機械式單鋼輪振動壓路機作業性能研究

宋 楠 ， 張志峰,2 ， 陳東方

（1.長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064；2.長安大學道路施工與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

0 引言

單鋼輪振動壓路機是振動壓路機的重要類型，在基礎交通建設中廣泛應用，主要是用于路基土方的壓實。單鋼輪振動壓路機按照其驅動方式分為機械式和液壓式。機械式單鋼輪振動壓路機的鋼輪是其工作裝置，主要是通過自重和振動使土方變得密實；橡膠輪胎是其行走裝置，驅動機械行走。全液壓式的單鋼輪振動壓路機則能實現全驅，即鋼輪存在驅動力。路基在公路結構中起到了非常重要的作用，路基能夠支撐路面，避免路面懸空，承受路面向下傳遞的載荷，并且將載荷向下傳遞。如果路基土方的壓實度不夠，那么公路在通行后可能發生不均勻的沉降，進而產生路面塌陷、路面開裂等問題[1]。路基壓實作業的施工質量越高，路基對于路面以及路面載荷的承載能力就會越高，路基的穩定性也會越好。研究表明，路基的壓實度每提高1%，路基的承載能力就能提高10%[2]。

目前，國內大部分使用機械式單鋼輪振動壓路機對路基土方壓實作業的施工建設，在公路建設完成后，路面都會有一定的裂縫存在[3-6]。這種缺陷的存在會導致公路施工驗收受到影響，影響施工單位的經濟利益。因此，需要研究這種缺陷產生的原因，以找到相應的解決辦法。

1 壓實路面產生裂紋的分析

振動鋼輪工作時是否存在驅動力會存在非常大的區別，這是由于兩種鋼輪的受力不同，對地面的作用也不相同。圖1是存在驅動力的振動鋼輪受力示意圖，圖2是不存在驅動力的振動鋼輪受力示意圖。

圖1 驅動鋼輪作用力

圖2 非驅動鋼輪作用力

從圖1可知，主動輪進行壓實時，存在以下作用力：機架對鋼輪的作用力Fp1、被壓實材料對鋼輪的作用力Fc1、地基對鋼輪的作用力Fs1、鋼輪上分配的載荷Wg1、驅動鋼輪行駛的轉矩M。

鋼輪如果想要穩定地工作和行駛，鋼輪各個方向上的所受力和轉矩需要達到平衡，根據圖1所表示的力和轉矩，可以得到下列等式：

在非驅動鋼輪進行壓實作業的時候，鋼輪受力情況在圖2中進行說明。有鋼輪上分配的垂直方向的載荷Wg2、驅動鋼輪行進的水平方向作用力Fp2、被壓實材料對鋼輪的作用力Fc2、地基對鋼輪的作用力Fs2。

同理，為了保證鋼輪平穩運行和工作，應存在以下關系：

2 級配土的抗剪強度試驗研究

目前，機械式單鋼輪振動壓路機進行壓實所存在的缺陷大部分都是路基存在裂縫，所以主要存在的問題就是土的剪切破壞。為了確定土的極限強度，需進行抗剪試驗。

依據《土工試驗方法標準》中規定的方法，通過擊實的方法制取不同干密度的試驗樣品[7]。三種試驗樣品的干密度分別是1.7 g/cm3、1.8 g/cm3和1.9 g/cm3；試樣樣品有4種含水率，分別是9.1%、11.1%、13.1%和15.1%。通過對不同試驗樣品進行剪切試驗，分析以上因素對級配土極限強度的影響。

對試驗樣品的剪切試驗，可以得到如表1、表2、表3所示的結果。

由表1、表2、表3可以看出，在一定干密度和含水量的條件下，土樣的抗剪強度與正壓力，呈近似正相關關系，當正壓力較大時，試驗樣品的剪切極限強度會隨著干密度的變大，發生更大的變化。

表1 直剪試驗結果（干密度為1.7 g/cm3）

表2 直剪試驗結果（干密度為1.8 g/cm3）

表3 直剪試驗結果（干密度為1.9 g/cm3）

試樣抗剪強度對含水量的變化十分敏感[8]。同時，無論干密度情況如何，抗剪強度值總是隨含水量的增大而減小[9]。

不論級配土試樣的含水量為多大時，其抗剪強度值都是隨著干密度的增大而近似線性提高的[10]。

3 試驗樣機壓實試驗研究

采用22噸振動壓路機為試驗樣機，進行壓實試驗研究。參照《土方機械壓實機械壓實性能試驗方法》等標準制定試驗方案[11]。在長安大學土槽實驗室內進行試驗。在土槽內鋪設含水量為9.1%的土約70 cm。由于剪切試驗時，存在一定壓力，所以在振動試驗開始前，先對試驗樣品進行兩遍靜壓。進行振動壓實試驗，為了達到較好的試驗效果，并且得到相關規律，對試驗樣品進行12遍振動壓實，按照相關標準取表層、20 cm、40 cm深度處的土樣，并測試其壓實度。試驗樣機按照試驗設定的作業速度行進，采用28 Hz/1.86 mm的振動參數對試驗樣品進行振動壓實作業。測試不同壓實遍數壓實后土方產生裂紋的寬度和兩條裂紋間距離，測量結果如表4所示。

表4 裂紋寬度與相鄰裂紋間隔

試驗結果表明，壓實兩遍后試驗樣品就開始產生裂紋，而且裂紋寬度是試驗中最大的。接下來的試驗中，裂紋大小不再變化且均小于壓實兩遍后的裂紋大小。兩相鄰裂紋間隔隨壓實遍數的增加而減小[12]。

所取試驗樣品的壓實度測量結果如表5所示，所取試驗樣品的干密度測量結果如表6所示，所取試驗樣品的含水量測量結果如表7所示。

表5 樣機壓實試驗壓實度試驗結果

表6 樣機壓實試驗干密度試驗結果

表7 樣機壓實試驗含水量試驗結果

分析表5和表6中的數據可以得到以下結論：在試驗規定的條件下，各取樣深度對應的土樣壓實度和干密度均隨壓實遍數的增多而增大；在振動壓實8遍后，表面干密度和壓實度達到最大。

4 結語

通過理論分析和試驗研究相結合的方法，分析了土壤裂紋產生的原因。完成了土壤剪切試驗和振動壓實試驗，主要得到了以下結果：

1）土壤壓實過程中，由于在非驅動鋼輪上存在水平推力，所以非驅動鋼輪進行壓實作業時，易產生裂紋等路面缺陷。

2）進行了土樣的剪切破壞實驗試驗。試驗結果表明，在任一干密度和含水量下，土樣的強度總是隨著正壓力的增加而增大。

3）土樣的強度隨著含水量的增加而減小，且干密度越大，試樣的強度值受含水量增加的影響越顯著。強度值總是隨著干密度的增加而近似線性地增大。

4）完成了振動壓實試驗。試驗結果表明，壓實度和干密度隨著壓實遍數的增加而增大。