（道路与铁道工程专业论文）水泥稳定碎石振动成型试验研究.pdf

摘要 当前振动压路机在道路碾压施工中得到了相当普遍的应用，而半刚性基层材料室内 试验采用重型击实法确定压实标准、利用压力机静压成型试件，显示出了一定的不适应 性。当前半刚性基层设计方法存在着室内成型方式与现场碾压方式不匹配、压实标准偏 低、设计水泥剂量偏大、规范规定的级配范围太宽等缺点。半刚性基层在沥青面层铺筑 前出现大量裂缝；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；现有 压实设备下，压实度超百现象普遍存在，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。为使试验设备能更好的模拟现场施工机械，有必要对半刚性基层材料试 验设备进行更新，现有的表面振动仪是种与振动压路机压实机理相同的试验仪器。 本文在研究表面振动仪的“弹跳模型”和“振动模型两种数学模型的动态响应的 基础上，结合试验结果，得到了表面振动仪基本机械参数对压实效果的影响关系，确定 了水泥稳定碎石材料室内试验的振动压实标准，同时对比分析了振动成型与静压成型的 级配衰变情况及不同龄期的试件强度增长规律。 与传统设计方法( 重型击实+ 静压成型) 相比较，振动法的压实功能较大，成型前后级 配差异性较小，致使水泥稳定碎石干密度较大、最佳含水量较低、水泥剂量较少，能较 好的解决传统设计方法压实标准偏低、水泥剂量偏大的状况。从试验段情况来看，采用 振动法设计水泥稳定碎石材料时，在无特殊碾压施工要求下基层可达9 8 的压实度标 准，基层芯样强度与振动成型试件强度相当，基层裂缝较少。 采用振动法设计半刚性基层材料时可产生良好的经济和社会效益。 关键词：表面振动仪、振动成型、机械参数、水泥稳定碎石、振动压实标准、强度 a b s t r a c t v i b r a t o r yr o l l e rh a db e e ni ng e n e r a lu s e di nc o n g t r c u c t i o no fr o a d ，a tp e r e s e n t h e a v y r a m m e rm e t h o dw a su s e dt od e t e r m i n et h es t a n d a r do fc o m p a c t n e s sa n dm o l d i n gs p e c i m e n b ys t i l lc o m p r e s s i v ef o r c ei nl a b o r a t o r yt e s t i n go fs e m i - r i g i dt y p eb a s em a t e r i a l ，w h i c hl e a d s t oi n a d a p t a b i l i t y t h e r ew e r es o m ed e f e c t si nt h ed e s i g nm e t h o d o l o g yo f s e m i r i g i dt y p eb a s e ， a tp e r e s e n t s u c ha st h ei n c o n s i s t e n c yo fc o m p a c t i o nm o d eb e t w e e nf i e l dc o m p a c t i o na n d l a b o r a t o r yc o n p a c t i o n 、t h es t a n d a r do fc o m p a c t n e s sw a st o ol o w 、t h ec o n t e n to fc e m e n tw a s t o oh i g h ，g r a d i n gl i m i tw a st o ob r o a di nn o r m t h e r ew e r el o t so fc r a c k si ns e m i r i g i dt y p e b a s eb e f o r ea s p h a l ts u r f a c ec o u r s ew a ss p r e a d e d ；t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ff i e l ds p e c i m e n i sm o r eh i n g e rt h a nt h a to fm o l d i n gs p e c i m e nb ys t i l l c o m p e s s i v ef o r c ei nl a b o r a t o r y ；t h e p h e n o m e n o no fm o r et h a nh u n d r e dc o m p a c t n e s sw a su n i v e r s a l ，b yu s i n ge x i s t i n gf i e l d c o m p a c t i n ge q u i p m e n t t h ep a r e n c h y m aw a st h es t a n d a r do fc o m p a c t n e s sd e t e r m i n e db y h e a v yr a m m e rm e t h o dw a st o ol o w a d e q u a t ec o m p a c t i o no f b a s ew a sd i s r e g a r d e d f r e q u e n t l y ，b e c a u s ec o m p a c t n e s si se a s yt og e t t h el a b o r a t o r yt e s td e v i c ef o rs e m i - r i g i dt y p e b a s em a t e r i a lw a sr e q u i r e dt ou p d a t e ，i no r d e rt os i m u l a t ef i e l dc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yb e t t e r c o m p a c t i o nm e c h a n i c so fv i b r a t i n gc o m p a c t o ra n dt h es u r f a c e v i b r a t i n gi n s t r u m e n ti st h e s a m e t h i sp a p e ra n a l y z e st h et e s tr e s u l t so nt h eb a s i so ft h et w om a t h e m a t i c a lm o d e l s ，w h i c h c a l l e ds p r i n gm o d e la n dv i b r a t i o nm o d e lo ft h es u r f a c e - v i b r a t i n gi n s t r u m e n t ，a n dt h e ng e t st h e i n f l u e n c er e l a t i o nb e t w e e nt h ec o m p a c t i o ne f f e c ta n dt h eb a s i cm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ft h e s u r f a c e - v i b r a t i n gi n s t r u m e n t ，a tt h es a m et i m er e c o m m e n d sav i b r a t i n gc o m p a c t i o ns t a n d a r d a b o u tt h el a b o r a t o r yt e s to ft h ec e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a mm a t e r i a l ，a n dg i v e sa c o m p a r a t i v e a n a l y s i so nt h ed e c a ys i t u a t i o no ft h eg r a d a t i o na n dt h es t r e n g t hi n c r e a s el a wo ft h es p e c i m e n w h i c hm o l d e db yv i b r a t i o nm e t h o da n ds t a t i cp r e s s u r em e t h o d c o m p a r i n g w i t hc o n v e n t i o n a l d e s i g nm e t h o d ( h e a v yr a m m e r + s t i l lc o m p e s s i v e c o m p a c t i o n ) ，t h ee n e r g yo fv i r b r a t i n gc o m p a c t i o nw a sg r e a t e r ，i tr e s u l ti nl a r g e rd r yd e n s i t y 、 l o w w e ro p t i m u mm o i s t u r ec o n t e n t 、f e w w e rc o n t e n to fc e m e n t ，s ov i r b r a t i n gc o m p a c t i o nc o u l d r e s o l v et h ep r o b l e mo ft h es t a n d a r do fc o m p a c t n e s sw a st o ol o w 、t h ec o n t e n to fc e m e n tw a s t o oh i g hb yu s i n go n v e n t i o n a ld e s i g nm e t h o d w h e nc e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a mm a t e r i a lw a s d e s i g n e db yv i b r a t i o nm e t h o d ，b a s a lc o m p a c t n e s sc o u l dg e tt o9 8 w i t h o u te x t r ar e q u i r e m e n t o fr o l l i n g ，t h e s t r e n g t ho fs p e c i m e n sw h i c hc o m ef r o mf i e l da n dv i b r a t o r yc o m p a c t i o ni n l a b o r a t o r yw e r ee q u i v a l e n c e ，a n dc r a c k si nb a s ew e r ef e w w e r i tc a ng e tg o o de c o n o m i cp e r f o r m a n c e ，b yu s i n gv i b r a t i o nm e t h o d o l o g yt od e s i g ns e m i r i g i dt y p e m a t e r i a l k e yw o r d ：s u r f a c e - v i b r a t o r yi n s t r u m e n t 、v i b r a t o r yc o m p a c t i o n 、m a c h i n ep a r a m e t e r 、 c e m e n t - s t a b i l i z e ds o i l 、s t a n d a r do fv i b r a t o r yc o m p a c t i o n 、s t r e n g t h 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。 论文作者签名： i8 年j 只玩e t 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) 做作者硌者鼻捆论文作者签名：i7 1 一 别帷氆竹汰 略年，月矽日 口孑年厂月扣日 长安大学硕士学位论文 1 1问题的提出 第一章绪论 随着我国国民经济的不断发展，交通运输也在日益增加，作为基础行业的道路建设 也在不断的发展，对道路建设的要求不断提高。在我国，由于多种因素的影响，车辆的 超重运输现象相当普遍i l 】，这就对道路建设提出了更高的要求。 为提高路基和路面的各个结构层强度须进行压实【2 】。压实可以充分发挥路基土和路 面材料的强度，可以显著提高路基土和路面材料的不透水性和整体强度稳定性，减少路 基、路面在行车荷载作用下的各种病害。实践证明，以高标准进行路基、路面的压实， 是保证路基、路面应有强度和稳定性的一项最为经济有效的技术措施。 压实作为一种改善道路使用性能，延长道路寿命行之有效且廉价的方法而备受关 注。随着人们对道路材料压实性质和压实机理研究的不断深入，新的压实方法和压实技 术也不断的被提出，涌现出了具有不同时代特征的压实设备。 压实设备是应用相当广泛的工程机械，道路工程中常用的压实机械有静力压路机和 振动压路机。 静力压路机具有较长的发展历史，其压实效果直接取决于压路机的线压力，为了追 求较好的压实效果，当时的主要办法就是提高压路机的重量，因此，静力压路机朝大吨 位迅速发展，历史上曾出现过重达2 0 0 多吨的轮胎式压路机。 振动压路机自2 0 世纪3 0 年代问世以来，得到了迅速的推广和应用3 】。振动压路机 在压实机械的发展史上是一项突破性的科技进步，从此压实效果的提高不再单纯的依靠 压实机械的自重来实现。与静力压路机相比，振动压路机压实效果好，影响深度大，生 产效率高，且适用于各种类型的土壤压到4 1 。 为了适应我国交通运输事业的迅速发展，满足我国高等级公路建设的需要，我国的 压路机行业也得到了迅速的发展。八十年代以前我国主要以生产静力压路机为主，八十 年代后期至目前，由于我国大力发展高等级公路，对公路路面的质量要求越来越高，推 动了压实机械朝着振动压实发展。 道路压实机械发展迅速的同时室内的试验设备却相对落后。当前，我国公路部门室 内采用击实法来确定半刚性基层材料的最佳含水量和最大干密度。击实标准分为轻型击 实标准和重型击实标准。轻型击实标准的压实功相当于6 0 k n 8 0 k n 压路机的碾压效果； 第一章绪论 重型击实标准的压实功相当于1 2 0 k n 1 5 0 k n 压路机的碾压效果i 引。与击实相应得试件 成型方法是静力压实方法。这两种方法都是为了适应当时压路机应用状况而提出的，是 对静力压实机械的模拟1 6 1 。 目前，振动压路机在半刚性基层施工中得到了相当普遍的应用，对于无机结合料稳 定粒料土的半刚性基层而言，采用击实法确定压实标准、利用压力机静压成型试件显示 出了一定的不适应性。标准重型击实的击实功率已达不到现场振动压路机的压实功率， 使得室内确定的半刚性基层材料的压实标准偏低，在实际工程的振动压实中普遍出现超 百现象。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。室内静压成型方 式和压路机振动压实的压实机理是完全不同的，使得压实材料的整体物理性能存在较大 的差异，相同压实度的半刚性基层芯样强度要远大于静压成型的试件强度f 7 1 。 当前半刚性基层在沥青面层铺筑前出现大量裂缝现象已司空见惯，水泥稳定碎石混 合料问题主要在于干缩和温缩裂缝上，要解决该弊端可以从两大方面进行改善，其一是 提高道路基层材料的压实度，其二采用骨架密实型级配替代以往悬浮密实型级配f 8 1 。 混合料出现早期破坏与室内成型方式的不合理及标准单一导致水泥剂量过高、压实度标 准偏低、级配不良等有密切关系。为进一步提高路用一l k 工, - i - 厶匕月匕，现实的措施是在合理的级配 范围内，适当降低水泥剂量、提高压实度标准。最佳级配范围如何确定，水泥剂量降低 多少，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。 道路材料的路用性能与体积参数之间不存在广泛的相关性，任何一种材料的性能都 与成型设备相关，也就是说材料的性能是一定成型设备条件下的材料性能【1 0 1 。如果试验 设备与现场施工设备的压实机理相差越远，则现场与室内混合材料性能的差异性就越 大，当试验设备不能较好的模拟施工机械时，用室内试验结果来指导施工时反而对道路 建设起到负面的影响，道路的许多病害很大程度上是由于室内试验与现场条件不一致造 成的。 为使室内试验能更好的模拟振动机械的压实工艺，有必要采用振动试验法( 振动压 实确定压实标准，振动成型试件) 设计半刚性基层材料，而逐步放弃传统的基层试验方 法( 击实法确定压实标准，静压成型试件) 。 1 2 国内外研究现状 国内研究认为：现行的采用击实法确定压实标准、利用静压成型试件与现场振动压 长安大学硕士学位论文 路机压实半刚性基层铺层材料的不适应性表现为以下方面：振动压实的压实机理和静 力压实的机理不同，振动压实通过高频振动作用使材料产生“液化来导致密实的过程 是完全不同的，静力压实成型试件的方法和静力压路机的滚压的机理是基本相同的，但 是和振动压路机的振动压实机理存在较大差别，利用击实法确定压实标准的过程中混 合料中石料被击碎的情况很普遍，压力机在通过静压成型试件的过程中类似的现象也很 严重。混合料中粗集料的比例越大，这种情况越明显。集料级配发生变化，制成的试件 与设计不符，随后的试验结果就失去了代表性。因此有必要开发室内振动设备以便更好 的模拟振动压路机实际施工工况，采用振动法确定无机结合料稳定粒料土的压实标准并 利用振动法成型试件。已有研究表明对于无机结合料稳定细粒土，用传统击实法确定压 实标准，用静压方式成型试件仍然是行之有效的方法1 。 室内表面振动仪在压实机理上较传统静压法能更好的模拟振动压路机压实，半刚性 基层材料强度试验的数据也表明室内振动成型试件和现场的芯样较相近i l 引。 在我国有少数几条高速公路己尝试振动法设计半刚性基层材料【1 3 1 ，同击实法相比 较，降低了水泥用量，在无特殊施工要求的情况下，压实度能达到要求，半刚性基层的 干缩裂缝很少，与静压法设计半刚性材料相比，芯样强度、基层整体强度明显提高。 国内还有利用振动法来设计沥青混合料及柔性基层材料的尝试1 1 4 - 1 6 1 ，但仅限于同规 范试验方法作对比分析，并未应用到实体工程的设计中。 国外沥青路面多为柔性基层，半刚性基层材料的研究较少。目前，在国外还没有振 动设计法设计半刚性基层材料的先例。 对道路材料采用振动法设计时需要控制的振动参数除了设备本身的静偏心力矩、转 轴转动角速度( 振动频率) 和静重等机械参数之外还有振动时间，对于振动时间的控制已 有研究，主要有两种控制方法。一种是以振动锤出现跳起后停止振动，该方法认为在实 际施工中，振动压路机驾驶员在进行路面材料振动压实时，当振动轮剧烈跳动时便停止 压实，且认为振动轮的起跳表明被压材料在该振动压路机的压实作用下已达到了最密实 的程度，为了与振动压路机的实际压实过程保持一致，在室内试验中也按照出现无规律 的回弹跳起状态控制压实过程是否终止。第二种就是按照预定的时间来控制振动是否停 止1 1 l 】。 尽管振动试验设备已被研制出多年，并在不断的改进和完善，但到目前为止设备的 机械参数组合还未统一规定，振动压实标准还未统一确定，限制了该设备的推广应用。 表面振动仪设备和传统击实设备相比较，需要确定的参数更多，在道路铺层碾压施工中 第一章绪论 因材料的不同所选的振动压实施工机械和振动参数都有所差异，则室内振动试验的参数 也要根据材料的差异作相应的调整，所有这些参数都需要大量的试验来确定。 1 3 研究的内容及目的 本文以水泥稳定碎石这种具有代表性的半刚性基层材料进行振动压实试验研究，研 究的内容如下： 1 采用“弹跳模型 和“振动模型”两种数学模型分别研究了表面振动仪的动态 响应，为合理选择表面振动仪的基本机械参数提供定性指导。 2 通过振动压实试验，分析研究活动偏心块与静偏心块夹角( 静偏心力矩) 、转动轴 转动角速度( 振动频率) 、上下车配重块数( 振动系统重量) 三个最基本的机械参数对压实 效果的影响，为合理选择表面振动仪的基本机械参数提供可靠依据。 3 通过表面振动仪数学模型动态响应结果和压实试验中基本机械参数对压实效果 具体影响的研究，确定三个基本机械参数的合理组合。合理的参数组合应具有压实效果 优良、成型的试件上表面平整、设备工作较稳定三大特征。 4 确定振动时间的控制方法，研究水泥稳定碎石的振动压实试验标准。 5 在振动压实试验标准确定之后，对比分析振动压实与重型击实的最大干密度和 最佳含水量；对比分析振动成型和静压成型试件不同龄期的无侧限抗压和抗劈裂强度的 增长规律，对比分析振动成型和静压成型的级配衰变。 6 对比分析试验段芯样强度、振动成型试件强度、静压成型试件强度三者的关系 和调查基层裂缝情况。 7 针对基层材料的传统设计法和振动设计法进行原材料成本的经济性分析。 本文研究的最终目的有三：充分掌握表面振动仪的压实规律；制定水泥稳定碎 石振动试验标准；为应用振动法优化道路材料的级配范围奠定一定基础。 长安大学硕士学位论文 第二章道路材料的压实及振动压实设备 2 1道路材料的压实 2 1 1 压实特性 道路材料的压实过程是指道路施工压实机械向被压实材料施d n j t - 部荷载，排除多相 材料中的空气和水分，克服固体颗粒间的摩擦力、粘着力，使各个颗粒发生位移，相互 靠近。 对铺筑材料的压实，一般都是用周期性的加载，在加载过程中，材料的应力可增长 到最大值，卸载后，材料的应力降低，然后经过间歇，重复加载、卸载、间歇的循环过 程。 2 1 2 压实的物理过程 用某种工具或机械对路基或路面结构层材料进行压实时，在压实机具的短时荷载或 振动荷载作用下，被压材料将产生几种不同的物理过程。在碾压过程中，主要发生的现 象是颗粒重新排列、互相靠近和小颗粒进入大颗粒的空隙中。产生这些不同物理过程的 结果是增加单位体积内固体颗粒的数量，减少空隙率。水泥稳定碎石经过压实后，在单 位体积内通常包括固体颗粒、水和空气三部分，常称为三相体。 在此三相体中，水和单个土粒是不可压缩的，空气只有在密闭容器内才是可压缩的， 它在土体内也是不可压缩的。因此，要使单位体积内的固体颗粒增加，只有采取措施使 土体内的空气和水排出。 对于粘性细粒土的压实，仅是从空隙中将空气排出来，而不是将水挤出来，因为， 一般碾压机械的短时间荷载或振动荷载是不能将粘性土中的水挤出来的。碾压得愈密 实，单位体积内的固体颗粒愈多，空气愈少。这些三相体的压实过程可以一直进行到几 乎土中的全部空气被排挤出。因此，某一含水量时，土的理论最大密度就是土中空气等 于零，土接近于两相体。但实际上不可能通过压实完全消除土中的空气。 在砂的碾压过程中，砂颗粒的均匀程度对所能达到的密实度与互相接触的砂粒的排 列位置有关。假定相同粒径的砂粒都是球状颗粒，这些颗粒排列的最疏松时，每个颗粒 与相邻的颗粒有6 个接触点，此时有4 8 的空隙，排列的最紧密时，每个颗粒与相邻的 颗粒共有1 2 个接触点，此时只有2 6 的空隙。实际上砂粒的粒径不可能完全相同，也 不可能是标准的球状。这个假定只是用来说明单一尺寸的均匀砂在压实过程中可能发生 第二章水泥稳定碎石的压实及及表面振动设备 的物理过程。天然砂通常是由不同粒径的砂粒所组成，在压实过程中，细颗粒填入颗粒 间的空隙中，使砂的密实度增加。因此，单一粒径砂的密实度通常最小。由各种不同粒 径颗粒组成的砂可能达到的密实度经常大于单一粒径砂的密实度，最佳级配的砂可能达 到的密实度最大。 2 1 3 影响压实的因素 在室内对多种道路材料进行压实试验时，影响材料压实效果的主要因素有：含水量、 材料的颗粒组成以及压实功。 在施工现场碾压道路材料时，影响道路材料达到规定压实度的主要因素1 7 也1 有：含 水量、碾压层的厚度、压实机械的类型和功能、碾压遍数以及下承层的强度。 1 ) 含水量的影响 道路材料的含水量小时，颗粒间的内摩阻力大，压实到一定程度后，某一压实功不 能克服颗粒间的抗力，压实所得的干密度小。当含水量增加时，水在颗粒间起润滑作用， 使得内摩阻力减小，因此，同样的压实功可以得到较大的干密度。当土的含水量达到某 一限度后，虽然内摩阻力还在减小，但单位土体中空气的体积已压缩到最小限度，而水 的体积不断增加，由于水是不可压缩的，因此在同一压实功下，土的干密度反而逐渐减 小，土只有在某一含水量下，才能压实到最大干密度，这个含水量称为最佳含水量。在 施工现场，应根据标准击实试验确定的最佳含水量来严格控制其含水量，这样才能确保 较高的压实度。 2 ) 下承层的强度影响 下承层的强度对所压实层的压实度有明显影响，试验表明，同一级配集料，用相同 压路机和压实方法碾压，如下承层强度高，集料密实度大，反之，密实度小。 3 ) 压实功对最佳含水量和最大干密度的影响 对于同一种材料而言，压实功增加时，其最佳含水量减小，而最大干密度增大。事 实上，对于任何一种材料，当密实度超过某一限值时，欲继续提高它的密实度，降低含 水量值，往往需要增加很大的压实功。 4 ) 集料的级配和质量对压实度的影响 为了提高路面结构层材料的强度和减少其空隙率，增加它在使用过程中的稳定性， 对用作路面结构层的集料，经常要求其具有良好的级配。特别是对用作基层的集料，常 长安大学硕士学位论文 规定有严格的级配范围。施工过程中，只有通过严格地控制级配，才能确定是否达到了 规定的压实状态。 5 1 压实机械对压实度的影响 使用轻型压路机只能得到较小的密实度，使用重型压路机可以得到较大的密实度。 振动压路机比相同质量的普通光面钢轮压路机的压实效果好得多。不但密实度大，而且 有效的压实深度也大。 6 ) 碾压速度和遍数对压实效果的影响 碾压速度对路面材料所能达到的密实度有明显影响，碾压速度低时，单位面积内的 振动次数比碾压速度高时要多，因而作用在被压材料上的能量，前者大于后者。 碾压遍数对路面材料密实度的影响是众所周知，用同一压路机对同一种材料进行碾 压时，最初的若干遍碾压，对增高材料的干密度影响很大；碾压遍数继续增加，干密度 的增长率就逐渐减小；碾压遍数超过一定数值后，干密度实际上就不再增加了。 7 ) 碾压层厚度对压实效果的影响 试验证明，碾压应该有适当的厚度。碾压层过厚，非但该层的下部的压实度达不到 要求，而且该层的上部的压实度也会受到不良的影响。 同时，碾压层的厚度应该与所用压路机的质量或功能相适应，它也随压路机的型号 而变。 2 2 压实方法分类 常用的压实方法有滚压、振荡压实、夯实与冲击压实、振动压实0 2 3 1 。 1 ) 滚压( 静力压实) 滚压就是依靠压路机自身的重力，滚动轮慢速滚过铺层，利用静力作用压实，使铺 层材料获得永久残余变形。为了克服土颗粒之间的静摩擦力，预想打破这种阻力就须增 加作用力，增加重力一方面用来克服摩擦力的作用力有所增加，但土颗粒之间的摩擦力 也有不同程度的增加。随着压实度的提高，固体颗粒间的嵌挤效果增强，当到一定程度 后，外部单位荷载引起的内部摩擦阻力增量大于切应力增量。因此，静力作用压实有一 个极限压实效果，无限地增加静荷载，也不能得到相应的压实效果，反而会破坏表层土 的结构。 2 ) 振荡压实( 搓揉压实) 第二章水泥稳定碎石的压实及及表面振动设备 在搓揉压实中，搓是利用对被压材料表层施以水平方向的反复交变的作用力，使被 压材料表层颗粒产生相对滑移，重新排列而变得致密；揉是一种压入作用，它依靠对被 压材料局部施加很大的垂直压力，使振动轮直接剪切侧面材料，破坏振动轮下方局部材 料与被作用材料整体之间的联系，使之受到很大压缩而变得密实，总的来说，这种搓揉 作用力的作用深度较浅，仅在表层某一范围内传递，但其可获得较高的表面压实度和表 面平整度。 3 ) 夯实与冲击压实 夯实与冲击压实是利用物体从某个高度下落到与材料表面接触，夯实和冲击在原理 上都是利用动能转化为冲击能来压实土。只是在冲程和频率上有所不同。夯实的冲程约 为5 3 0 m m ，频率约为8 2 0 h z ，冲击的冲程可高达数米，而频率则极低，为单个脉冲。 冲击压实的特征是巨大的动能在很短的时间内转化为冲量，而形成瞬时作用的巨大冲击 力，它可在土壤中产生很大剪切应力和法向应力，从而有效地克服粘性土壤的内聚力， 压缩土体并排出土中的空气和水分。冲击能量形成的冲击波可传至很深的深度，因而在 压实深度上有很大的优势。此外，由于冲击作用的时间很短，往往在被压材料还来不及 发生“流动”之前，冲击已经结束，因而可减少由土壤“流动”而导致的不稳定，可有 效地用于较大含水量的粘土和干砂的压实。冲击压实施工振动响应具有瞬态振动特点， 由于冲击压力波较振动压力波能传至更深的层面，所以，冲击压实能获得最大的压实深 度。 4 ) 振动压实 振动压实是一种目前广泛应用于道路工程和土建工程中的施工方法，利用专门设备 对被压材料施加一系列的激振作用，以使被压材料颗粒之间的相对运动，振动作用使被 压材料内部颗粒间的摩擦大幅度减小，在垂直压力作用下，产生相互填充的现象，即较 大颗粒形成的间隙由较小颗粒填充；较小颗粒的间隙由水分来填充；被压材料中空气含 量也在振动冲击过程中减少，被压材料的密实度增加。被压实材料颗粒间隙的减小，意 味着密实度的增加；被压材料之间间隙减小使其颗粒间接触面积增大，导致被压实材料 内摩擦阻力增大，意味着其承载能力的提高。同时，由于振动作用颗粒间的摩擦力减小， 大颗粒不易于压碎。振动能量以压力波的形式传向被压实材料深部，同样可激起下部材 料颗粒的振动，因而它比同样自重的静作用压路机能达到更好的压实效果和压实深度。 由于振动压实的机理是在于激起被压材料颗粒的相对运动，而并不是依靠振动压实材 料，因而他的振幅通常只有o 3 2 r a m ，而频率则接近被压材料的自振频率，这样可以使 长安大学硕士学位论文 被压材料的颗粒处于共振的状态下，从而获得最佳的压实效果。振动压实不仅作用深度 较大，而且能获得较大的压实度。 2 3 振动压实理论 目前能合理解释振动压实现象的理论【2 4 】主要有以下几种： ( 1 ) 共振学说。根据物理学原理，当被压材料的固有频率与激振频率相同时，则压 实达到最佳效果。由于土壤的物理性能各处并不相同，其固有频率是随处变化的，因此 激振机构的振动频率最好能有一个较大的调节范围，这样对土壤的整体振动压实效果就 会比较好。 ( 2 ) 内摩擦减小学说。被压材料的内部摩擦阻力会因振动作用急剧减小，剪切强度 降低，抗压阻力变小，这时只须很小的负荷就能够将被压材料压实。为此，需要是振动 压轮在振动过程中始终保持和土层的接触，即土壤的振动频率及振幅应与振动压轮的振 动频率及振幅相同，这样可以获得最好的压实效果。在这种情况下，振动轮传给土壤的 纯粹是振动能量，为了保持这种工作状态，振幅必须要小。 ( 3 ) 反复荷载学说。利用振动对被压材料施加周期性压缩运动作用使其压实，为此 必须增大振动压轮在与土壤接触前一瞬间的动量，即振动轮应具有较大的振动振幅和足 够大的振动质量，从而达到压实目的。 ( 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，被压 实材料的颗粒重新排列而达到密实效果。 ( 5 ) 土壤“液化”学说。在振动波的作用下，被压材料的颗粒呈现高频受迫振动状 态，其内部粘聚力和摩擦力急剧下降，使之仿佛处于流动状态，此即称为“液化”现象。 这种“液化”现象的出现，使被压材料颗粒之间的相互填充作用加强，并且受到自身重 力作用而向这低位能的方向流动，这就为压实创造了条件。为了使土壤“液化 充分， 就必须施加足够的振动加速度。 以上各种学说是从不同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，且被压材料多为非均质异性材料，影响压实的因素很多。这些观点学说各自 可以解释某一类振动压实现象，但是不能全面解释各种振动压实现象，因此各种学说都 有待进一步试验研究和探讨【2 5 i 。 以上振动密实机理的分析，所反映的是振动密实的般性。表面振动作为振动密实 方式的一种，就其密实方式而论具有其特殊性。表面振动时通过对材料上表面向下施振 第= 章水稳定碎石的实及厦表面振动设备 实现压实，其振动方向和施振位置均有别于内部振动、附着振动和台式振动等方式。因 此其有效作业范围、密实效果也存在一定的差异。 表面振动的有效作用深度是个十分复杂的问题，不仅与振动源的频率、振幅、振 动能量的传递方式和衰减程度等因素有关，还与被压材料的物理特性相关。 2 4 垂直振动设备 2 41 振动压路机和表面振动仪的基本构造 振动压路机主要由动力部分、传动部分、振动部分、行走部分和驾驶操作部分组成， 振动压路机主要结构见图2l 。 振动压路机在前车架与振动轮之间装有起减振、缓冲作用的减振块。减振系统将振 动压路机分为上车系统和下车系统，上车系统包括驾驶室、动力部分、传动部分、行走 部分，f 车系统主要指振动轮。 振动轮是振动压路机i 作时发生振动作用的主要部分，无论振动压路机结构差异多 大，激振原理基本相同。振动轮主要由振动轮体、轴承支座、偏心轴、调幅装置、减振 块、振动轮驱动马达、振动轴承、左右连接支架等组成。振动轮体采用钢板卷制对接焊 制而成，其外光滑平整、壁厚均匀，可以保证压实效果均匀一致。振动轮体内有一密封 腔，装有轴承座、偏心轴等装置，偏心轴就是振动发生器。通常，振动压路机的振动器 是由振动轴和安装在振动轴上的一组偏心块组成，当振动压路机工作时，振动轴带动偏 心块高速旋转t 并由此产生引起振动的檄振力，在激振力作用下振动轮将产生具有定 频率和振幅的振动，振动轮结构见图22 。 驾驶室2 一振动部分3 一压实轮4 一动力部分5 一驱动轮 图2 1 振动压路机 长安大学硒学位论文 1 一轮桨2 一振动腔卜减振块4 钢轮 5 一驱动马达6 一活动偏心块7 _ 一固定偏心块 图2 2 振动轮结构 偏心轴的一端与振动马达相连，改变马达的旋转方向就可以改变振幅。双幅振动压 路机偏心块调节方法见图23 2 唾。争一 图2 3 双幅振动压路机偏心块 从振动轮内部的激振机构来分，目前振动压路机可分为单频单幅、单频双幅、单频 多幅和多频多幅。 压路机的压实过程是复杂的随机过程，振动压路机实际工作时振动压路机与被压 实材料形成了“压路机一被压实材料”振动体系，振动轮中的偏心块产生的离心力形成 了“压路机一被压实材料”振动系统的干扰力，振动压路机的下车( 振动轮) 在此干扰力 的作用下产生强迫振动，而且强迫振动的频率等丁干扰力的频率。此时，振动轮将其振 动作用传递到土或其它被压实材料上，并对被压实材料产生压应力和剪切应力，压实效 果的好坏不但与振动压路机本身有关，而且与被压实材料自身的特性也密不可分。 室内表面振动仪主要有三大部分构成：控制平台动力设备振动机构，如图2 4 。 控制平台主要是用来调节动力设备的振动频率( 即转动轴的转动频率) ，这种可变频 率的调节是通过控制平台中的变频器来实现的，振动频率，与转动角速度w 的关系为： 厂- w 2 ，r ：控制平台上的时间继电器是用咀控制振动时间，以秒为单位，在一定的时问段 内可以任意调节。控制平台还能控制振动机架上部电机的转向，再通过相关的齿轮传动 装置实现上下车的自动升降。 丑 第= 章隶掂稳定碎i 的实厦驶表面振动设鲁 动力设备主要足一电机和一将电机的单轴转动转化为双轴转动的分动箱，该分动箱 可以实现双轴的同转速反方向的转动。 图2 4 表面振动仪 晟后就是室内振动仪的最重要部分振动机构。振动机构的外围是机架，内部是 实现振动的实体装置，该振动实体仿照振动压路机的振动装置设计而成。振动实体又可 分为两部分：上车系统和下车系统。 振动仪的上牟系统和下车系统通过减振块相连，同时通过上车的束缚作用使下车得 到有规律的振动，按照“振动模型”理论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_ 重量实现的，这种设计还可以减小静面雎力与振幅的相关性，实 现振幅和静面压力的单因素可橱。上下车静重的调整可以通过政变r 下车配重块数量来 实玑，在r 车系统七安置振动器。 振动器由两平行转动轴和安装存其l 的一组偏心转子组成。两振动轴上的偏心转子 成对称布置，单个轴上的偏心转子又可分为固定偏心转子和活动偏心转子，如图25 所 示。两平行振动轴通过轴承安置在r 车机构上并通过荫转动臂轴与动力设备中的齿轮 装置上的两转轴相连。这样一米，就实现了振动器的偏心块转速相等但方向相反的转动， 当振动轴带动偏心块高速转动时，两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，从而形成乖直方向的j f 二弦激振力，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。要实现振动实体的垂直振动，机械构造 长安大学硕学位论文 方面势必要求连接振动轴与动力装置的转动臂轴在传递转动的同时还能在垂直面上活 动，为了实现这种复杂的运动转动臂轴上的一向节是功不可没的。 媳。薅一 # 自# 图2 5 固定和活动偏心块构造 2 42 垂直振动的来源 振动来源于偏心块做圆周运动所产生的离心力1 。 磁瘥茏勉 图2 6 单偏心子 图2 6 表示回转的单个偏心子，从偏心子的重心到它的回转轴线的距离称为偏心子 的偏心距，一般用e 表示。于是其离心力表达式为： f 0 # m e o ) 2 由图2 6 可知，单个偏心子的转动是由合力f 0 引起的，它必然分成水平分力f 0e o s x 和垂直分力， s i i l x 。 振动方式有水平圆周振动、垂直圆形振动、水平定向振动、垂直定向振动。在诸多 振动中，已证明了垂直定向振动是效果最好的振动。 在振动时，要得到垂直定向振动，必须抵消其水平分力，于是采用两个偏心块成对 的同速度的反向转动，其水平分力相抵消，得到垂直定向分力的振动。 如图27 在振动器的外壳上仅作用着大小不同的垂直振动力，因为在任何位置，一 第二章水泥稳定碎石的压实及及表面振动设备 对相同偏心子的水平分力大小相等、方向相反，因而平衡了。 f o = m e ( 2 2 m e ( 2 r e 6 0 ) o c o s x 图2 7 振动器 当x = 0 0 ，时s i n x = 0 ，c o s x = l ，两个偏心子的水平分力为最大，且方向相反相 抵消，其垂直分力为o ；当x = 9 0 0 时，s i n x = 1 ，c o s x = 0 ，两个偏心子的垂直分力为 最大，且方向相同相叠加，其水平分力为0 ；当x = 18 0 。时，s i n x = 0 ，c o s x = 1 ，两 个偏，t l , 子的水平分力为最大，且方向相反相抵消，其垂直分力为0 ；当x = 2 7 0 。时， s i n x = 1 ，c o s x = 0 ，两个偏心子的垂直分力为最大，且方向相同相叠加，其水平分力 为0 。 在0 0 、1 8 0 0 时，水平分力为最大，且大小相等、方向相反；在9 0 0 、2 7 0 0 时，垂直 分力为最大，且大小相等、方向相反。 s i n x 和c o s x 的简谐振动图见图2 8 。 2 4 3 表面振动仪的参数值 表面振动仪的参数可分为基本参数和派生参数。基本参数主要包括振动频率、静重、 静偏心力矩；派生参数包括激振力、名义振幅、振动加速度、静面压力等。通过基本参 数的改变实现派生参数的调整。 振动频率就是转轴( 或偏心块) 的转动频率，在0 - - - 5 0 h z 范围内可调；静重就是上下 车系统重量，可通上下车配重块数量来表示；静偏，t l , 力矩是偏心力臂与偏心块重量之积， 在重量固定的条件下，静偏心力矩就是力臂单因素函数，而偏心力臂的改变是通过调整 固定偏心块与活动偏心块夹角来实现的，所以一定程度上可用夹角表示静偏心力矩。如 图2 5 ，固定偏心块与活动偏心块夹角有0 0 ，3 0 0 ，6 0 0 ，9 0 0 ，1 2 0 0 ，1 5 0 0 ，1 8 0 0 七种。0 0 长安大学硕士学位论文 夹角时，固定与活动偏，t l , 块相重叠离心力相加；1 8 0 。夹角时，固定与活动偏心块的位置 对称于转轴轴心线离心力相抵消。表面振动仪的基本参数组合以j j p l sx 的形式表 示，j j 0 p l 3 0 $ 6 x 9 就表示固定与活动偏心块的夹角为0 。，转轴的转动频率为3 0 h z ，上 下车配重块数量分别为6 和9 的基本参数组合，j j 0 p l 3 0 $ 6 x 9 s j l 0 0 表示在前者的基 本参数再加1 0 0 s 的振动时间参数。 激振力、名义振幅和振动加速度的计算公式如下： m 1 = p 万1 2 h l m 2 = 矽z h 2 = 2 n f 石= m l r c 0 2 = m 2 r c 0 2 r = 2 顾了万巧万面网 a = f o m 。c 0 2 口= a f 2 g 式中： m ，活动偏心块的等效重量( k g ) ； m ：固定偏心块的等效质量( k g ) ； h i 话动偏心块的厚度( m ) ；