不同工況下壓路機振動衰減規律研究

李小明

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

在公路建設中，使用振動壓實設備對路基壓實可以顯著提高道路承載力，還能有效防止道路沉陷、水分滲透等道路病害，從而提高道路使用壽命。密實度每提高1%，基礎承載力提高10%；瀝青混凝土密實度每提高1%，承載力和壽命可提高10%～15%[1]。但是振動壓路機在作業過程中往往會引起地面的強烈振動，對工程周邊建筑和環境帶來不利影響[2]。針國內外學者對此展開了許多研究，美國學者T.S.yoo[3]與E.T.selig[4]最先依據彈性振動理論，建立了“振動壓路機-土壤”系統經典二自由度線性動力學模型，Barrors等[5]通過將地基土視為粘彈性半空間體系,研究了在地基土中振動波的振動傳遞規律。李迪[6]通過建立“振動壓路機-土壤”三自由度動力學模型，研究了振動壓路機在瀝青路面上壓實作業時，瀝青混合料壓實度與振動鋼輪振動加速度間的聯系規律。左文軍等[7]根據波的吸收理論得出振動壓路機引起的環境振動以柱面波的形式傳播，并給出了振動壓路機的安全工作距離。李雨等[8]對壓路機振動頻率波動現象及其產生原因進行分析，并從理論上推導出影響壓路機振動頻率穩定性的相關因素。安再展等[9]通過現場試驗分析了壓路機振動頻率和車速對振動加速度的影響。本文以廣安市過境高速東環線某段公路施工中不同工況下壓路機振動效應現場監測為基礎，對壓路機振動衰減規律進行了初步研究，為振動壓路機在鄰近居民區和建筑物時的安全施工提供了參考。

1 振動測試

1.1 振動測試系統

振動測試系統由傳感器、記錄儀和筆記本電腦組成。采用中科測控有限公司生產的TC-4850型振動記錄儀記錄振動信號，振動記錄儀直接與傳感器連接，將傳感器輸入的模擬電壓量轉換成數字量進行存儲，再經自身的接口和計算機相接，通過配套專用軟件在計算機上進行波形顯示、數據分析、結果輸出。振動記錄儀的采樣頻率為1～50 kHz，記錄1～160 s可調，觸發模式分為內觸發、外觸發和無線觸發3種形式，儀器最大量程10 V(35 cm/s)。傳感器采用三向振動速度傳感器。

1.2 振動壓路機參數

本次試驗壓路機為國機重工LSS2301-2振動壓路機(表1)，振動壓實作業時有高振幅和低振幅兩檔可調，其工作原理是利用自身重力和激振力垂直作用于受壓路面材料達到壓實路面的效果[10]。

1.3 振動測試方案

為還原道路施工壓實作業的完整過程，分別在軟土路面和瀝青路面進行壓路機振動測試，共選取5處測試點，測試過程中使壓路機在測試路段往返行駛40 m，測線在測試路段中點處垂直于道路方向布置。每條測線布置4～6個測點，每個測點監測3次，分析數據時取3次數據平均值(圖1)。

圖1 測線布置示意

2 壓路機振動衰減規律

2.1 量綱分析

振動分析中一般用到的基本量綱為長度[L]、質量[M]、時間[T]，壓路機振動中的其他量綱均可用3個基本量綱表示，稱為導出量綱，即:

[X]=[LαMβTγ]

若α、β、γ均為0，則[X]為無量綱量。

壓路機振動過程中測點振速受振源大小、介質條件、測點離振源的距離的影響，因此可以認為壓路機振動波傳播過程中涉及到的重要物理量有9個，見表2。

表2 壓路機振動涉及到的重要物理量

根據π定理，取μ、F、c為獨立量綱，即m=3,n=9-3=6。以π代表無量綱量，則有:

(1)

(2)

不同無量綱數π的乘積和乘方仍為無量綱數，取π4、π5進行如下組合，得到新的無量綱數:

(3)

(4)

(5)

將式(5)代入式(4)得到壓路機振動隨距離的衰減公式：

v=kR-β

(6)

2.2 回歸分析

對每個測點3組數據取平均值后，發現Z方向即垂直振速最大，故對垂直振速進行分析將監測數據(表3)。

表3 垂直振速觀測值

通過對所得數據的一元非線性回歸分析，發現壓路機引起地面振動波傳播衰減規律符合負冪指數函數形式，即用式(6)描述壓路機振動的衰減規律是合理的，將回歸分析結果(表4)。

表4 回歸分析結果

3 不同工況對壓路機振動衰減的影響

3.1 壓路機振幅的影響

選取K33+150和K65+350 2組數據進行對比分析，可以發現在壓路機振動衰減前期，K65+350的振動衰減曲線位于K33+150上方，說明壓路機進行高振幅壓實作業時將引起更大的地面振動，這是因為壓路機高振幅壓實作業能夠能對路面施加更大的能量，相當于增大了振源。但隨著振動波傳播距離的增加，K65+350振動衰減曲線逐漸處于下方，說明振源的大小對質點振速的影響隨距離增加逐漸減小，超過一定距離后，對質點振速起主要作用的是傳播介質的粘滯阻尼大小(圖2)。

圖2 不同振幅壓路機振動衰減曲線

3.2 路面材質的影響

選取K65+350瀝青路面和K10+650軟土路面2組數據進行對比分析，從圖3可以看出，在瀝青路面進行壓實作業時與軟土路面相比會產生更大的振動，說明壓路機壓實作業引起的地面振動與路面材料的剛度有關，剛度越大，壓路機引起的振動越大，所以K65+350的振動衰減曲線在前期位于K10+650上方，但隨著距離的增加，K65+350的振速迅速衰減，又逐漸位于K10+650曲線下方，說明2處位置地質條件存在差異，即K65+350處傳播介質的粘滯阻尼大于K10+650處(圖3)。

圖3 不同路面壓路機振動衰減曲線

3.3 高程的影響

選取K0+100處2條測線的數據進行分析，2條測線之間間隔10 m，地質條件差異不大，2條測線距振源5 m范圍內為平整地形，從圖中可以看出，在此范圍內第一測線振動衰減曲線略高于第二測線。隨著距離增加，2條測線出現高程差，第二測線高程大于第一測線，此時第二測線振動衰減曲線略高于第一測線，說明正高程能減緩壓路機振動的衰減，即存在高程放大效應。振動傳播距離繼續增大，2條曲線逐漸趨于一致，說明高程對振速的影響存在距離限制(圖4)。

圖4 不同高程壓路機振動衰減曲線

4 結束語

本文由量綱分析得出壓路機引起地面振動的衰減公式，通過對現場監測數據的回歸分析驗證公式的合理性，并對不同工況下壓路機振動的衰減曲線進行了對比分析，得出結論：

(1)壓路機引起的地面振動衰減很快，可以認為其衰減規律符合負指數函數形式：v=kR-β。

(2)振源的大小對近區質點振速影響顯著，隨著距離增加其影響逐漸減小，遠區質點振速主要影響因素為傳播介質的粘滯阻力。

(3)壓路機在瀝青路面壓實作業時產生的地面振動大于軟土路面，即路面材料的剛度越大壓路機引發的地面振動越大。

(4)正高程會減緩壓路機振動的衰減，即壓路機產生的振動波在傳播過程中存在高程放大效應，但這一效應存在距離限制，而高差大小和影響范圍的關系還需進一步研究。