软土基振动压实机理分析

ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴ１０ＮＳ　ＳＴＡＮＤＡＲＤＩＺＡ｜ｒＪ０Ｎ　赖仲平　，姚莉娜ｚ　（１．广东交通职业技术学院，广东广州５１０６５０；２．长安大学，陕西西安７１００６４）　摘要：结合江门市九江大桥路堤施工实例，通过分析振动压实机理、　软土的剪应力和抗剪强度．对压实过程中振动压　路机频率和振幅以及行驶速度的控制加以探讨，可为振动压路机进行软土地基压实及其质量控制提供实践经验。　关键词：振动压路机：压实机理：高填方路基　中图分类号：Ｕ４１６．２１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—４７８６（２００７）ｌ１－０１０６—０４　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　Ｓｏｆｔ　Ｓｏｉｌ　ＬＡＩ　Ｚｈｏｎｇ－ｐｉｎｇ　．ＹＡＯ　Ｌｉ—ｎａ　（１．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｃｍｎｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６５０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈａｎｇ　ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００６４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　Ｊｉｕｊｉａｎｇ　ｂｒｉｄｇｅ　ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｊｉａｎｇｍｅｎ　ｃｉｔｙ，ｂｙ　ａｎ—　ａｌｙｚｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｓｏｆｔ　ｓｏｉｌ　ｓｈｅａｆｉｎｇ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄ　ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｏｒｙ　ｒｏｌｌｅｒ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｉｎ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｉｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｓｏｆｔ　ｓｏｉｌ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｕｓｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｏｌ３￣ｒｏｌｌｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｂｒａｔｏｌ３￣ｒｏｌｌｅｒ；ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｈｉｇｈ　ｆｉＵ　ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ　量，确保注浆加固方案的正确实施，都成为今后施　工实践中逐步解决的问题　参考文献　【１］《地基处理手册》编写委员会．地基处理手册【Ｍ】．　１　注浆加　施ｒ．一【．艺流程｝荽ｌ　北京：中国建筑工业出版社．１９９３．　后．基层的弯沉值的标准差减小，说明路基的均匀　性有所提高，改善了基础结构，提高了基础强度，　达到了使用要求　且施工期短，道路很快通畅，经　济效益和社会效益非常明显。　６结论　ｆ２］周万东．压密注浆在新郑高速路软弱地基加固　中的应用ｌＪＪ．岩土工程界，２００３，（】】）：６２—６３．　『３１杜嘉鸿，张崇瑞，何修仁，熊厚金．地下建筑　注浆工程简明手册ｆＭ　Ｊ．北京：科学出版社，１９９８．　『４１葛家良．软岩巷道注浆加固机理及注浆技术若　干问题的研究　１．徐州：中国矿业大学，１９９５．　在对公路基层的加同过程中，注浆法加同基层　南于其施Ｔ方便、造价低、技术可行、社会效益好　『５１梁惕观．灌浆法在加固处理软路基中的应用ｌＪ］．　西部探矿工程．２００２，（２）：】】２一】】３．　等优点，在公路工程中得到了广泛的应用。但采用　注浆技术加同公路基层还在探索阶段。如何更好得　确定设计参数．如注浆压力的选择和控制、浆液材　料配比和注浆工艺等，是我们急需解决的问题；以　作者简介：王顺兴（１９８２一），男，河南郑Ｊｒ，、ｉ人，长安大学在　校研究生．从事路基路面的研究．　收稿日期：２００７—０３—１９　及在施工过程中，如何严格控制注浆的顺序和质　ＯＯ￣ＭＵＮｉＣＡＴＩＯＮＳ　ＳＴＡ　ｆ　０　．ｊＮ（）＿１裁２∞　ＳＳ　ｉ　Ｉｏ－１７１萋　维普资讯 http://www.cqvip.com １　引言　振动压路机压实软土地基其质量是相对难以控　制的．尤其在我国南方地区特别是三角洲冲积平原　地区，地质条件复杂，土质为流塑状淤泥。由于工　程规模和具体情况不同，回填和铺筑材料的性质也　不同．施工工艺及铺层厚度不同。因此在压实作业　图１土体深度２００ｍ处静、动压力测试结果　时，必须根据不同的施工条件和施工要求，合理选　和，即：　择压实机械设备。对于高填土方路基，振动压路机　Ｐ＝　＋　（２）　的压实效果更显突出。本文将通过分析振动压实机　土体压力Ｐ的最大值　和最小值　为：　理、软土的剪应力和抗剪强度，对压实过程中如　Ｐ￣＝Ｐｉ＋Ｉ　｝，　＝　＿ｌ　｝　（３）　何控制振动压路机频率和振幅以及行驶速度进行深　一般情况下，振动压实过程中土体承受的最大　人探讨。　压力　大于静碾压实过程中土体承受的压力　：　江门市九江大桥（Ｇ３２５线）至江门市区一级公　尸　＞　（４）　路主要分布于三角洲冲积平原地貌区西江河漫滩和　即振动压实过程中土体承受的最大剪切应力　低山丘陵地貌区丘间沟地带，工程地质条件复杂．　丁一大于静碾压实过程中土体承受的剪切应力丁，，使　流塑状淤泥、淤泥质土为欠固结的高灵敏土层，且　式（１）易于成立，压实效果提高。振动压实对土体　分布广泛，厚度较大，属软土地基。根据设计要　中剪切应力的影响与被压实土的种类无关。　求，在软基处理完毕后要求填筑路基高度大于４ｍ，　３．２振动对不同压实材料抗剪强度丁，的影响　最大达８．５ｍ，属高填方路堤。　振动压实对土体中剪切应力的影响与被压实土　在高填方路堤的作用下，路基总沉降量大，大　的种类无关，但是对土体抗剪强度的影响却与土的　部分路段沉降量在１．５ｍ～３．０ｍ之间，控制工后沉降　种类有着密切的联系。　难度大。由于路基软土强度低，控制路基的稳定难　土的抗剪强度丁厨南库仑定律表示为：　度也很大。因此本路段的压实工序就显得更重要。　７　：ｃ＋ｆ，ｔｇ　（５）　为达到更高的施工质量，采用垂直振动压路机进行　式中：ｃ——土的凝聚力；　压实作业，经检验符合质量标准。　ｆ，——土的法向应力：　３振动压路机的压实机理　西——土的内摩擦角。　目前关于振动压路机压实机理的研究已经取得　软土结构分为聚粒结构和絮凝结构，软土颗粒　了一定进展，工程技术界提出了几种有关振动压实　细小，颗粒的矿物成分、颗粒的结构型式以及土一　机理的观点，如共振压实观点、最小摩擦力观点　水系统的相互作用和胶结物质的存在，形成了复杂　等。这些观点都各自针对某一类振动压实现象加以　的物理化学现象。它在压实过程中形成的剪阻力主　解释，并不能全面解释各种振动压实现象．这说明　要是凝聚力ｃ，而摩擦角西比砂上摩擦角小得多，　它们还需要完善和补充。　可以忽略不计。粘土的抗剪强度可以简化为：　在压实过程中，无论是静碾压实还是振动压　ｃ　（６）　实，只有当土中产生的剪切应力丁大于土的抗剪强　滑动摩擦力由颗粒接触面粗糙不平形成的微细　度丁，时，才能够使土颗粒重新排列，使得土体压　咬合作用形成的。颗粒间距离的微弱增长，会使微　密变实Ｉ１］，即：　细咬合作用产生很大的衰减。如果振动能使颗粒质　ｒ＞ｒ１－　（１）　点间的距离产生微弱的增长，就会使滑动摩擦力减　南式（１）可知，只要确定了振动对土的剪应力　小。振动压实过程中，振动轮下面的土体颗粒也随　大小和抗剪强度的影响，就清楚了振动压实机理。　之振动。土体振动加速度为：　３．１　振动对压实材料剪应力．ｒ的影响　”＝一ａ￣ｃｏｓ（Ｏｔ＋／３）　（７）　图１是在土层下２００ｍ处静、动压力的测试结　式中：　振幅：　果，其中土承受的压力Ｐ为静压力　与动压力　之　一激振频率：　ＮＯ　ｔ￣２００７ｉｉＳＳＵＥ　　÷１、　维普资讯 http://www.cqvip.com 一一相位角；　时间。　理论分析和试验结果都表明。振动轮与土构成　的振动系统是弱非线性振动系统。振动轮振幅可以　近似按线性系统计算。试验结果表明．振动轮与砂　）　（８）　——土颗粒的惯性力，为：　，：＝一ｍ　ＣＯＳ（　土构成的振动系统主共振频率在１４Ｈｚ附近。图２是　式中：ｍ　——土颗粒质量。　振幅ａ和振动强度ｅ随激振频率　变化的函数曲线。　令ｅ＝　。则有：　（９）　，－一ｍ　ｅｃｏｓ（　＋／３）　（１０）　其中，ｅ为振动强度。　＝０．３　／　南式（１０）可以看出，土颗粒惯性力，与颗粒质　量／Ｉｔ　和振动强度ｅ成正比。当振动强度ｅ较小，或土　／　＾＼：０＼　｝．６　｝　颗粒质量较小时．土颗粒的惯性力，也较小，它将　｜。　／＼＝ｏ．９　＼＼　在自己原来的位置振动。当振动强度ｅ和土颗粒质　／，　≥　量足够大时．土颗粒的惯性力，足以克服周围其他　ｉ／／／　土颗粒凝聚力ｃ的作用．使土颗粒偏离自己原来的　位置。具有良好级配的砂土．由于相邻土体颗粒问　｜　／　／／　的粒径大小不同，即它们的颗粒质量／Ｉｔ　不同，因此　相邻土颗粒在具有相同振动强度ｅ时。它们具有的　惯性力，大小不同。这种差别必然会使颗粒质点问　的距离发生微小的变化．对颗粒问的微细咬合作用　图２振幅０和振动强度ｅ与激振频率ｎ的函数关系图　产生很大的衰减，导致内摩擦角中　减小，即内摩　由图２可知．增大振动强度ｅ会显著减小砂土的　擦力ｏ－ｔｇ￣ｂ减小。　滑动摩擦，但是当振动强度ｅ足够大时，进一步增　软土的颗粒质量ｍ　与砂土颗粒质量相比要小得　加振动强度ｅ却会减小内摩擦力．从而失去作用，　多，同时它的凝聚力ｃ很大，振动不容易使土颗粒　摩擦系数ｏ－ｔｇ￣ｂ趋于常数。如图３所示。　的惯性力，起到足以克服周围其他土颗粒凝聚力ｃ的　作用，因此振动对软土的滑动摩擦力影响很小，凝　聚力ｃ是软土抗剪强度　ｒ，的主要成分，振动对软土　＼　抗剪强度　ｒ影响可以忽略不计。　＼　综上所述，振动可以显著减小滑动摩擦。由于　＼　＼　滑动摩擦对软土材料的抗剪强度所起的作用，所以　＼　振动对软土材料的抗剪强度　ｒｒ产生影响。　３－３振幅、激振频率对压实效果的影响　在正常振动压实过程中，振动轮与土始终接触　图３摩擦系数ｔ　与振动强度ｅ的函数关系图　在一起。振动轮振幅的大小反映了土体变形的大　对于砂土，当激振频率在主共振点附近时，由　小，反映了土体动压力的大小。振幅越大在土体中　于振动强度ｅ较低，此时振动对减小砂土抗剪强度　产生的动压力越大，土体承受的剪应力越大。南式　的作用较小，不利于提高压实效果，提高激振频率　（９）可知，当激振频率一定时振幅越大振动强度越　可以显著提高振动强度ｅ．减小土的抗剪强度，提　大．就越有利于抗剪强度减小，因此大振幅可以提　高振动压实效果。但过份增大激振频率　也是不利　高压实效果。但是如果振幅过大，振动压实过程中　的。当振动强度达到一定程度后，土的抗剪强度趋　振动轮会出现与地面分离的现象，即“跳振”现象。　于常数．同时由于激振频率远离主共振点，振幅　严重的“跳振”现象会使振动压路机在行驶中失去方　减小．使土的动压力（即土体承受的剪应力）减小，　向性。同时也会影响路面的平整度，这对压实是不　从而降低了压实效果口１。　利的　图４是一定深度土体的抗剪强度　和剪应力　与　￣ＯＭＭＵＮｉＣＡＴＩＯＮ８　ＳＴＡＮＤＡＲＤＩＺＡＴＩＯＮ；Ｎ６　１　１　鼍　№　了　、　维普资讯 http://www.cqvip.com

激振频率力的函数关系。当振动频率　在抗剪强度　，　动压路机工作频率一般设定为压实接近终了时被压　和剪应力　曲线交又点０的左侧时，即振动频率力低　实材料的自然共振频率。压实土方的振动压路机设　于交叉点Ｄ所对应的频率　时，式（１）不成立，土体　计频率一般都定在２９Ｈｚ一３３Ｈｚ之间ｌ　３＿。　不能被压实。振动频率力高于交又点０所对应的频　４．２振动振幅　率　时，土体才能被压实。土层厚度越薄，剪应力　激振力与偏心力矩及振动频率成正比。激振力　曲线会平行向上移动，抗剪强度曲线会平行向下移　与振幅之积等于激振压实能量，但激振力与振幅　动．两条曲线交点向左侧移动，有利于压实；反之　却没有直接的关系。振幅的含义是振动轮上下移动　两条曲线交点向右侧移动，当上层厚度达到一定程　半个总距离的量，移动量大，作用能量也大。一般　度时两条曲线将不能相交，则在此厚度以上的土体　土壤和砂石混合料对压实的要求各异。高振幅用　不能被压实１２１。　于较深的压实层，而低振幅用于较浅的压实层。　土壤振动区域示意图如图５所示。　所以．许多压路机都设有两个振幅．压实厚路基　振幅为１．５ｒａｍ～２ｒａｍ，压实薄路基振幅为０．４ｒａｍ一　０．８ｒａｍ。　＼　抗剪　虽度　４．３碾压速度　Ｉ　＼　／　因液压元件的迅速发展，现在的振动压路机的　行驶速度均为无级变速，其碾压速度影响压路机在　剪应，　一Ｏ　定表面区域内的有效压实时间。在一定的频率　，一　／一　Ｚ－－－－　下，低速碾压比高速碾压在单位面积上产生的冲　｜　击次数多。对于一定频率的压路机而言，碾压速度　／　——～　振４　妒　—　太快，冲击间距就会增加，从而导致压实性能降　ｔ　低或表面不平整度增加。根据速度和频率之间的　关系与材料种类．碾压土填方速度一般为３ｋⅡ　～　Ｏ　／　／　——∞。　／２　５ｋｍ／ｈＩ　。　Ｆ．１４抗剪强度丁，、剪应力　与激振频率ｎ的甬数关系曲线　碾压时，在直线路段和大半径曲线路段．应先　压边缘，后压中问：小半径曲线地段因有较大的超　高，碾压顺序宜先低（内侧）后高（外侧）。　路堤边缘往往压实不到，仍处于松散状态，雨　后容易滑落，故两侧可采取多填宽度４０ｃｍ～５０ｃｍ．　压实工作完成后再按设计宽度和坡度予以刷齐整　平，也可以采用卷扬机牵引的小型振动压路机从坡　脚向上碾压，或采用人工拍实　图５土壤振动区域不：墓＿剁　参考文献　４软土基振动压实技术参数　［１】沙庆林．公路压实与实际标准［Ｍ１．北京：人民交　４．１　振动频率　通出版社，ｌ９９５．　振动频率是振动器的振动轴每分钟转动的次　［２】李冰．振动压路机与振动压实技术『Ｍ１．北京：人　数。振动轴通常由液压马达驱动，所以只需改变液　民交通出版社．２００１．　压马达的流量即可改变振动频率。有些振动　路机　［３】林源．简明建筑施工机械实用手册［Ｍ１．北京：中　附有无级振动频率或超过两个振动频率。一般土壤　国建筑工业出版社．２００３．　和砂石混合料的共振频率是在２０Ｈｚ～２６Ｈｚ之间．当　土方材料开始被压实后，其自然共振频率也相应地　作者简介：赖仲平（１９５６一），　男，高级讲师，研究方向为工程　稍微提高。为了使振动压路机有足够的压实能量，　机械；姚莉娜（１９５８一），女，　副教授，研究方向为工程机械。　进一步把已被压文的材料的密度再次提高。通常振　收稿日期：２００７—０３—１９　ｓｌＴＡＮ【　ｉｚＡ下ｉ。Ｎ．Ｎｏ：！）；２００７ｉＩＳＳＵＥ　７》　ｊ