（机械设计及理论专业论文）振动轮下土壤的动力响应仿真及试验研究.pdf

摘要 在公路施工过程中，由于人们对压实技术认识和掌握的不够，或工艺不合理等原 因，经常发生压实质量不符合要求而返工的现象，不仅造成施工企业严重的资金浪费 和工期延误，给工程施工造成一定的困难，而且由于路基路面压实不足常常导致路面 沉陷，产生裂纹、坑槽、车辙等各种早期破坏，直接影响公路的服务水平。人们通过 开发和研制新型的振动压实机具，改进施工工艺等措施来提高振动压路机的能量利用 率，提高路基的压实质量，所涉及的核心问题是振动轮与土壤的相互作用问题。因此， 将机械工程和土壤力学有机结合，深入研究振动轮与土壤的相互作用机理及作用方 式，了解振动轮下土壤的动力行为、振动轮的动态响应特性及地面振动传播规律，并 采取有效的应对措施，对提高我国的振动压路机设计水平和施工质量，营造文明的公 路施工环境，促进国民经济建设，具有十分重要的意义。 论文对级配土的强度特性及应力应变特性进行了直剪试验和动三轴试验，研究级 配土的粘聚力和内摩擦随土壤干密度、含水量的变化规律，发现级配土的粘聚力和内 摩擦角取对数后与土壤干密度、含水量具有较好的线性关系。振动荷载下，土壤的动 应力动应变关系受固结应力、干密度和含水量的影响较大，在低固结应力时，土壤 的动应力动应变近似呈线性关系。 建立了振动压实过程的三维有限元模型，在模型中考虑了振动轮与土壤相互作用 的非线性特性，研究了在不同振动频率、振幅及碾压速度下土壤的应力应变分布规律 及衰减特性以及对振动轮动态响应和振动轮接地性能的影响。结果表明，振幅和土壤 密实度是影响土壤应力分布规律的重要因素，增加振幅可以显著提高振动压路机的压 实能力和深度效应。随着压实遍数的增加，应适当提高碾压速度，提高压实效率。 建立了振动轮引起的地面振动模型，分析了振动波的时域特性、频域特性以及随 距离的衰减特性。结果表明，在振动波传播过程中，不同距离处的振幅发生了明显的 衰减，但基频与振动频率保持一致。振动波的振幅在近距离处衰减较快，较远处衰减 较慢，随距离的衰减规律符合负幂函数形式a = k ，一。 建立了隔振沟有限元模型。隔振沟是简单而有效的隔振措施之一，振动波经过隔 振沟后发生明显衰减，振动频率和隔振沟深度是影响衰减程度的重要因素。隔振沟越 深，隔振效果越明显；振动频率较高时，隔振效果较好。在设计时，应视现场被保护 对象类型及实测结果确定隔振沟深度，隔振沟应靠近振动压实带开挖。 为了验证模型的正确性，对宝马光轮压路机b w 2 1 9 d h 3 和拖碾y z t k l 8 施工时 产生的地面振动及隔振沟的隔振效果进行了现场测试与分析。结果表明，振动波的振 幅随距离发生了明显的衰减，基频与振动频率保持一致，振动波的衰减规律符合负幂 函数形式，隔振沟隔振效果明显，隔振沟深度为l m 时即可满足当地公路安全施工要 求，安全施工距离从隔振前的1 2 m 减少到7 m 。 关键词：振动压路机；振动轮一土壤模型；振动压实；地面振动；振动衰减；隔振沟； 级配土；有限元 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ec o m p a c t i o nq u a l i t yc o u l d n tm a k et h es t a n d a r dd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n o f r o a db e c a u s eo ft h el a c ko fc o m p a c t i o nt e c h n i q u e ，t h eu n r e a s o n a b l ec o m p a c t i o np r o c e s s a n ds oo n a c c o r d i n g l y , t h el a r g eq u a n t i t yo ff u n dw a sw a s t e da n dt h et i m el i m i tw a s d e l a y e d i nt h em e a n t i m e ，s o m ed a m a g e so ft h er o a dw o u l db eh a p p e n e d ，s u c ha st h e s i n k a g eo ft h ep a v e m e n t ，t h ec r a c k s ，t h ep o t h o l e s ，t h er u t t i n gd a m a g e ，b e c a u s et h e c o m p a c t i o nq u a l i t yo ft h er o a d b e dw a sb a d s o m en e w l ye q u i p m e n t so rc o n s t r u c t i o n p r o c e s sw a sc r e a t e do ri m p r o v e di no r d e rt oi m p r o v et h eu s a g eo fv i b r a t i n ge n e r g ya n dt h e c o m p a c t i o nq u a l i t yo fr o a d b e d t h ek e yp r o b l e mw a st os t u d yt h ed y n a m i ci n t e r a c t i o n b e t w e e nv i b r a t o r yd r u ma n ds o i l c o n s e q u e n t l y , i ts h o u l db ev e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h e i n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nv i b r a t o r yd r u ma n ds o i l ，t h ed y n a m i c sb e h a v i o ro fs o i la n d t h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co fv i b r a t o r yd r u m ，a n df i n do u tt h es p r e a dr u l eo fg r o u n d v i b r a t i o ni n d u c e db yv i b r a t o r yr o l l e rc l e a r l yt or e d u c et h ee n v i r o n m e n tv i b r a t i o na n d p r o t e c tt h eb u i l d i n g sn e a rt h er o a d i tw o u l db eh e l p f u lt oi m p r o v et h ed e s i g nl e v e lo f v i b r a t o r yr o l l e ra n dc o n s t r u c t i o nq u a l i t yo ft h er o a d b e d ，b u i l dt h ec i v i l i z a t i o nc o n s t r u c t i o n e n v i r o n m e n ta n ds p e e dt h ee c o n o m i cc o n s t r u c t i o n t h et h e s i sa n a l y s e dt h ei n t e n s i t yc h a r a c t e r i s t i ca n dt h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i po f g r a d e ds o i lb ym a k i n gd i r e c ts h e a rt e s ta n dd y n a m i ct r i a x i a lt e s t t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t l o g ch a st h el i n e a rr e l a t i o nw i t hd r yd e n s i t ya n dw a t e rc o n t e n to fg r a d e ds o i lb yr e g r e s s i o n a n a l y s i s ，a n dl o g q oh a dt h es a m er e l a t i o nw i t hd r yd e n s i t ya n dw a t e rc o n t e n t c o n s o l i d a t i o n s t r e s s ，d r yd e n s i t ya n dw a t e rc o n t e n th a dag r e a te f f e c to nt h er e l a t i o n s h i pw i t hd y n a m i c s t r e s sa n dd y n a m i cs t r a i no fg r a d e ds o i lw h e nt h eg r a d e ds o i lw a sa p p l i e dt ov i b r a t i n gl o a d e s p e c i a l l y , d y n a m i c s t r e s sh a dt h el i n e a rr e l a t i o nw i t hd y n a m i cs t r a i nw h e nt h e c o n s o l i d a t i o ns t r e s si sl o w t h et h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rv i b r a t i n gc o m p a c t i o nh a db e e n d e v e l o p e df o rt h en o n l i n e a r i t yo fs o i l ，t h eg e o m e t r i cn o n l i n e a r i t yd u et ol a r g ed e f o r m a t i o n ， t h en o n l i n e a rc o n t a c tb o u n d a r yc o n d i t i o n sb e t w e e nv i b r a t o r yd r u ma n ds o i l t h et h e s i s a n a l y z e dt h ed i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t i e sa n da t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs t r e s s s t r a i no fs o i l ， a n dt h ed y n a m i cr e s p o n s ea n dg r o u n dp e r f o r m a n c eo fv i b r a t i o nd r u mw h e nv i b r a t i o n f r e q u e n c y ，v i b r a t i o na m p l i t u d ea n dr o l l i n gs p e e dw e r ec h a n g e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t v i b r a t i o na m p l i t u d ea n dt h ec o m p a c t n e s ss t a t ei st h ev e r yi m p o r t a n tf a c t o r st oa f f e c tt h e s t r e s s - s t r a i nd i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t i e so fs o i l i tw a so b v i o u st oi m p r o v et h ec o m p a c t i o n a b i l i t ya n dt h ec o m p a c t i o nd e p t hb ya u g m e n t i n gt h ev i b r a t i o na m p l i t u d e d u r i n gt h e c o n s t r u c t i o no fr o a d b e d ，i tw a sh e l p f u lt oi n c r e a s et h ec o m p a c t i o ne f f i c i e n c yb yi m p r o v i n g t h er o l l i n gv e l o c i t yw i t ht h ec o m p a c t i o np a s s t h et h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rg r o u n dv i b r a t i o ni n d u c e db yv i b r a t o r y r o l l e rh a db e e ns e tu po nt h eb a s i so ft h es i m p l i f i e ds o i lm o d e l g r o u n dv i b r a t i o nv e r t i c a l a m p l i t u d e sc a u s e db yv i b r a t o r yr o l l e rw a sc a l c u l a t e db yu s i n gt h ep r o g r a ma n dt h eb a s i c l a wo fg r o u n dv i b r a t i o nh a db e e ng a i n e d t h et i m ed o m a i nr e s p o n s ea n dt h ef r e q u e n c y d o m a i no fv i b r a t i o nw a v ea n da t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i cw e r ea n a l y z e d t h eb a s i c f r e q u e n c yb r o u g h ti n t oc o r r e s p o n d e n c ew i t hv i b r a t i o nf r e q u e n c y t h ev e r t i c a la m p l i t u d e s o fv i b r a t i o nd e c r e a s e dw i t ht h ed i s t a n c e t h ev i b r a t i o na m p l i t u d ea t t e n u a t e dq u i c k l yn e a r v i b r a t o r yd r u m ，b u ts l o w l yf a r a w a y t h ea t t e n u a t i o no fv i b r a t i o na c c e l e r a t i o nw a s s t a t i s t i c a l l ya n a l y z e da n dt h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt od e s c r i b et h ea t t e n u a t i o no fv i b r a t i o n a c c e l e r a t i o nb yn e g a t i v ep o w e rf u n c t i o n ，a = k ，w a sr e a s o n a b l e t h ev e r t i c a l a m p l i t u d e so fv i b r a t i o ni n c r e a s e dw i t hv i b r a t i o na m p l i t u d e t h et h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lf o ri n s u l a t i o nt r e n c hw a sd e v e l o p e d t h e r e s u l t so fn u m e r i c a ls t u d i e ss h o w e dt h a tu s i n gt r e n c ha sv i b r a t i o nb a r r i e r sc o u l da c h i e v e g o o ds c r e e n i n ge f f i c i e n c yf o rt h ev i b r a t i o ni n d u c e db yv i b r a t o r yr o l l e r i nt h es c r e e n i n g z o n e ，t h ev e r t i c a la m p l i t u d e so ft e s tp o i n tb e h i n db a r r i e r so b v i o u s l yd e c r e a s e d ；t h e v i b r a t i o n - i s o l a t i o ne f f e c td e c r e a s e dw i t ht h ed i s t a n c ei n c r e a s i n gb e t w e e nb a r r i e r sa n dt e s t p o i n t v i b r a t i o nf r e q u e n c ya n dt h et r e n c hd e p t hw a st h ev e r yi m p o r t a n tf a c t o rt h a ta f f e c t s t h ea t t e n u a t i o no fg r o u n dv i b r a t i o na m p l i t u d e t h ed e e p e rt h et r e n c hw a s ，t h em o r eo b v i o u s t h ev i b r a t i o n - i s o l a t i o ne f f e c tw a s ，a n dt h eh i g h e rt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yw a s ，t h em o r e o b v i o u st h ev i b r a t i o n i s o l a t i o ne f f e c tw a s t h e 仃e n c hd e p t hs h o u l db ed e s i g n e da c c o r d i n g t ot h et y p eo ft h ep r o t e c t e db u i l d i n g sa n dt h ea c t u a lm e a s u r e dd a t a ，a n dt h et r e n c hs h o u l d b eb u i l tn e a rt h ev i b r a t i n gc o m p a c t e dz o n e a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fg r o u n dv i b r a t i o ni n d u c e db yv i b r a t o r yr o l l e r , i v t h ea t t e n u a t i o no fv i b r a t i o na c c e l e r a t i o nw a ss t a t i s t i c a l l y a n a l y z e da n dv e r i f i e db y d i m e n s i o n a la n a l y s i s t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt od e s c r i b et h ea t t e n u a t i o no fv i b r a t i o n a c c e l e r a t i o nb yn e g a t i v ep o w e rf u n c t i o nw a sr e a s o n a b l ea n dt h eb a s i cf r e q u e n c yw a si n a c c o r dw i t ht h ev i b r a t i o nf r e q u e n c y t h ee f f e c to fi n s u l a t i o nt r e n c hw a sv e r yo b v i o u s t h e s a f ed i s t a n c er e d u c e d12 mt o7 mw h e nt h et r e n c hd e p t hw a slmb e c a u s eo fi t so b v i o u s v i b r a t i o ni n s u l a t i o n m e a n w h i l e ，i ta l s os h o w e dt h a tt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yw a sv e r y i m p o r t a n tt ov e r i f yt h ec o m p u t a t i o n a lm o d e lt om a k es u r et h a tt h ei d e a l i z a t i o no fm o d e l w a u sr e a s o n a b l e k e y w o r d ：v i b r a t o r yr o l l e r v i b r a t o r yr o l l e r - s o i lm o d e l ，v i b r a t i n gc o m p a c t i o n ，g r o u n d v i b r a t i o n ，v i b r a t i o na t t e n u a t i o n ，v i b r a t i o ni n s u l a t i o n 仃e n c h ，g r a d e ds o i l ，f e a v 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，均己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。 论文作者签名：言吾之哞 冲6 月l e l 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) 论文作者签名：寻荡乏晦 矽7 年6 月，f 日i 导师签名：均莎年占月f ，日 长安人学博上学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 改革开放以来，随着我国经济的腾飞，交通事业得到了飞速的发展。公路是国民 经济建设的重要基础设施，也得到了长足的发展。我国高速公路的质量要求也越来越 高，必然要求以高标准进行路基路面的压实。统计表明，压实对路用材料的强度和 承载能力有较大的影响，压实度每增加1 ，路面的承载能力相应提高1 0 1 5 ，而 压实的费用仅占总投资的1 4 。所以，有效的压实是提高路面质量的有效而经济 的方法。实践证明，8 0 - - 9 0 的道路损坏是由于路基变形引起的，而路基强度是影响 路基变形的主要因素。因此，以高标准进行路基路面的压实，对保证路基路面的强度 和稳定性具有十分重要的意义。 通过机械压实可以增加路基路面材料的密实度，增强路基路面材料的强度，提高 公路的整体稳定性和抗水毁能力，减少路面在车辆荷载下产生的永久变形，这对于提 高公路的使用性能和延长使用寿命具有十分重要的意义，这也是保证路基路面应有的 强度和稳定性的一项经济而有效的技术措施【2 】。因此，提高公路各结构层材料的密实 度，在公路工程的设计和施工中已经引起人们的高度重视。但是，由于人们对压实技 术认识和掌握的不够，或工艺操作不当等原因，在工程施工中经常发生压实质量不符 合要求而返工的现象，不仅造成施工企业严重的资金浪费和工期延误，给工程施工造 成一定的困难，而且由于路基路面压实不足常常导致路面沉陷，产生裂纹、坑槽、车 辙等各种路面早期破坏现象，直接影响公路的服务水平。 振动压路机具有压实效果好，影响深度大，生产效率高等特点，被广泛应用于公 路工程中。在高等级公路建设中，振动压路机已成为筑路工程必备的压实设备，大型 振动压路机的普遍应用，对提高压实成型效率和压实质量都起到了积极的作用，但由 于振动压实机理复杂，理论研究还相当滞后。土作为一种工程材料( 如地基、路基、 边坡等) ，工程领域内一直试图通过各种方法提高土体的承载力、稳定性和密实度， 减少土体的渗透性和孔隙率。土体的压实特性不仅与土力学中应力、应变、强度和稳 定性有关，还与压实机具、压实方法及压实工艺等有关。关于振动压路机动态性能和 土体压实特性研究工作，各自领域的专家、学者们已开展了较深入的研究，但是将他 们联系起来作为一个系统研究却开展得并不广泛【3 j 。关于车辆轮载下土壤的应力分 布，轮载下土壤的应变变形，土壤的压实模型的研究及有限元算法方面【4 h 引，一些学 第一章绪论 者也进行了不同的探讨和分析。与车辆的动态荷载不同，在振动压实过程中，土壤主 要发生塑性变形，并伴随着一定的弹性变形，振动轮与土壤的接触面也随着压实遍数 的增加而减小，而且每一遍压实土体的力学性能亦发生了明显变化，如密实度提高， 孔隙率降低，土壤承载力提高等。振动压路机和土壤构成一个振动系统，机械和土壤 之间存在着复杂的动态耦合作用，机械动态特性决定土壤的压实效果，土壤特性则影 响机械的动态响应。影响振动轮与土体的相互作用力的因素主要有振动压路机基本参 数( 如静线荷载、激振力、振幅、频率等) 、工艺基本参数( 如行车速度、铺层厚度、 碾压遍数以及碾压方式等) 及土壤特性( 土壤类型、含水量、密度、级配以及动力变 形特性等) 。土壤密实度是影响土壤压实过程的重要因素，振动压实过程中振动轮 土壤的动力特性不仅与土壤密度有关，也与压实过程中土壤的变形规律有关，而预测 振动轮下土体表层的应力分布是研究土壤压实影响因素的关键一步。一旦确定了振动 轮下土壤表层的应力分布，才能掌握振动压实施工中土壤的应力应变分布规律，预测 和控制振动压实效果。 当重型振动压路机在临近居民区或构筑物附近施工时，其强烈的激振力引起的地 面振动严重影响了周围居民的生活质量和构筑物的安全，由此引起许多民事纠纷，导 致公路施工受阻或停工，给施工单位造成巨大的经济损失。尽管国内外对振动波在土 壤中的传播规律进行过较深入的研究，但研究主要集中在铁路、汽车运输、强夯施工 时振动波沿其四周径向的扩散，其时域特性和振动强度与振动压路机引起的地面振动 波相差较大，且对振动波沿地表的传播也多处于探索之中。尽管我国已经制定了完善 的关于振动和噪声方面的环境保护法规，并在隔振方面有比较成熟的经验，但对道路 施工时振动机械引起的不利影响及其防治却没有人进行过专门的研究，对振动压路机 引起的地面振动也缺乏简单而实用的治理措施，也没有减少道路施工时振动与噪声影 响的相关标准。因此，非常有必要对公路施工时振动压路机引起的地面振动和噪声进 行监测，以便有效地预测和控制这些振源和噪声源对周围建筑物和居民的影响，及时 地做出相应的防治对策，保证公路建设的安全和顺利施工，维护道路沿线居住群的身 心安全和建筑群的寿命，营造一个文明施工环境。 由于影响振动压实效果的因素众多，振动压实机理复杂，很难建立一套完整而又 符合实际的理论体系，振动压实施工工艺也一直处于一种半经验状态，对于振动压路 机引起的自由场振动及防治也没有人进行过深入的研究。因此，通过研究振动轮土 壤的动态响应，振动轮下土壤的应力应变分布规律及特点，振动波在土壤中的传播规 2 长安人学博士学位论文 律，将会对振动压路机的设计，合理选用压实工艺参数，提高振动压路机的压实效率， 提高道路的压实度，降低振动施工对环境的影响，具有重要的学术价值和社会经济意 义。 1 2 土壤压实特性的研究综述 1 2 1 土壤压实特性的试验研究 在地基处理过程中，压实质量控制是影响地基性能的重要因素。对于任何一种特 殊的压实方法，压实作业都需要一个最佳含水量和最大干密度。图1 1 为各种类型土 壤的试验击实曲线，图1 2 为不同含水量下土壤干密度与击实功的关系。由图可知， 不同土壤类型的压实特性相差很大，随着击实功的增加，土壤最终达到一个稳定的密 实度，且土壤含水量将严重影响土壤的压实特性和稳定密实度。 叩 蹇 ? 锄 、 倒 翱 停 台水量w t g 9 、 定 型 豫 卜 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 击实功w j 图1 1 各种类型土壤的击实曲线图1 2 土的干密度与击实功的关系 国内外的学者利用先进的试验设备和检测手段对土壤压实特性进行了广泛的研 究9 卜【2 0 】。国外的学者对土壤压实特性的研究开展较早，并提出了不同的土壤压实模 型。l a m b e ( 1 9 5 8 ) 对压实机理进行了深入研究，并把他的结果与压实的细粒状土壤 的工程性质联系起来。h d h a r r i s ( 1 9 9 5 ) 2 1 l 提出了一种两参数土壤压实模型。m o u s a f a t t o m ( 1 9 9 7 ) 2 2 】研究了粘土在不同压实能量下无侧限抗剪强度、渗透性及膨胀压力 的变化规律，结果表明在粘土含水量等于或稍低于最佳含水量时，随着压实能量的提 高，粘土的无侧向强度显著提高，渗透性迅速降低，膨胀压力提高。l i s ar b l o t z ( 1 9 9 8 ) 【2 3 】等通过对多种压实粘土的击实试验数据进行回归分析发现最大干密度乃。、最优 含水量比叫与l o ge ( e 为压实能量) 成线性关系，相关系数在o 9 8 以上。 m f o s u l l i v a n ( 1 9 9 9 ) 2 4 】提出了一种评估土壤压实的简化模型。vs a n c h e z g i r o n 等 第一章绪论 ( 2 0 0 1 ) 忙5 j 分别对五种类型土壤在不同含水量下进行了直剪试验，分析了密度与压应力 的关系。j j h v a nd e na k k e r ( 2 0 0 4 ) 2 6 1 基于弹性理论，提出了计算轮胎下土壤应力和 土壤承载力的土壤压实模型s o c o m o 。 近年来，我国的一些学者对不同类型土壤( 如黄土、粉土、风积砂等) 的压实特 性的研究也开展了卓有成效的研究。周勤等( 2 0 0 6 ) 2 7 1 通过对压实黄土的室内试验， 系统研究了压实度和含水量对压实黄土的静动回弹模量、动阻尼比、浸水后附加压缩 变形、抗剪强度的影响。王士杰，白永兵等( 2 0 0 2 ) t 2 8 1 研究了粉土的压实特性，发现粉 土击实曲线呈多峰型，压实性能较差。杨振茂，候永峰等( 2 0 0 2 ) 2 9 1 研究了风积砂的压 实特性及其在循环合作下的变形特性，试验结果表明含水量、循环应力比和围压是影 响风积沙变形特性的主要因素。刘宏等( 2 0 0 2 ) 3 0 】分析了影响砂砾石土料压实特性的主 要因素，并运用多项式拟合法得到最大干密度与粗粒料含量、最佳含水率与粗粒料含 量和压实度与含水率的相关方程。韦刚等( 2 0 0 4 ) 3 1 1 通过室内击实试验和波动测试试验 研究了土石复合材料的压实特性与波动传播特性。折学森等( 2 0 0 6 ) 3 2 1 对土石混合料进 行了击实试验，分析了击实功、击实方法及等效处理法对土石混合料击实结果的影响。 张爱军等( 2 0 0 6 ) 口3 j 对压实膨胀土进行了试验研究，得到了压实膨胀土的膨胀量的计算 模式。 1 2 2 土壤的振动压实特性研究 尽管振动压路机的发明和使用已有六七十年的时间，但室内振动压实方法的研究 还相对滞后。瑞典在2 0 世纪9 0 年代提出了振动压实的规范，德国、法国、和芬兰还 有美国a a s h o 的修正c b r 测试中也提到用振动压实的方法【3 4 】，但都作为一种可用 的方法提出，没有要求必须用。国内也有一些科研院所自行设计可以改变工作频率和 激振力的压实设备，有的设备可单独研究频率和振幅对压实效果的影响，为土石混合 料压实提供了可参考的压实频率和振幅【3 5 】。 工程技术界早就注意到合理的设计偏心块旋转速度国、偏心块质量耽和振动轮 质量对压实效果有着重要影响【3 6 1 。早在1 9 3 3 年h e r t w i g 在大量试验的基础上提出 了共振压实的观点【37 1 ，并被许多科技工作者广泛接受，但g a r b o t z 和t h e i n e r 通过试 验发现，最佳振动频率与土的固有频率并不重合。m o g a m i 、k o b o 和w h i f f i n 从他们 长期试验的结果中得出，影响压实性能的主要因素是振动轮加速度。瑞典的l a r s f o r s s b l a d 3 8 】介绍了一种测定土壤内摩擦力减小的试验方法，试验结果表明，增大激振 4 长安大学博上学位论文 频率可以减小土壤内摩擦力，提高振动压实效果的结论。这个结论与共振压实观点产 生了矛盾。h h m a c n b 和h t b a n 6 m e b 试验表吲”】，当对一定密度( 其孔隙比为n = 4 1 ) 的某种细砂在不同附加压力下施加动荷作用时，随着振动频率的增大，土的临界 加速度降低，振动频率愈是接近饱和砂土的自振动频率，临界加速度降低愈大。 h t b a n 6 t u e a 试验还表明，振动方向接近土的内摩擦角时抗剪强度最低。此后，为了 进一步揭示土壤的动力压实特性，国内外的专业技术人员进行了大量的试验研究【4 0 1 。 g e r b o t z 认为最佳振动压实工况不能由单一参数给出，但他仍没有将各种因素联系起 来阐述。张泓，闻邦椿( 1 9 9 8 ) 1 4 1 】分析了振动对压实材料剪应力、抗剪强度的影响，并 讨论了振幅、激振频率对振动压实效果的影响。秦四成等( 2 0 0 1 ) 1 4 2 】在三轴仪上对原生 亚沙土和改性土料( 石灰膨胀土和水泥土) 进行了静、动态压实试验，给出了土样在 模拟振动轮荷载下的土壤荷载变形情况，并给出了振动压实过程中土壤性能的典型 变化过程。马松林等( 2 0 0 1 ) 4 3 】采用上置式振动压实设备对不同含石量的土石混合料进 行了压实工艺的研究，分析了材料级配、粒径大小以及振动参数对土石混合料的影响。； 孙业志【删分析了散体在动荷载作用下的动应力一动应变关系，详细阐述了散体动强度 的有关性质。李美江【4 5 】利用研制的振动成型压实机研究了粉土、水泥稳定碎石的振动 压实特性。张洪亮等( 2 0 0 3 ) 1 4 6 】等对压实石灰黄土力学进行了三轴试验，分析了其轴向 和侧向变形特性及本构关系。曹源文等( 2 0 0 4 ) 1 4 7 】对影响风积砂振动压实效果的因素进 行了分析，分析了振动压实效果与振动设备加速度之间的关系，得到了风积沙干密度 随振动加速度增加而增加的结果。尹亚雄等【4 8 】结合工程实践对粉煤灰在不同含水量、 不同压实度、不同应力水平等情况下进行了静、动力试验，结果表明随着密实度的增 加，粘聚力增加幅度明显；当振次大于1 0 0 0 次后，粉煤灰的动强度指标趋于稳定。 m a s a y u k ik o i k e 等【4 9 】对粘土、亚粘土及砂土在循环荷载作用下的压实性进行了试验研 究，分析了其应力应变关系，应力循环次数与轴向应变及孔隙水压力之间的关系， 结果表明内摩擦角随着粗粒料含量的增加而增加，随塑性指数的减小而增加，轴向应 变和孔隙水压力随着循环次数的提高而增加。ed e f o s s e z 等【5 0 】分析了土壤含水量、土 壤密度随深度的变化及土壤剪应力对土壤压实模型的影响。 1 2 3 钢轮与土壤相互作用的研究 在1 8 世纪末1 9 世纪初，人们就开始了关于车轮在变形土壤上滚动过程的研究。 土壤在外荷载作用下的土壤状态的研究已取得很大的发展，尤其对车辆变形轮胎下土 壤的压实变形研究开展的较广泛【5 1 】 【5 3 1 ，但对钢轮下土壤的压实变形的研究却开展 第一章绪论 的较少【”】。 国外学者主要是通过先进的试验手段和有限元分析技术进行钢轮与土壤间相互 关系的研究。o n a f e k o 和r e e c e ( 1 9 6 7 年) 5 5 1 研究了的钢轮下的接触应力分布规律。 j m a c i e j e w s k i 和a j a r z e b o w s k i 5 6 】对钢轮在驱动和牵引两种情况下的滑转率、遍数、 钢轮与土壤的摩擦系数及轮重对粘性土壤变形的影响进行了试验研究，结果表明钢轮 质量是影响土壤压实程度的最重要因素。k o i c h i r of u k a m i ，m a s a m iu e n o 等【57 】通过试 验研究了刚性轮下土壤的变形特性，并建立了预测土壤应变变形的模型。r l r a p e r 等【58 】建立了钢轮与土壤相互作用模型，并考虑了土壤的应力应变关系的非线性，仿真 结果与试验结果比较一致。i s h m u l e v i c h 等【5 9 】分析了轮子滚动速度对刚性轮下土壤应 力分布的影响，结果表明随着速度的提高，最大正应力和切应力也随之增加。t h i r o w a 等【6 0 】把土壤看作黏弹性材料，考虑轮子与土壤接触面间的摩擦，通过有限元方法分析 了滑转率对接触面上正应力和切应力分布规律的影响。为了提高数值模拟分析的精确 度及验证数值模拟的结果，一些研究者发明了测试轮胎下土壤应力应变的设备【6 i 】 【6 4 】 o 近年来，我国学者也开始关注压实机具对土壤应力应变的影响，结合工程实例， 利用有限元分析技术对土壤压实特性进行了研究。杨小卫，高行方【6 5 】对振荡压路机的 动态响应进行了定性分析，并利用有限单元法研究了土的压实过程及其在压实过程中 土的应力状态。李小青等【6 6 】用瞬态动力学方法对路基冲压过程进行了数值模拟仿真， 分析了冲击压实沉降变形的效果及冲击影响范围。庞国强等【67 】利用有限元计算了冲击 压路机作用下土壤的应力状态，提供了一种预测冲击压路机压实深层土壤时的压实质 量的方法。刘茜等【6 8 】利用有限元建立了压实机冲击土壤的有限元模型，并对土在冲击 作用下的沉降值进行了非线性有限元计算，计算结果与试验结果比较吻合。苟桂枝等 【6 9 1 利用有限元计算了冲击压实机作用下几种典型材料的应力状态。孙建兵等【7 0 1 采用 简单的非线性土基模型进行模量反算，并对蓝派冲击压实的压实效果进行分析、评估， 取得了较好的实用效果，为分析土基压实效果提供了新的途径。 国内外学者采取了不同的研究方法，致力于土壤的压实特性研究和钢轮土壤模 型的建立与分析，归纳起来主要有以试验为主的纯经验方法、半经验方法、有限元分 析方法三种，对于钢轮与土壤相互作用的理论研究还相当滞后，尤其没有开展振动轮 下土壤的动态响应研究。由于土壤的塑性变形及在振动荷载下土壤表现出非线性和滞 后性，在求解它的内力时会遇到很多力学和数学上的困难，用理论分析的方法不一定 6 长安大学博卜学位论文 能得到满意的解答，而且传统的钢轮一土壤模型都假定土壤是弹性体，并不完全适合 振动压实过程中土壤的变形规律，且车轮载荷是静态的或完全平稳的，忽略了动荷载 的本质特征。实际压实过程中，振动轮的动态荷载较其他荷载具有较大的差别，振动 轮施加在路基土体上的外荷载是移动的周期性荷载，振动轮下的土体并不能达到稳态 振动，且沿接触面分布的压力也不完全是均匀的。由于影响振动压实效果的因素众多， 国内外至今仍在对振动轮一土壤模型进行研究。 1 4 “压路机土壤”动力模型的研究 振动压路机的压实过程是受压实设备和被压实材料共同影响的复杂过程。从2 0 世纪中期开始，国内外的专家和学者对“压路机土壤”动力学模型进行了理论分析和 试验研究，预测压实作业时振动轮的动态响应及运动规律。常见的动力学模型主要有 以下几种： 1 经典动力学模型。美国学者t s y o o 和e t s e l i g 在完全弹性振动理论的基础上提出二自由度弹簧一阻尼 系统模型( 如图1 3 所示) ，称为经典动力学模型，并对振 动压路机的压实机理及影响因素作了较为详尽的分析 和研究【7 l 】【7 5