探討振動壓路機(jī)的壓實(shí)施工參數(shù)對路基壓實(shí)度的影響因素

【摘 要】振幅、頻率及速度是振動壓路機(jī)路基壓實(shí)施工時的主要控制參數(shù)，因此它們?nèi)齻€參數(shù)選取的好壞將直接影響路基的壓實(shí)質(zhì)量。為了研究此三個參數(shù)在不同水平對壓實(shí)度的影響，本文設(shè)計(jì)了以的振動壓路機(jī)為壓實(shí)設(shè)備，黃土為壓實(shí)材料，壓實(shí)度為指標(biāo)的三因素三水平的正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：各因素不同水平下，壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的增加而增大，但增長速率不同；振幅對壓實(shí)度影響最大，其次是碾壓速度，而振動頻率對壓實(shí)度影響較小。試驗(yàn)確定的最佳施工參數(shù)為振幅2.0mm，頻率30Hz，速度2.4km/h。

【關(guān)鍵詞】振幅頻率；速度；壓實(shí)度

0.引言

在公路機(jī)械化施工中，壓實(shí)機(jī)械主要是指振動壓路機(jī)。振動壓路機(jī)主要用在公路、鐵路、機(jī)場、港口建筑等工程中，用來壓實(shí)各種土壤、碎石料、各種瀝青混凝土等。而對于路基壓實(shí)，國內(nèi)大多采用單鋼輪振動壓路機(jī)。2010年，我國共銷售壓路機(jī)25581臺，其中單鋼輪振動壓路機(jī)的銷售總量將近壓路機(jī)銷售總量的70%.本文將主要以單鋼輪振動壓路機(jī)為主進(jìn)行分析。

1.振動壓路機(jī)壓實(shí)施工參數(shù)的正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在國內(nèi)某大型土槽試驗(yàn)場進(jìn)行。振動壓實(shí)設(shè)備選用自行設(shè)計(jì)的振動壓路機(jī)模型，其主要參數(shù)為：頻率28～33Hz，振幅1.8～2.1mm，壓實(shí)時速度范圍大概在2.4～3km/h。

試驗(yàn)的過程中，需要對壓實(shí)材料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，以確定其最佳含水量及最大干密度；對壓實(shí)后的材料應(yīng)用環(huán)刀法檢測壓實(shí)度，因此本試驗(yàn)的其他設(shè)備如下表1。

表1試驗(yàn)用其他設(shè)備

1.2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為黃土（見圖1），土質(zhì)均勻，結(jié)構(gòu)較致密，存在少量蟲孔及植物根莖孔洞。按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)對試驗(yàn)用黃土做重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定其最大干密度及最佳含水量。試驗(yàn)取8組數(shù)據(jù)，通過EXCEL軟件中的數(shù)據(jù)分析工具，采用最小二乘法對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得曲線擬合方程如下：ρd=-0.0002ω5+0.0102ω5－0.2687ω4+3.74350ω3－28.979ω2+118.25ω－196.97相關(guān)系數(shù)R=0.996，接近于1，曲線擬合較精確。經(jīng)計(jì)算求得ρdmax=1.958，其所對應(yīng)的ω=10.5，即最大干密度為1.958 g/cm3，最佳含水量為10.5%，繪制擊實(shí)曲線見圖1，本文所給出的壓實(shí)度值均是按此換算的。

1.3試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)壓實(shí)設(shè)備的振幅、頻率及速度的范圍，確定各因素及其水平如表2所示。

由于本試驗(yàn)的影響因素包括振幅、頻率及速度等3個，每個因素又包含3個水平，由于三個因素彼此相對獨(dú)立，不必考慮交互作用，因此只要選擇三水平正交表即可。但三水平正交表中不存在三因素三水平的正交表，即不能完成“對號入座”，所以選用L9（34）正交表。即用9組試驗(yàn)全面反映了各因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2.試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用環(huán)刀法測量各工況壓實(shí)度結(jié)果，各工況的壓實(shí)度均隨碾壓遍數(shù)的增加而增加。且壓實(shí)度的變化趨勢大致相同，前幾遍壓實(shí)度增加幅度較大，后幾遍壓實(shí)度增加較慢。碾壓12遍后，各工況下黃土路基的壓實(shí)度均能≥90%。相比較而言，工況8的壓實(shí)效果最好，最終壓實(shí)度達(dá)到94.37%；工況3的壓實(shí)效果較差，壓實(shí)度僅為90.09%。

根據(jù)壓實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果，把各因素每一水平下的3組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平均，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可得在不同的振幅、頻率和速度的作用下，壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系曲線可知：

（1）在各因素不同水平下，壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的增加而增大，但增長速率（斜率）不同，由此可以說明各因素的變化對壓實(shí)效果的影響不同。

（2）在同一振動壓實(shí)過程中，壓實(shí)度增長速率不同。前8遍壓實(shí)度增長較快，之后壓實(shí)度增長速率降低。這說明黃土在碾壓8遍左右已相對密實(shí)，顆粒之間的摩擦力增加，嵌擠作用增強(qiáng)，在同一壓實(shí)功下碾壓遍數(shù)的增加對壓實(shí)度的影響較小。

（3）在相同的碾壓遍數(shù)下，壓實(shí)度隨振幅、頻率的增加而增加，但振幅較頻率而言，對壓實(shí)度的影響更為顯著。而速度對壓實(shí)度有負(fù)作用，速度增加反而壓實(shí)度減小。

下面分析單個因素對壓實(shí)度的影響，采用方差分析法。將分析結(jié)果列于方差分析表6中。從上述分析可以看出，振幅和速度的F值均大于F0.05(2，4)，說明有99.5%的把握判斷它們對壓實(shí)度有顯著地影響。而且F振幅＞F速度，說明振幅對速度而言，對壓實(shí)度的影響更為顯著。振幅越大，使土壤參加振動的質(zhì)量越多，從而可以增加壓實(shí)影響深度或壓實(shí)厚度，換句話說，振幅越大，顆粒獲得的能量也就越多，這樣更有利于顆粒之間克服顆粒間的內(nèi)摩擦力，使路基密實(shí)。

壓實(shí)度與碾壓速度成負(fù)作用關(guān)系，說明速度低更可能獲得較高的壓實(shí)度。因?yàn)楫?dāng)材料的壓實(shí)功一定時，速度較低時，單位面積受到的振動次數(shù)增加，材料受到的振動能量也隨之增加，因而低速度比高速度更有利于材料的壓實(shí)。但速度低時生產(chǎn)率下降，因此，實(shí)際作業(yè)中，在確保壓實(shí)質(zhì)量的同時，可適當(dāng)提高碾壓速度。

頻率對壓實(shí)的影響不顯著。雖然隨著頻率的上升，黃土的壓實(shí)度增加，但是增加的幅度比較小。當(dāng)頻率增加到30Hz（下轉(zhuǎn)第162頁）（上接第178頁）時，壓實(shí)度最大為92.38%。而黃土的固有頻率在30Hz左右，即振動輪頻率可與土壤固有頻率相近，發(fā)生共振作用，故此時振動壓實(shí)效果較好。試驗(yàn)優(yōu)方案的選取方法是繪制因素趨勢圖，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得各因素不同水平對壓實(shí)度的影響的趨勢圖，壓實(shí)度隨振幅的增加而增加，當(dāng)振幅為2.0mm時，壓實(shí)度最大為93.56%；壓實(shí)度隨頻率的增加而增加，當(dāng)頻率為30Hz時，壓實(shí)度最大為92.38%；壓實(shí)度隨速度的增加而減小，當(dāng)速度為2.4km/h時，壓實(shí)度最大為93.37%。由此可知，振幅2.0mm，頻率30Hz，速度2.4km/h就是本次試驗(yàn)的優(yōu)方案。

3.結(jié)論

（1）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)。相比于全面試驗(yàn)，正交試驗(yàn)最突出的優(yōu)點(diǎn)就是可以用較少的試驗(yàn)次數(shù)，得到與全面試驗(yàn)相同的結(jié)果。

（2）對9種工況進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果壓實(shí)度均隨碾壓遍數(shù)的增加而增加，且前期增加幅度（也就是斜率）大于后期；分析不同的振幅、頻率和速度的作用下，壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系可知：壓實(shí)度隨振幅和頻率的增大而增大，而隨速度的增大而減小。

（3）由正交試驗(yàn)的結(jié)果的方差分析可知，三因素對壓實(shí)度的影響程度，振幅最大，速度次之，而頻率對壓實(shí)度的影響較小。

（4）結(jié)合趨勢圖，確定本試驗(yàn)的優(yōu)方案為振幅2.0mm，頻率30Hz，速度2.4km/h。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

［１］JTG E40-2007.公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民教育出版社，2007.9.

［２］GB/T 18148-2000.壓實(shí)機(jī)械壓實(shí)性能試驗(yàn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.7.

［３］李云雁，胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].第二版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.10.

［４］李志西，杜雙奎.試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析[M].北京:科學(xué)出版社，2010.6.