对土壤进行压实作用时，外力功需要克服土颗粒间的内摩擦阻力和粘聚力，才能使 土颗粒产生位移并相互靠近。土的内摩擦阻力和粘聚力是随着压实度增加而增加的。土的 含水量小时，土颗粒问的内摩擦阻力大，压实到一定程度后，某一外力功已不能再克服土 的阻抗力，压实所得的干密度小。当土的含水量逐渐增加时，水在土颗粒间的润滑作用加 强，土的内摩擦阻力减小，这时同样的外力功便可以得到较大的干密度。但在含水量增加 的这个过程中，单位土体中空气的体积却在逐渐减小，伴随着土的含水量继续增加到一定 限度后，单位体积内空气的体积将减到最小限度，虽然此时土的内摩擦阻力还在减小，但 由于水的体积不断的增加，而水又是不可压缩的，因此在同样的压实功下，土的干密度反 而呈现减小趋势。土的干密度与含水量的这样一种紧密关系，就形成了驼峰形干密度 含水量曲线。 土类及级配 在相同击实功能条件下，不同土类及级配的压实性也是不一样的。一般情况，含粗颗 粒越多的土样其最大干密度越大，最佳含水量越小，即随着粗颗粒土增多，击实曲线形态 不变但朝左上方移动。 在同一土类中，土的级配对它的压实性影响也很大，这一点前面已有论述。 击实功能的影响 对于同一种土，加大击实功能，能克服较大的颗粒间阻力，会使土的最大干密度增加， 最佳含水量减小。击实功能对土压实性的影响，在含水量较低时显著的反映在击实蓝线上。 本文在测定试验用土的最大干密度和最佳含水量时采用了重型击实试验法。 3 在动载荷作用下的力学特性 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，而需要了解动态的应力应变和强度特性。影响土的动力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，而且后者最重要。当土应变 在1 0 - 6 1 0 - 4 及以下的范围内时，土的变形特性才可认为是属于弹性性质。当应变幅值在 1 0 _ 4 1 0 _ 2 范围内时，土表现为弹塑性性质。当应变幅值超过1 0 _ 2 时，土将破坏或产生液 化、压密等现象。 试验研究表明，对于某种既定土样而言，当动应变幅值小于1 0 - 5 数量级时，土的弹性 模量e ，剪切模量g 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e 及剪切 模量g 还是建立机器一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 应力状态以及加荷速度、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，当反复作用1 0 0 次( 压实性粘土) 或5 0 次( 饱 和粘性土) 时，动强度已接近或低于静强度了，若作用次数再增加，则低于静强度。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。 在进行压实作业时，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，所以刚度也在增加，另外土的阻尼比也在减小。 2 2 振动压实机理 2 2 1 振动冲击波在土中的传播规律 振动压路机在作业时，由于振动轮的振动使其 对铺层作用一个往复冲击力，振动轮对铺层每冲击 一次，被压材料的颗粒中就产生一冲击波。同时， 这个冲击波在被压材料中沿着纵深和横向按一定 衰减规律进行扩散传播，见图2 3 。被压材料颗粒 之间的摩擦力也由初始的静摩擦状态进入到动摩 擦状态。可见，进行振动压实时，在被压材料中作 圈7 - - 3 攮动冲击波在土中的传播 用有内力和外力，内力包括颗粒间的粘聚力、摩擦力和粒料的重力：外力为振动轮产生的 冲击力和上层介质的重力。 2 2 2 振动压实机理 土在压实过程中，无论是静碾压实还是振动压实，只有当土中产生的剪切应力f 大于 土的抗剪强度f ，时，才能够使土颗粒重新排列，土体压密变实。要搞清楚振动压实机理， 就要探讨振动对土剪应力f 和抗剪强度f ，的影响。 1 振动对压实材料剪应力的影响 图2 4 是在土层下2 0 c m 处静、动压力( 由单频振动压实产生) 测试结果，土承受的压 力尸为静压力啃动压力只之和，即： p = 弓+ 乃 ( 2 8 ) 土体压力瑚最大值巴i 和最小值如为： = e + 旧。j ，= 弓一忆。j ( 2 - - 9 ) 振动压实过程中体承受的最大压力尸i r 大于静碾压过程中土体承受的压力厅，即振动 压实过程中土体承受的最大剪切应力大于静碾压实过程中土体承受的剪切应力，使得由振 动产生的剪应力f 大于土的抗剪强度f ，压实效果提高。 分析图2 4 还可知，级料在强迫振动时的位移近似地按正弦曲线规律进行，有利于材 料内部摩擦减小，剪切强度降低，阻力变小。依据共振学说，当激振频率与被压实材料的 固有频率一致时，振动压实最有效。然而，由于材料的固有频率是变化的，要求激振器的 频率作相应的变化是困难的，但是利用多个频率共同作用进行压实是比较容易的，即采用 不同频率和振幅的激振力来取代图2 4 中的动静压力。这样，一方面易使振动产生的剪切 应力f 大于土的抗剪强度f ， 被压材料，改善压实效果。 i 压力p 另一方面使激振器的激振频率具有更宽的频率范围，以适应 时间t a 小振幅测试结果b 大振幅测试结果 圈2 - 4 体深度2 0 c m 处的静、动态压力测试翁果 实际上，在图2 4 中所示的测试中，静态压力可以认为是在一定时间内的加载和卸载 过程。相对于动态加载过程，这个过程又可以视为一低频大振幅的激振力，因此在压实机 自重作用下的恒定压力的基础上，再采用不同频率和振幅的激振力产生合成振动，使得振 动压实冲击能量扩散和传递到更深的土壤，提高压实度。这个理论也是和振动压实的压力 波波动学说相一致的。 2 振动对不同压实材料抗剪强度f ，的影响 振动压实对土体中剪切应力的影响与被压实土的种类无关，但是土体抗剪强度却与土 的种类有着密切的联系。 土的抗剪强度f ，可由库仑定律表示为： f，=c+o增伊(2-10) 式中：c 土的粘聚力，p a ； 盯土的法向应力，p a ： 伊土的内摩擦角，r a d 。 粘土结构为聚粒结构或絮凝结构，粘土颗粒细小，颗粒的矿物成分、颗粒的结构型式 以及土一水系统的相互作用和胶结物质的存在，形成了复杂的物理化学现象。在压实过程 中形成的剪阻力主要是粘聚力c 。粘土的抗剪强度可以简化为： r ，= c ( 2 1 1 ) 砂土的结构是单粒结构，它的粘聚力很小或非常微弱，它在压实过程中形成的剪阻力 主要是土粒间的摩擦力，其抗剪强度可以简化为： - r = 孵9 ( 2 1 2 ) 土粒间摩擦力是由颗粒的滑动摩擦、咬合摩擦、颗粒破碎效应和重新排列效应所组成。 振动压实过程中的砂土的剪阻力主要是由颗粒问的滑动摩擦所引起。 滑动摩擦力是颗粒接触面粗糙不平形成的微细咬合作用。颗粒间距离的微弱增长，会 使微细咬合作用产生很大的衰减。如果振动能使颗粒质点间的距离产生微弱的增长，就会 使滑动摩擦力减小。振动压实过程中，振动轮下面的土体颗粒也随着振动。土体振动加速 度a 为： 口= 4 k2 厂2 a c o s ( 2 m + 口) ( 2 1 3 ) 式中：爿振幅，m ： 厂激振频率，h z ： 口振动频率的相位角，t a d ： ，时间，s 。 因此土颗粒的惯性力助： = 4 k 2 ，2 m t c o “2 妒+ 口) ( 2 - - 1 4 ) 式中：m 。土颗粒质量，k g 。 令e 为振动强度： e=4费lag(2-15) 则有： i = m icos(耐+口)(2-16) 由式( 2 1 6 ) 可以看出，土颗粒惯性力屿颗粒质量巩和振动强度p 成正比。当振动 强度e 较小时，或土颗粒质量m 。较小时，土颗粒的惯性力地较小，它将在自己原来的位 置振动。当振动强度e 和土颗粒质量足够大时，土颗粒的惯性力堤以克服周围其它土 颗粒粘聚力c 的作用，使土颗粒偏离自己原来的位置。具有良好级配的砂土，相邻土体颗 粒间的粒径大小不同，即它们的颗粒质量不同，因此相邻土颗粒在具有相同振动强度e 时， 它们具有的惯性力大小不同。这种差别必然会使颗粒质点问的距离发生微小的变化，对颗 粒间的微细咬合作用产生很大的衰减，导致内摩擦角伊的减小，即内摩擦力以鲫减小。 粘土的颗粒质量m 。与砂土颗粒质量相比要小得多，同时它的粘聚力c 很大。振动不容 易使土颗粒的惯性力，达到足以克服周围其 它土颗粒粘聚力c 的作用，因此振动对粘土 的滑动摩擦力影响很小，粘聚力c 是粘土抗 剪强度f ，的主要成分，振动对粘土抗剪强度 f ，影响可以忽略不计。 砂土土颗粒质量用。大，粘聚力c 小，振 动可以显著减小砂土的滑动摩擦，对砂土的 抗剪强度f ，影响很大，与颗粒均匀砂土相比 振动对级配良好的砂土抗剪强度f ，影响更 加显著。 压实效果 ( 压实度) ，、 振幅别 ， ? 振幅a ，。 02 55 0 振动频率( h z ) 朋2 - - 5 频率和攘卜压实效果关系田 7 0 3 振幅、激振频率对压实效果的影响 振动频率和振幅对压实效果有很大的影响。瑞典d y n a p a c 公司根据试验得到粘聚力不 大、颗粒间能有相对运动的土的压实效果与振动频率和振幅之间的关系曲线，见图2 - - 5 。 由图可见，与振动频率相比，振幅变化对压实效果的影响远比频率变化所带来的影响大。 当振动频率从2 5 h z 到5 0 h z 范围内变化时，振动压路机压实效果曲线呈平缓状态。说明在合 理的工作频率范围内，工作频率对压实效果影响不大。而在同一频率区段，当工作振幅从 爿增加到2 爿时，其压实效果曲线发生了跳跃性的变化，振幅增大，压实效果明显提高。正 常振动压实过程中，振动轮与土始终接触在一起。振动轮振幅的大小既反映了土体变形的 大小，也反映了土体动压力的大小。振幅越大，在土体中产生的动压力也越大，土体承受 的剪应力越大。由式 ( 2 1 5 ) 可知，当激振 频率一定时振幅越大 振动强度越大，越有 利于减小抗剪强度。 因此大振幅可以提高 压实效果。但是振幅 过大，振动压实过程 中振动轮会出现与地 面分离的现象，即“跳 振”现象。严重的“跳 p f = 0 3 一 厂w f ：a 、 箩 潼 4斟 矿 - 册 髟 ， 矽 ) 二 钐 培尹 、 振”现象会使振动压路机行驶失去方向性，同时 也会影响路面的平整度，这对压实是不利的。 乎 f 理论分析和试验结果都表明振动轮与土构成 a 的振动系统是弱非线性振动系统，近似按线性系 统计算。图2 - - 6 是针对砂土，振幅卿振动强度e 随激振频率国变化的函数曲线， 是振动阻尼。 试验表明增大振动强度e 会显著减小砂土的滑动 摩擦，但是当振动强度e 足够大时，进一步增加 振动强度e 对减小内摩擦力将失去作用，摩擦系 数留妒趋于常数，如m 2 - - 7 “”跚所示。对于砂土，。 当激振频率在主共振点附近时，由于振动强度e 较低，此时振动对减小砂土抗剪强度的作用较小， 。、 抗】懵度孽 t ( 抗剪翟i 度f - _ d 一一 | ? 摄m a 一、l一 _ _ ? 田2 8 磅抗翦量度r p 剪应力r 与囊率关系曲线 不利于提高压实效果，提高激振频率可以显著提高振动强度g ，减小土的抗剪强度，提高 振动压实效果。但过分增大激振频率国也是不利的。当振动强度达到一定程度后，土的抗 剪强度趋于常数，同时由于激振频率远离主共振点，振幅减小，使土的动压力( 即土体承 受的剪应力) 减小，降低了压实效果。图2 8 是一定深度土体的抗剪强度f ，和剪应力r 与 激振频率的函数关系。当振动频率在抗剪强度f ，和剪应力f 曲线交叉点o 的左侧时， 即振动频率低于交叉点o 所对应的频率国。时，振动产生的剪应力r 小于土的抗剪强度f ， 土体不能被压实。振动频率高于交叉点o 所对应的频率。时，土体才能被压实。上层厚 度越薄，剪应力曲线会平行向上移动，抗剪强度曲线会平行向下移动，两条曲线交点向左 侧移动，有利于压实：反之两条曲线交点向右侧移动，当土层厚度达到一定程度时两条曲 线将不能相交，则在此厚度上的土体不能被压实。 4 振动压路机工作速度对压实效果的影响 不管使用哪种形式或质量的压路机进行碾压，其工作速度对被压实介质所能达到的压 实度都有明显的影响。与静作用压路机相比，振动压路机的工作速度对压实效果的影响更 明显。工作速度影响振动轮在单位面积的压实作用时间。工作速度低时，单位面积内的振 动次数比工作速度高时要多，因而作用在被碾压材料上的能量多于后者。实际上传递到被 压材料层内的能量与工作速度成反比。假定使碾压材料层达到规定的压实度所需的压实能 量不变，则碾压速度加倍时，碾压次数大致也要加倍，因此确定工作速度及碾压遍数的基 本原则是：铺层厚度一定时，传递至被压材料内的能量与碾压遍数成正比，与压路机的速 度成反比，即当压路机的速度增加两倍时，碾压遍数也要增加两倍。 图2 - - 9 是在良好的级配砂土