路基壓實狀態固有頻率特性與土體不同高度關系試驗研究

摘" 要：該文通過試驗研究，得到路基壓實狀態固有頻率特性與土體不同高度關系。結果表明，不同高度各土樣加速度時程曲線變化基本一致，不同高度土體各自的峰值加速度差異較大，呈非線性變化趨勢。錘擊力為235 N時，土樣自振頻率處于10～25 Hz寬頻帶之間。基于共振原理，當系統受到與本身固有頻率相同的強迫振動時，系統振幅達到最大，從而產生“共鳴”，此時壓實效果最好。因此在振動壓實碾壓作業時，選取合適的振動頻率對于提高壓實效率十分重要。

關鍵詞：路基工程；試樣試驗；固有頻率；不同高度；壓實效率

中圖分類號：U213.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0067-04

Abstract： Through the experimental study， this paper obtains the relationship between the natural frequency characteristics of the compacted state of the roadbed and the different height of the soil. The results show that the time history curve of acceleration of soil samples at different heights is basically the same， and the peak acceleration of soil samples at different heights is significantly different， showing a nonlinear variation trend. When the hammer force is 235 N， the natural vibration frequency of the soil sample is in the wide band of 10～25 Hz. Based on the Resonance Principle， compaction is the best when the system is subjected to forced vibration of the same natural frequency as itself， and the system amplitude reaches its maximum， thus producing \"resonance\". Therefore， it is very important to select the appropriate vibration frequency to improve the compaction efficiency in the process of vibration compaction.

Keywords： roadbed engineering; sample test; natural frequency; different height; compaction efficiency

近年來，國民社會經濟快速進步發展，交通運輸業在這一過程中的作用十分巨大[1]。與此同時，城市市政道路工程也取得了重大的發展和進步。隨著沿海地區城市化進程的不斷加快，公眾的生活質量得到了極大提高。汽車已經成為一種重要的交通工具，進入了普通人的家中[2]。隨著私家車數量的增加，城市道路擁堵問題日益顯現。為提高我國城市道路交通狀況，除了加快市政道路工程建設速度外，市政部門還應采用現代施工技術，確保城市道路施工質量符合設計要求。在市政道路施工中，路基路面壓實技術對整個工程的施工質量影響最為密切，因此加強市政道路路基路面壓實工藝的研究尤為重要[3]。

王莉[4]通過深入分析振動壓實機理和振動壓實相關理論，總結了振動頻率和振幅2個技術參數對壓實效果和壓實效率的影響，在此基礎上提出了根據壓實材料固有頻率變化的無規律性，推導出采用從地面上提取振動壓實作業中振動信號的新方法和實現途徑。姜志全等[5]通過理論分析和模型試驗的手段，利用質量-彈簧模型對粗粒料振動頻率與干密度之間的關系開展了研究工作，結果表明，粗粒料土體的自振頻率隨著干密度的增加而增加。李軍等[6]針對特定路基土壤，自制螺旋壓實機構壓制路基土壤圓柱試樣，依照模態分析法，采用INV306DF便攜式智能信號采集處理分析系統進行了不同壓實度圓柱試樣的固有頻率測試，獲得了路基土壤固有頻率與土壤密實度的函數關系表達式，研究結果為完善振動壓路機智能化控制系統設計提供依據。吳奇倫[7]提出一種基于“振動輪-壓實體”系統模態參數識別的壓實質量評價方法，并應用機器學習方式實現該方法對壓實質量的實時評價，為智能壓實技術發展及工程應用提供另一種可行的技術路徑。姚運仕[8]提出“在合理的工作速度下，上中下各層的壓實度同時滿足要求”的參數優化目標，設計了雙頻合成振動壓實樣機，利用正交試驗方法對樣機的頻率及頻率比，振幅及振幅比和相位參數等進行了試驗，結果表明2個頻率的相位差及頻率比對壓實效果的影響最明顯，兩頻率成分的振幅及其振幅比對壓實效果的影響較明顯。秦四成等[9]和張青哲等[10]通過理論計算的手段，創建出“振動壓路機-土壤”振動系統的2自由度動力學模型，并結合機械系統動力學理論給出了模型土壤在振動壓實過程中的動態響應和固有頻率的解析解，研究得到了激振頻率、振幅和土壤參數對振動壓實效果和減振效果的影響規律，研究成果對振動壓路機振動參數的選擇有顯著的指導意義。

結合土壤壓實相關理論，若振動壓實機械振動輪的振動頻率處于道路壓實土壤的固有頻率范圍內時，其整體壓實效果最佳。因此，研究壓實路基土的固有頻率范圍，分析壓實土壤固有頻率與土樣不同高度之間的定量關系，是實現振動壓路機智能控制的關鍵。

1" 試驗設計

1.1" 試樣制作

在擊實試驗得到最大干密度和最優含水率，制作完同一直徑不同高度的4個土樣后，再分析同一壓實度、相同直徑、不同高度的土體錘擊試驗過程。

在不同高度土樣制備時，將原試筒高度加一模具，使其總高度達16 cm。同時為確保試樣擊實過程中模具和試筒穩定，將所加模具與試筒焊接在一起，同時也可確保脫模時土樣的完整性。將配置好的試樣土先用標準擊實法擊實并脫模得到3個土樣，高均為12.7 cm，直徑均為10 cm。將3個土樣用切割刀分別切割成直徑10 cm，高度分別為6 cm、9 cm和12 cm的土樣，將其分別標記為1號、2號和3號土樣。注意用刀切割土樣時，不要一次性切割到位，需要分級逐步切割到需要的高度，同時注意表面的平整。

另外用加高的試筒模具制作高度為15 cm的土樣，并分6次錘擊，將其標記為4號土樣。將此次制作的土樣與最大干密度試驗的土樣作壓實度對比，有細微的差別，原因是分層錘擊時，錘擊前每層土填加的質量有差別，其次是切割后表面的粗糙度和平整度不同，但影響不大。詳細試驗參數見表1。

1.2" 試樣方法及測試

如圖1所示，將4個不同高度的土樣擺放在圓圈周邊，將其中心作為錘擊點，試驗測試過程中保持土樣和加速度傳感器之間的間距為45 cm，土樣與加速度傳感器距錘擊中心距離40 cm。對直徑10 cm，高度分別為6 cm、9 cm、12 cm和15 cm的1～4號土樣先錘擊地面，再錘擊土體。在每個土樣的中心安裝加速度傳感器，同時在錘擊地面粘貼加速度傳感器，即5個傳感器同時采集振動信號。

在土樣上安裝加速度傳感器時，由于土樣是土顆粒集合體，粘貼效果差，故采用在土樣中心擰3顆粒螺釘，用強力磁座安裝在螺釘上，同時在強力磁座上安裝加速度傳感器。注意保持螺釘平面和土樣的一致性。此安裝方法可準確測定土樣的振動信號，相比膠水粘貼法，受干擾小。

錘擊方法：大力錘錘頭采用橡膠頭，并將力錘從同一高度多次自由落體后錘擊到地面，并在力錘第一次接觸地面后彈起的瞬間人工接住力錘。避免力錘重復撞擊對試驗測試造成不必要的干擾。

2" 試驗數據分析

2.1" 試樣時程特性分析

圖2展示了在同一直徑（10 cm）、不同高度土體（6 cm、9 cm、12 cm和15 cm）錘擊力為235 N時的時域波形圖。從圖2試驗數據分析可知，不同高度各土樣加速度時程曲線變化基本一致，在1.38 s時峰值加速度均達到最大。由圖3錘擊力為235 N時土體不同高度加速度峰值曲線分析可知，不同高度土體各自的峰值加速度差異較大，呈非線性變化趨勢。直徑為10 cm、高度為12 cm的峰值加速度最大，其次是高度為15 cm、9 cm和6 cm的土體，地面峰值加速度最小。初步分析造成這種差異的原因是壓路機鋼輪振動存在一個高度有效作用區，當土厚度超過這個有效作用區的限值，壓路機鋼輪的振動作用就會衰減。

2.2" 試樣頻譜特性分析

由圖4錘擊力為235 N時土體不同高度頻譜圖分析可知，土樣自振頻率處于10～25 Hz寬頻帶之間，且當自振頻率為15 Hz和21.5 Hz時2次頻譜幅值均較大。初步分析，錘擊力較小，頻譜幅值增幅較小，路基圖在瞬間承受較小的沖擊力時，土體內部結構壓實擠密存在一個“緩慢變形期”，因此其頻譜幅值變化主要呈現2個明顯振幅區段。

頻譜幅值分布與加速度峰值分布規律基本一致，如圖5所示，直徑為10 cm，高度為12 cm的頻譜幅值最大，其次是高度為15 cm、9 cm和6 cm的土體，地面頻譜幅值最小。基于共振原理，當系統受到與本身固有頻率相同的強迫振動時，系統振幅達到最大，從而產生“共鳴”，此時壓實效果最好。但限于機械控制精度，工程認為當振動頻率介于頻譜幅值附近的振動范圍內，壓實效果最佳。高于或者低于該振動頻率都將會降低被碾壓材料的壓實度效果。因此在振動壓實碾壓作業時，選取合適的振動頻率對于提高壓實效率十分重要。

3" 結論

本文通過試驗研究，得到了路基壓實狀態固有頻率特性與土體不同高度關系，得到以下結論。

1）直徑10 cm，高度12 cm的峰值加速度最大，其次是高度為15 cm、9 cm和6 cm，不同高度土體峰值加速度呈非線性變化趨勢。

2）錘擊力為235 N時，頻譜幅值分布與加速度峰值分布規律基本一致，土樣自振頻率介于10～25 Hz寬頻帶，當自振頻率為15 Hz和21.5 Hz時兩次頻譜幅值均較大。

3）限于機械控制精度，工程認為當振動頻率介于頻譜幅值附近的振動范圍內會產生“共鳴”，此時壓實效果最好，振動頻率位于頻譜幅值附近的振動范圍之外時會降低被碾壓材料的壓實度效果，選取合適的振動頻率對提高壓實效率十分重要。

參考文獻：

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