垂直振動與圓周振動壓路機壓實性能對比

李晨光，任雪嬌，蔣文志，武甜，曹鑫鑫

(長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西西安　710064)

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垂直振動與圓周振動壓路機壓實性能對比

李晨光，任雪嬌，蔣文志，武甜，曹鑫鑫

(長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西西安710064)

摘要：采用理論分析和試驗研究的方法，利用壓路機名義振幅、土壤壓實度、鋪層沉降量3個參數，對同噸位垂直振動壓路機與圓周振動壓路機的壓實性能進行對比。結果表明，相比于傳統圓周振動壓路機，同噸位垂直振動壓路機高幅振動時名義振幅增大17%，低幅振動時增大40%，且3層土壤壓實度分別達到96.83%、92.62%、89.88%，6遍高幅壓實后鋪層的沉降量占到總累計沉降量的75%以上。垂直振動壓路機能產生更大的壓實激振力，壓實影響深度大，且能以較少的壓實遍數使土壤密實，壓實效率更高。

關鍵詞：垂直振動壓路機；圓周振動壓路機；名義振幅；壓實度；沉降量

圖1　圓周振動壓路機振動示意圖

振動壓路機是公路建設中必不可少的施工設備，自20世紀三四十年代首次出現開始[1]，振動壓實技術不斷發展創新，出現了多種多樣的振動壓實機械。其中，垂直振動壓實是近幾年來國內外出現并逐漸興起的一種新型壓實技術。

圖2　垂直振動壓路機示意圖

傳統的圓周振動壓路機普遍通過偏心塊的高速旋轉，采用如圖1所示的單軸激振系統[2]，使鋼輪產生沿圓周方向的振動。這種振動形式不僅會引起鋼輪在水平方向的橫向振動，難以保證在低速壓實時的穩定性，還會增加振動功率消耗。垂直振動壓路機的激振機構，采用如圖2所示的雙軸激振系統[3]，可以使水平方向上的激振力相互抵消，消除壓路機在水平方向的橫向振動，保證了振動壓路機低速壓實時的穩定性，提高壓實作業質量。且垂直振動壓路機理論上只產生作用于垂直地面方向的振動，全部用于壓實土壤作業，因此大大降低能量損失[4-7]。

1理論分析

1.1振幅與土壤慣性力的關系

在振動壓路機的壓實過程中，鋼輪下的土壤顆粒受迫振動，質量m的土壤顆粒受到的慣性力[8]

F=-mAω2cos(ωt+β)，

(1)

式中：A為振幅；β為相位角；ω為振動頻率；t為時間。

由式(1)可知，當振動輪振動頻率ω確定后，振動輪振幅A越大，則在相同壓實深度下，土壤顆粒受到的慣性力越大，越容易克服周圍其他土壤顆粒間的摩擦力而偏移自己原來的位置，即越容易被壓實。對于傳統的圓周振動壓路機，因為其自身結構的局限，過大的振幅會影響壓路機低速行駛的穩定性，但垂直振動壓路機的激振系統從結構上消除了振動輪的水平振動，保證了壓路機在低速壓實時的行駛穩定性；垂直振動壓路機可以設計比圓周振動壓路機更大的振幅，豎直向下的激振力更大，從而對土壤顆粒施加更大的慣性力，提高壓路機的壓實能力。

1.2壓實度檢測

壓實度是路基路面施工質量檢測的關鍵指標之一，表征土壤壓實后的密度狀況，壓實度越高，密度越大，材料整體性能越好[9-10]。對于路基、路面半剛性基層及粒料類柔性基層而言，壓實度是指壓實后實際達到的干密度與室內標準擊實實驗最大干密度的比值[11]。試驗時采用環刀法測量土壤的壓實度[12]。

壓實土樣的含水率

q=(mhs-mhg)/(mhg-mh)×100%，

式中:mhs為盒與濕土的質量；mhg為盒與干土的質量；mh為盒的質量。

壓實土樣的干密度

ρg=(mdt-md)/〔V(1+q)〕×100%，

式中：ρg為壓實土樣的干密度；mdt為環刀和土的質量；md為環刀的質量；V為環刀的容積。

則壓實度

n=ρg/ρmax×100%，

式中ρmax為土壤在試驗含水率下的最大干密度。

2試驗分析

為了對垂直振動壓路機與圓周振動壓路機的工作性能有直觀的比較，現對某國產22 t單鋼輪垂直振動壓路機與同噸位單鋼輪圓周振動壓路機進行試驗測試，從名義振幅、壓實作業后土壤沉降量和壓實度3個方面進行對比分析。

2.1名義振幅

由式(1)可知，振幅決定了振動壓路機對土壤顆粒作用的慣性力[13-15]，同時也在一定程度上決定了壓實深度。在參振質量及激振頻率一定的情況下，較大的振幅不僅能提高土壤的壓實度，同時也會提升壓實作業的深度[16]。為了測定兩種不同振動壓路機的名義振幅，在試驗過程中，將鋼輪懸空[17]，在輪寬方向的5個點均勻布置5個加速度傳感器，利用DEWEsoft SIRIUS數采儀進行數據采集處理，表1為各測點名義振幅測定結果的平均值，圖3～6為壓路機高幅振動時鋼輪振動加速度的波形圖和頻譜圖(測點5)。

表1　兩種振動壓路機名義振幅測定結果

測定結果表明，垂直振動壓路機高、低幅振動時名義振幅分別為2.06、1.22 mm，而圓周振動壓路機高、低幅振動時名義振幅為1.76、0.87 mm。與圓周振動壓路機相比較，垂直振動壓路機高幅時振幅增大17%，低幅時振幅增大40%。與圓周振動壓路機相比，垂直振動壓路機能產生更大的壓實激振力，且壓實影響深度更大。

圖3　垂直振動高幅加速度波形圖　　　　　　　　　　圖4　垂直振動高幅加速度頻譜圖

圖5　圓周振動高幅加速度波形圖　　　　　　　　　　圖6　圓周振動高幅加速度頻譜圖

2.2土壤壓實度

路基壓實度是路基路面施工質量檢測的關鍵指標之一。據統計，路基材料的壓實度每增加 1%，路面的承載能力相應的提高10%～15%[18-19]。因此，提高路基壓實度對道路施工質量至關重要。

在長安大學國家道路工程實驗室的土槽內進行2臺22 t振動壓路機的壓實試驗。其中，土壤類型為級配土，土壤鋪層厚度為80 cm，土壤最大干密度為2.15 g/cm2，壓路機以高幅工況壓實土壤，以恒定的速度往復壓實12遍。采用環刀法取樣，在第2、4、6、8和第12遍壓實后取樣，取樣層深度分別為0 cm(上層)、20 cm(中層)、40 cm(下層)處。表2為壓實度的測試處理結果。

表2　高幅工況壓實度測試結果

從表2可以看出，在以高幅工況往復壓實12遍后，垂直振動壓路機可使土壤在0、20、40 cm處的壓實度分別達到96.83%、92.62%、89.88%，而圓周振動壓路機的3層土壤壓實度分別為91.37%、89.86%、86.20%。這說明，與圓周振動壓路機相比，同噸位的垂直振動壓路機對土壤的壓實度更高、壓實性能更為優越、壓實作業的影響深度更大。垂直振動壓路機壓實度隨壓實遍數的變化更快，說明其能使土壤密實速率提高，壓實效率也更高。

2.3鋪層沉降量

鋪層沉降量的變化情況可以間接反映振動壓路機的壓實效果[20-21]。試驗過程中，垂直振動壓路機在土槽內以高幅工況往復壓實12遍，壓實試驗前土壤鋪層厚度80 cm。在第2、4、6、8、10、12遍壓實后測量鋪層沉降量。土壤鋪層累計沉降量和相對沉降量的統計結果記錄在表3中。圖7為各遍壓實后相對沉降量占總的累計沉降量的比例。

表3　垂直振動壓路機鋪層沉降量統計結果　單位：mm

圖7　垂直振動各遍壓實后相對沉降量比例圖

從測試結果可以看出，前6遍壓實，土壤鋪層的沉降量增加迅速，前6遍高幅壓實后鋪層的沉降量占總的累計沉降量的75%以上；而后6遍壓實時，鋪層壓實度增加較為緩慢，說明鋪層土壤很快達到很高的密實度，趨于穩定。且從表2中可以看出，第6遍壓實后，0、20、40 cm處的壓實度分別達到95.84%、91.46%和89.61%。說明垂直振動壓路機壓實效率很高，能夠以很少的壓實遍數使鋪層土壤達到很高的壓實度。

3結論

1)同噸位的垂直振動壓路機，由于激振系統結構上的優勢，與圓周振動壓路機相比，高幅時名義振幅增大了17%，低幅時名義振幅增大了40%。表明垂直振動壓路機與圓周振動壓路機相比能產生更大的壓實激振力，且壓實影響深度更大。

2)與圓周振動壓路機相比，同噸位的垂直振動壓路機對土壤的壓實度更高，垂直振動壓路機3層土壤壓實度分別達到96.83%、92.62%、89.88%，而圓周振動壓路機3層土壤壓實度分別為91.37%、89.86%、86.20%。說明垂直振動壓路機壓實性能更為優越，作業影響深度更大。且能以較少的壓實遍數使土壤密實，6遍高幅壓實后鋪層的沉降量占到總累計沉降量的75%以上，壓實效率更高。

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(責任編輯：郎偉鋒)

收稿日期：2016-03-30

作者簡介：李晨光(1990—)，男，陜西咸陽人，碩士研究生，主要研究方向為機械設計及理論，E-mail：604128824@qq.com.

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.02.015

中圖分類號：U415.521

文獻標志碼：A

文章編號：1672-0032(2016)02-0080-05

Comparison of Compaction Performance Between Vertical Vibratory Roller and Circular Vibratory Roller

LIChenguang，RENXuejiao，JIANGWenzhi，WUTian，CAOXinxin

(KeyLaboratoryforHighwayConstructionTechnologyandEquipmentofMinistryofEducation,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China)

Abstract:By using the methods of theoretical analysis, experimental study and the three parameters: the nominal amplitude, the soil compaction degree and the settlement of the paving layer, the compaction performance of the vertical vibratory roller and circular vibratory roller is compared in the paper. The results show that compared with the traditional circular vibratory roller, the nominal amplitude of the vertical vibratory roller with same tonnage increases by 14% in high amplitude vibration and 40% in low amplitude vibration, the compaction degree of the 3 layers reaches 96.83%, 92.62%, 89.88%, and the settlement of the paving layer reaches 75% of the total accumulated settlement after 6 times of high amplitude compaction. The vertical vibratory roller can produce a greater compaction force, compaction has great influence on the depth and can make the soil compacted with less compaction times, and the compaction efficiency is higher.

Key words:vertical vibratory roller；circular vibratory roller；nominal amplitude；compaction degree；settlement