壓實機械對土壤應力的影響試驗*

李博容，張志峰，倪 超，陳東方，譚凱明，王若飛

(1.長安大學 工程機械學院，陜西 西安 710064； 2.中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽 471003)

0 引 言

土是一種松散的顆粒材料，土顆粒之間的接觸強度相對軟弱，容易發生相對滑移。振動壓實過程中，由于土壤的塑性變形以及振動鋼輪與土壤接觸的不確定性，使兩者的相互作用表現出復雜的非線性[1]。為此，不少學者一直致力于土壤壓實特性的研究，并逐漸關注壓實機械對土壤應力應變的影響[2-3]。Jude Liu和Radhey L. Kushwaha[4]在室內土槽中進行了振動壓路機不同行駛速度、不同載荷和不同壓實次數的作業工況下，土壤力和位移動態特性的試驗研究，為土壤壓實特性的研究與應用提供了試驗支持。I S Tyuremnov[5]進行了振動壓路機在各種工作模式下振動輪垂直振動的振幅和加速度試驗，可以用于驗證振動壓路機在土壤壓實過程中的數學模型，進而優化壓路機參數和土壤壓實模式。Michael A. Mooney和Robert V. Rinehart[6-7]通過將應力和應變傳感器放置在垂直均勻和非均勻分層試驗臺的多個深度，研究了振動壓路機在加載過程中土的應力應變特性，并將其與所測得的土壤剛度相關聯，擬對土方工程質量進行評估。李晨光[8]針對壓路機名義振幅、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。陳世偉，郭健[9-10]基于地面力學的研究基礎，對鋼輪與地基相互作用力進行理論分析，并通過試驗進行驗證，可為優化壓路機的振動參數以及提高現場施工質量提供理論依據。

振動壓實過程中，土壤的豎向應力比較容易測得，在一定程度上可以間接反映土壤的壓實特性。故為了探究不同深度處級配土的應力狀態，進一步了解振動壓實機理，筆者進行了級配土在低頻高幅工況和高頻低幅工況下的豎向應力測試試驗。

1 試驗準備

此次試驗樣機采用某22 t機械單驅單鋼輪振動壓路機，其基本參數見表1。試驗參照GB/T18148-2015《土方機械壓實機械壓實性能試驗方法》[11]及相關標準，制定樣機在低頻高幅和高頻低幅工況下的振動壓實試驗方案，對級配土豎向應力進行測試。級配土虛鋪厚度約為70 cm，并調整含水率為最佳含水率。

表1 試驗樣機壓實性能參數

試驗前先對級配土進行兩遍靜壓，然后在距離土壤表面深度10 cm、20 cm、30 cm、40 cm和50 cm處布置應力傳感器(如圖1)，以采集振動壓路機在壓實過程中級配土的豎向應力。

圖1 傳感器的布置位置

2 試驗結果分析

2.1 低頻高幅工況

本試驗中樣機以低頻高幅工況進行12遍(前進6遍，后退6遍)壓實作業，試驗測得樣機在級配土中以低頻高幅工況勻速壓實第3遍和第9遍10 cm層壓應力時域和頻域曲線分布規律如圖2～3。

圖2 10 cm處第3遍壓實應力曲線及FFT曲線圖

根據豎向應力時域曲線，在壓實過程中，級配土的豎向應力總體呈現先增加后減少的拋物線型曲線。當振動輪靠近級配土下的應力傳感器時，土壤的豎向應力開始增加；當振動輪處于傳感器正上方時，土壤的豎向應力達到峰值；當振動鋼輪遠離傳感器時，土壤豎向應力開始逐漸減小。

振動輪傳遞給土壤的有效作用力包括靜態作用力和動態作用力，結合豎向應力頻域曲線，土壤的豎向應力由兩部分組成，即靜態壓應力和動態壓應力[12-13]。由于在振動壓實過程中振動輪振動加速度和激振力之間的相位角小于90°，導致激振力和振動輪的慣性力部分抵消，使得動態作用力比靜態作用力小。故而在頻域曲線中，靜態應力值均大于動態應力值。振動壓實的過程中，振動輪自身的重量對土壤的壓實作用為一靜態力(0.98 Hz處)，而激振力、振動輪和機架由振動產生的慣性力為一動態力(27.34 Hz處，與振動輪激振頻率基本一致)。因此，被壓實土壤受到靜態壓應力和動態壓應力的共同作用。

壓實過程中各個深度處應力傳感器測試結果見表2。豎向應力幅值隨壓實深度變化曲線如圖4，豎向應力幅值隨壓實遍數變化曲線如圖5。

圖3 10 cm處第9遍壓實應力曲線及FFT曲線圖

表2 不同深度處級配土的豎向應力值

圖4 豎向應力幅值隨壓實深度變化曲線

圖5 豎向應力幅值隨壓實遍數變化曲線

綜合圖4、5，土壤的豎向應力值隨著深度的增加而減小，曲線基本呈現一種線性衰減的趨勢，其原因在于應力在土壤中的傳播隨深度的增加而衰減，衰減速度隨深度的增加而減小。在同一深度處的豎向應力值隨著壓實遍數的增加呈現出鋸齒狀的增加趨勢，其原因在于土壤在被壓實的過程中，每遍壓實都能使土壤的密實度增加，密實度的提高更有利于壓力的傳播。

且振動鋼輪與土壤的接觸面積減小，接觸壓力提高，使得不同深度處的測試應力值增加。曲線之所以呈現出鋸齒狀，是由于振動壓路機在壓實的過程中采用前進6遍、后退6遍的方式進行壓實。前進壓實的過程中，振動軸的旋轉方向與鋼輪的旋轉方向一致，這就導致振動輪對土壤的最大作用力的位置發生一定的偏移，并不位于振動輪的正下方。故而與豎直方向存在一定夾角，作用力一大部分用于豎直方向的壓實作用，另一小部分則用于對土壤的擠推作用。在后退壓實的過程中，振動軸的旋轉方向與鋼輪的旋轉方向相反，水平方向上的力可以進行一部分的抵消。此時振動輪給予土壤的應力或振動能量更多，壓實的作用力位置更加靠近或位于振動輪的正下方，更有利于土壤的壓實。

2.2 高頻低幅工況

本試驗中樣機以高頻低幅工況進行12遍(前進6遍，后退6遍)壓實作業，試驗測得樣機在級配土中以高頻低幅工況勻速壓實第3遍和第9遍20 cm層壓應力時域和頻域曲線分布規律如圖6、7。

圖6 20 cm處第3遍壓實應力曲線及FFT曲線圖

根據豎向應力時域曲線，在壓實過程中，該工況下級配土的豎向應力與低頻高幅工況下的應力分布規律基本一致，均呈現出先增加后減小的拋物線規律。根據豎向應力頻域曲線，土壤的豎向應力亦由兩部分組成，即靜態壓應力(0.98 Hz處)和動態壓應力(29.30 Hz處，與振動輪激振頻率基本一致)，同樣靜態應力值大于動態應力值。

圖7 20 cm處第9遍壓實應力曲線及FFT曲線圖

壓實過程中各個深度處應力傳感器測試結果見表3。豎向應力幅值隨壓實深度變化曲線如圖8，豎向應力幅值隨壓實遍數變化曲線如圖9。

圖8 豎向應力幅值隨壓實深度變化曲線

圖9 豎向應力幅值隨壓實遍數變化曲線

表3 不同深度處級配土的豎向應力值 /kPa

綜合圖8、9，土隨著深度的增加，土壤豎向應力迅速減小，近似負冪函數規律進行衰減。同一深度處的豎向應力值隨著壓實遍數的增加而增大，淺層土壤處的豎向應力增加明顯，隨著深度的增加，豎向應力的增加逐漸趨于平緩。

2.3 不同工況下土壤豎向壓力的對比分析

振動壓實過程中，試驗測得低頻高幅和高頻低幅工況下不同深度處土壤豎向應力在時域和頻域的分布規律。根據時域曲線，級配土的豎向應力均呈現先增加后減少的拋物線型曲線，當振動輪處于傳感器正上方時，土壤的豎向應力達到峰值。根據頻域曲線，級配土所受的豎向壓應力均由振動輪自重傳遞給土壤的靜態壓應力和激振力傳遞給土壤的動態壓應力，且靜態應力值大于動態應力值。

第三遍壓實兩工況各層深度的動態應力與靜態應力值及其比值見表4。相同振幅下，隨著深度的增加，動態應力與靜態應力的比值逐漸增大，這說明動態應力對土壤的壓實有較大的影響，動態應力對于級配土壓實度的提高作用更加明顯。同時，低頻高幅工況動態應力與靜態應力的比值明顯高于頻低幅工況，說明振動幅度對豎向應力影響較大，高幅工況下對級配土的壓實效果更加顯著。

表4 第3遍壓實動態應力和靜態應力值

對比圖4和圖8，土壤的豎向應力值均隨著深度的增加而減小。但是，低頻高幅工況曲線基本呈現一種線性衰減的趨勢。而高頻低幅工況曲線近似負冪函數規律進行衰減，其衰減速度明顯快于低頻高幅工況。說明高幅工況對級配土的壓實更加深入，隨著土壤壓實度和剛度的提高，豎向應力可以作用到級配土更深層。對比圖5和圖9，同一深度處的豎向應力值隨著壓實遍數的增加均呈現增加趨勢。但是對比高幅工況，高頻低幅工況的豎向應力明顯較小，級配土更深層的豎向應力增加逐漸平緩。在50 cm處，該工況下土壤豎向應力基本不發生變化。故激振力大小對豎向應力影響較大，高幅工況下對級配土的壓實效果更顯著。

3 結 論

通過試驗對比分析了低頻高幅和高頻低幅工況下級配土中的豎向應力的分布規律，試驗結果表明：

(1) 振動壓實過程中，級配土的豎向應力總體呈現先增加后減少的拋物線型曲線，在頂點處豎向應力達到最大。

(2) 振動壓實過程中，土壤的豎向應力由靜態應力和動態應力構成，且靜態應力幅值大于動態應力幅值，但是動態應力對土壤的壓實度提高有較大的影響。

(3) 振動壓實過程中，土壤的豎向應力值隨著深度的增加而減小，同一深度處的豎向應力隨著壓實遍數的增加而增大。通過對比，采用低頻高幅工況對土壤進行壓實的效果更加顯著。