不同振動壓實工作裝置對軟巖挖方材料壓實效果的對比研究

崔晉陽，吳文震，丁智勇，賈麗霞，聶澤濤

（1.山西路橋第三工程有限公司，山西忻州 034000；2.長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，西安 710064）

0 引言

壓實是大部分土建工程施工中一個關鍵環節，壓實效果的影響因素很多，只有充分根據工程實際提出有效的技術措施，才能提高壓實效率[1]。胡偉[2]結合井睦高速工程實踐對沖擊壓實技術對壓實效果的影響進行了分析，沖擊壓實法可以使石料空隙減小，路堤穩定性增加；李晨光等[3]采用理論分析和試驗研究對圓周振動和垂直振動的壓實性能進行對比；劉東[4]研究了大噸位壓路機壓實填石路基時石料的破碎、擠密、壓實程度；N. H. Minh等[5]利用離散元軟件研究了粒徑分布對顆粒土材料一維抗壓性能的影響，發現小顆粒填充孔隙明顯，顆粒破碎可以提高密實度；N. S. Weerasekara等[6]研究了離散元方法模擬顆粒斷裂和破碎，驗證了離散元方法在模擬顆粒破碎中的作用。

為了深入研究軟巖挖方材料在壓實施工過程中的壓實效果，本文研究中建立了3種振動壓實機械工作裝置模型分別對軟巖顆粒模型進行了壓實過程仿真試驗研究。

1 振動壓實仿真模型建立

工程中挖方得到的巖石顆粒一般是不規則的，形狀復雜，為了達到實際效果，本文在離散元仿真軟件中使用不規則模板進行顆粒手動填充，建立不規則顆粒，然后設置顆粒工廠大量生成。巖石顆粒材料和鋼材在仿真中的本征參數和接觸參數設置如表1和表2所示。

表1 模型本征參數

表2 模型接觸參數

在壓實施工過程中易出現破碎，為了可以模擬實際壓實中軟巖顆粒破碎的情況，本文仿真試驗中，采用平行粘結理論建立抗壓強度為40 MPa的可破碎巖石顆粒模型；之后選用軟件中的Hertz-Mindlin with bonding模型，將所建的可破碎顆粒分層填充成壓實層結構模型，長為1720 mm，寬為1620 mm，高為610 mm，模型如圖1所示。

圖1 可破碎顆粒填充的壓實仿真模型

研究中使用RECURDYN建立了壓實裝備工作裝置的動力學模型，而不是建立整個壓路機的仿真模型。建模中參考了ZRS320E型壓路機，該壓路機整車質量為22 t、前輪分配質量為14 000 kg、頻率為29 Hz、振幅為1.9 mm、行駛速度為2.95m/s，振動輪的直徑為1600 mm、寬為1200 mm、輪厚為50 mm。

圓周振動的壓實工作裝置模型主要是由激振機構和外鋼輪組成，激振機構提供激振力，外鋼輪負責工作裝置的行走。

垂直振動的壓實工作裝置模型未改變圓周振動模型的外鋼輪，在激振力不變的情況下，改變了激振機構的振動振型，具體是將偏心塊分1個大偏心塊和2個小偏心塊，大偏心塊和小偏心塊起始相位差為0，運動方向相反，實現了激振力的定向激振。

凸塊式振動輪并未改變圓周振動壓實工作裝置的激振機構，僅在圓周振動的外鋼輪上加裝了質量相對外鋼輪質心分布均勻的凸塊，增大了外鋼輪上局部的壓強。3種振動壓實機械工作裝置的仿真模型如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 圓周振動模型圖

圖3 凸塊式振動模型圖

圖4 垂直振動模型圖

2 仿真試驗結果及分析

2.1 凸塊式振動與圓周振動壓實效果比較

通過對振動壓實工作參數均相同的凸塊式振動與圓周振動分別與軟巖顆粒模型進行振動壓實過程的耦合仿真，壓實效果比較如表3所示。

從表3分析，在前6遍壓實過程中凸塊式振動沉降快，第7遍到第8遍圓周振動的沉降快，壓實第5遍時凸塊式振動與圓周振動的空隙率相差最大達到0.49%。壓實8遍后圓周振動的沉降率比凸塊式振動大1.51%，空隙率比凸塊振動大0.31%。總體來看，凸塊式振動前期的壓實效果比圓周振動好，圓周振動壓實后期沉降率大，凸塊式振動的最終空隙率小，可能與顆粒被壓破碎率大相關。

表3 凸塊式振動與圓周振動壓實效果比較

2.2 垂直振動與圓周振動壓實效果比較

通過對振動壓實工作參數均相同的垂直振動與圓周振動分別與軟巖顆粒模型進行振動壓實過程的耦合仿真，壓實效果比較如表4所示。

表4 垂直振動與圓周振動壓實效果比較

從表4分析，第4遍之后垂直振動的沉降更快，在第8遍壓實后沉降率相差達到9.31%，可見垂直振動能有效提高巖石顆粒層沉降率；隨著壓實遍數增加，垂直振動的空隙率減少量也小幅高于圓周振動。

2.3 不同壓實機械下軟巖顆粒破碎情況分析

3種振動機械在振動壓實仿真過程中，破碎率結果如表5所示，破碎率對比如圖5所示。

圖5 不同壓實機械破碎率變化

表5 不同壓實機械破碎率%

從圖5和表5可知，隨著壓實遍數增加，不同壓實機械壓實后破碎率都呈現上升趨勢；壓實第1遍到第3遍的過程中3種機械壓實后的破碎率變化相差在0.93%以內，壓實第4遍到壓實第8遍的過程中圓周振動和凸塊式振動的變化線基本相同，凸塊式振動的最終破碎率比圓周振動微高，說明只改變外輪的形狀并不能有效提高軟巖顆粒結構層整體的破碎率；垂直振動的破碎率在壓實后期時與其它2種相差較大，破碎率的上升速度明顯，最終的破碎率達到47.23%，這說明采用垂直振動壓實機械對軟巖材料進行壓實施工時巖石顆粒破碎效果最大。

3 結論

1）對振動壓實工作參數相同的凸塊式振動與圓周振動的模擬結果表明：在壓實前5遍過程中凸塊式振動壓實效果比圓周振動好，而在第5遍之后圓周振動的壓實效果更好些，凸塊式振動可以有效提高初始壓實施工的效果。

2）對振動壓實工作參數相同的垂直振動與圓周振動的模擬結果表明：第4遍之后垂直振動的沉降更快，在第8遍壓實中相差達到最大為9.31%，垂直振動能快速提高沉降率。

3）不同壓實裝置對軟巖顆粒的壓實破碎效果不同，其中垂直振動破碎率增加最快，最終達到47.23%，而圓周振動和凸塊式振動破碎率變化基本接近。

4）通過3種振動壓實工作裝置對軟巖顆粒壓實過程的仿真試驗結果比較，凸塊式振動在壓實施工的前期對沉降率的影響顯著；垂直振動可以快速提高壓實結構沉降率和破碎率；實際工程中，應該根據軟巖強度、軟巖比例和對壓實后沉降率、結構層模量等具體工程要求，靈活組合不同壓實機械進行施工。