垂直振動(dòng)壓路機(jī)及其工程應(yīng)用

趙文珅，宋 皓

垂直振動(dòng)壓路機(jī)及其工程應(yīng)用

趙文珅1，宋 皓2

(1.云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程機(jī)械學(xué)院，云南昆明 650500;2.合肥永安綠地工程機(jī)械有限公司，安徽合肥 230601)

為了探究垂直振動(dòng)壓路機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)，從力學(xué)原理、對(duì)比試驗(yàn)和工程應(yīng)用等3個(gè)方面與同噸位圓周振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明:相同試驗(yàn)條件、相同壓實(shí)遍數(shù)下，垂直振動(dòng)各層的壓實(shí)度明顯大于圓周振動(dòng);壓實(shí)12遍后，垂直振動(dòng)的下層壓實(shí)度比圓周振動(dòng)提高3.68%。可見(jiàn)，垂直振動(dòng)的壓實(shí)效率和質(zhì)量比圓周振動(dòng)高，具有明顯的厚層壓實(shí)優(yōu)勢(shì)。研究成果可為高效壓實(shí)和厚鋪層壓實(shí)等提供借鑒。

垂直振動(dòng);振動(dòng)壓路機(jī);壓實(shí)度;厚層壓實(shí)

0 引言

近年來(lái)，高速公路、高速鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展迅速，截止2016年底，中國(guó)高速鐵路、高速公路里程分別達(dá)到2．4萬(wàn)km、13萬(wàn)km，居世界第二位，僅次于美國(guó)。預(yù)計(jì)到“十三五”末，高速鐵路、高速公路將分別達(dá)到3萬(wàn)km、16萬(wàn)km［1-4］。壓實(shí)是各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要一環(huán)，高質(zhì)量的壓實(shí)可以提高被壓實(shí)對(duì)象的承載力和抗?jié)B性，從而提高建設(shè)對(duì)象的壽命［5］。隨著各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)質(zhì)量要求的提高，壓實(shí)技術(shù)的改進(jìn)顯得尤為重要，尤其是厚層壓實(shí)和高效壓實(shí)技術(shù)，已引起基礎(chǔ)建設(shè)工作者的高度重視［6-8］。

本文通過(guò)介紹垂直振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)及設(shè)備，探討其在厚鋪層壓實(shí)及高效壓實(shí)方面的應(yīng)用，以期為厚鋪層壓實(shí)及高效壓實(shí)提供借鑒。

1 垂直振動(dòng)的力學(xué)原理

傳統(tǒng)振動(dòng)壓路機(jī)一般采用非定向振動(dòng)，即圓周振動(dòng)，滾輪內(nèi)只有1根振動(dòng)軸，其高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生大小一定、方向時(shí)刻變化的激振力，帶動(dòng)滾輪實(shí)現(xiàn)圓周振動(dòng)，如圖1所示。

圖1 圓周振動(dòng)原理

激振力F0=meω2(m為偏心塊偏心質(zhì)量，e為偏心距，ω為振動(dòng)軸偏心塊角速度)，其大小不變，方向時(shí)刻在變。

與傳統(tǒng)非定向振動(dòng)不同，垂直振動(dòng)壓路機(jī)的滾輪內(nèi)對(duì)稱(chēng)滾輪中心線安裝有2根相同的振動(dòng)軸，始終保持同步反向高速旋轉(zhuǎn)，各自產(chǎn)生的激振力在水平方向互相抵消，在豎直方向相互疊加、周期交變，從而只產(chǎn)生豎直方向的交變振動(dòng)，如圖2所示。

圖2 垂直振動(dòng)力學(xué)原理

由圖2可知，垂直方向上的激振力

由式(1)可知:激振力F為周期變化的正弦曲線，激振力F與ω的二次方成正比，增大ω會(huì)使激振力F迅速增大;且增大ω代表著振動(dòng)頻率增大，即產(chǎn)生高頻振動(dòng)，可顯著提高壓實(shí)效率。

從圖2可以看出:在初始位置時(shí)(圖2(a))，激振力F=2F0，方向豎直向下;當(dāng)偏心塊從初始位置旋轉(zhuǎn)45°時(shí)(圖 2(b))，F(xiàn)=2F0sin(ωt1)=2meω2sin(ωt1)，F(xiàn) ＜2F0;當(dāng)偏心塊從初始位置旋轉(zhuǎn)90°時(shí)(圖2(c))，兩偏心塊所受的激振力等大反向，合力為零;當(dāng)偏心塊從初始位置旋轉(zhuǎn)180°時(shí)(圖2(d))，F(xiàn)=2F0，方向豎直向上。綜上所述，在偏心塊旋轉(zhuǎn)0°～180°的過(guò)程中，垂直方向上的激振力從最大值2F0交變減小到零，再交變?cè)龃蟮阶畲笾?F0，水平方向合力始終為零。180°～360°的激振力變化情況同理類(lèi)推，從而只產(chǎn)生豎直方向的交變振動(dòng)。

2 垂直振動(dòng)壓路機(jī)的應(yīng)用研究

2．1 室內(nèi)試驗(yàn)

為了直觀地比較垂直振動(dòng)壓路機(jī)與圓周振動(dòng)壓路機(jī)的工作性能，文獻(xiàn)［9］將某國(guó)產(chǎn)22 t單鋼輪垂直振動(dòng)壓路機(jī)與同噸位單鋼輪圓周振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行了室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)。被壓實(shí)土壤類(lèi)型為級(jí)配土，鋪層厚度為80 cm，土壤最大干密度為2.15 g·cm－2，壓路機(jī)以高幅工況壓實(shí)土壤，以恒定的速度往復(fù)壓實(shí)12遍。采用環(huán)刀法在第 2、4、6、8、12遍壓實(shí)后取樣，取樣層深度分別為0 cm(上層)、20 cm(中層)、40 cm(下層)。圖3為高幅工況下壓實(shí)度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 高幅工況下壓實(shí)度對(duì)比

從圖3可以看出:相同試驗(yàn)條件和壓實(shí)遍數(shù)下，垂直振動(dòng)的各層壓實(shí)度明顯大于圓周振動(dòng);壓實(shí)12遍后，圓周振動(dòng)的下層壓實(shí)度僅為86.20%，而垂直振動(dòng)的下層壓實(shí)度可達(dá)89.88%，比圓周振動(dòng)提高了3.68%。可見(jiàn)，垂直振動(dòng)的壓實(shí)效率和壓實(shí)質(zhì)量比圓周振動(dòng)高，具有明顯的厚層壓實(shí)優(yōu)勢(shì)［10-11］。

2．2 工程應(yīng)用

與傳統(tǒng)的振動(dòng)壓路機(jī)相比，垂直振動(dòng)壓路機(jī)在壓實(shí)質(zhì)量、施工費(fèi)用、施工效率等方面具有明顯的優(yōu)越性。

2．2．1 工程實(shí)例一

某工程采用36 cm水泥穩(wěn)定碎石基層全厚式攤鋪碾壓工藝，基層設(shè)計(jì)虛鋪厚度為50 cm，壓實(shí)后的厚度為36 cm，要求壓實(shí)度大于97%。

攤鋪時(shí)用某攤鋪機(jī)全寬度攤鋪，虛鋪厚度為50 cm。壓實(shí)設(shè)備選用某22 t單鋼輪垂直振動(dòng)壓路機(jī)和某14 t雙鋼輪壓路機(jī)各一臺(tái)。壓實(shí)時(shí)，先用14 t雙鋼輪壓路機(jī)靜壓一遍;再用22 t垂直振動(dòng)壓路機(jī)大振(低頻高幅振動(dòng))2遍，速度約2 km·h－1，相鄰輪跡重疊不超過(guò)20 cm，防止漏壓;再小振(高頻低幅振動(dòng))2遍，速度約為2 km·h－1，相鄰輪跡重疊不超過(guò)20 cm;最后采用14 t雙鋼輪壓路機(jī)靜壓收面，如圖4所示。

圖4 36 cm水泥穩(wěn)定碎石基層全厚式碾壓現(xiàn)場(chǎng)

經(jīng)續(xù)砂灌砂法檢測(cè)，壓實(shí)度均值為98.2%;養(yǎng)護(hù)7 d后取芯長(zhǎng)度達(dá)36 cm，抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

2．2．2 工程實(shí)例二

某水利大壩工程建設(shè)時(shí)采用二級(jí)配RCC(碾壓混凝土)，壓實(shí)60 cm厚時(shí)，鋪料70 cm，一次鋪完。壓實(shí)工藝為:靜壓來(lái)回1遍，大振來(lái)回4遍，壓實(shí)速度控制在1～1．5 km·h－1，壓實(shí)條帶搭接寬10～20 cm，最后收光靜壓來(lái)回1遍，如圖5所示。

混凝土壓實(shí)后，按相關(guān)規(guī)范要求檢測(cè)其壓實(shí)度。60 cm 厚 RCC 檢測(cè)深度分別為 30、40、50、60 cm，各深度范圍內(nèi)壓實(shí)度均大于98%，滿足施工要求。工程實(shí)踐證明，采用垂直振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)RCC時(shí)，與同噸位常規(guī)壓路機(jī)相比，功效提高了約1倍。

3 結(jié)語(yǔ)

圖5 某水利大壩大厚度RCC壓實(shí)現(xiàn)場(chǎng)

垂直振動(dòng)壓路機(jī)工作時(shí)，垂直方向上的激振力周期交變，水平方向上的激振力始終為零，理論上只產(chǎn)生作用于地面垂直方向的振動(dòng)，利于厚層壓實(shí)且降低了壓實(shí)能量損失，可顯著提高壓實(shí)質(zhì)量和壓實(shí)效率。

室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明:相同試驗(yàn)條件、相同壓實(shí)遍數(shù)時(shí)，垂直振動(dòng)各層壓實(shí)度明顯大于圓周振動(dòng);壓實(shí)12遍后，垂直振動(dòng)的下層壓實(shí)度比圓周振動(dòng)提高了3．68%。

［1］ 周保成．對(duì)垂直振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)的研究［J］．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014(7):282．

［2］ 王擁己，湯永勝，趙平安．大厚度大寬度水穩(wěn)基層施工設(shè)備配套技術(shù)研究［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)化，2016，33(2):92-95．

［3］ 周保剛，趙 勇．垂直振動(dòng)壓路機(jī)動(dòng)態(tài)特性研究［J］．施工機(jī)械與管理，2017，34(4):89-93．

［4］ 黃金俠．垂直振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)研究探討［J］．黑龍江科技信息，2014(13):23．

［5］ 曾 丹，曹源文，余 銳，等．振動(dòng)壓路機(jī)振幅對(duì)瀝青路面壓實(shí)度影響的研究［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2015，32(7):49-50．

［6］ 鄺宏柱，南兵章，周 立，等．大激振力振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)高液限粘土研究［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2014，31(5):45-49．

［7］ 劉洪海，謝王寶，程永龍，等．輪胎壓路機(jī)與振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)特性與效果研究［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2014，31(2):53-56．

［8］ 張晨光，謝立揚(yáng)，董 武．垂直振動(dòng)壓路機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)研究［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2012，29(3):20-24．

［9］ 李晨光，任雪嬌，蔣文志，等．垂直振動(dòng)與圓周振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)性能對(duì)比［J］．山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，24(2):80-83．

［10］ 宋 皓．垂直振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)及其設(shè)備在路基工程中的應(yīng)用［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2012，29(3):25-28．

［11］ 宋 皓，李彥偉，陳立明．垂直振動(dòng)壓路機(jī)及其在厚層壓實(shí)中的應(yīng)用［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2016，33(10):36-40．

Vertical Vibrating Roller and Its Engineering Application

ZHAO Wen-shen1，SONG Hao2
(1．School of Engineering Machinery，Yunnan Jiaotong College，Kunming 650500，Yunnan，China;2．Hefei Yong'an Greenbelt Construction Machinery Co．，Ltd．，Hefei 230601，Anhui，China)

In order to explore the performance advantages of vertical vibrating roller，a comparison between vertical vibrating roller and circular vibrating roller of the same tonnage was made in aspects of the mechanical principle，comparative test and engineering applications．The results of indoor test show that under the same test conditions and passes，the compaction degree of vertical vibration is significantly higher than that of circular vibration;after 12 times of compaction，the compaction degree of lower layer with vertical vibration is 3．68%higher than that with circular vibration．It appears vertical vibration beats the circular vibration in compaction efficiency and the quality and has obvious advantage in thick layer compaction．The research results provide reference for efficient compaction and thick layer compaction．

vertical vibration;vibrating roller;compaction degree;thick layer compaction

U415．52

B

1000-033X(2017)10-0116-03

2017-03-25

趙文珅(1969-)，男，陜西渭南人，高級(jí)工程師，副教授，從事工程機(jī)械應(yīng)用技術(shù)理論及實(shí)踐的研究和教學(xué)。

［責(zé)任編輯:王玉玲］